CN110395690A - 离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种离子束刻蚀聚四氟乙烯(PTFE)材料表面微结构的方法，属于疏水表面微结构加工技术领域。该方法在掩膜板上加工出阵列的镂空图案；使用带有镂空图案的掩膜板覆盖在聚四氟乙烯材料的表面；使用平行离子束对覆盖有掩膜板的聚四氟乙烯材料的一面进行垂直轰击一定的时间，离子束穿过有效刻蚀区域使聚四氟乙烯材料的表面形成与有效刻蚀区域图形一致的表面结构。本发明使用低能量平行氩离子束对PTFE表面的轰击刻蚀效果较好，通过控制不锈钢掩膜板的覆盖方式、旋转角度来控制PTFE表面刻蚀图形的形状和特征尺寸；通过控制离子束的刻蚀时间来控制PTFE表面图形的刻蚀深度；可实现在PTFE表面加工规则阵列的微结构，实现了对PTFE表面疏水性能的可控调节。

Description

离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法
技术领域
本发明涉及疏水表面微结构加工技术领域，具体涉及一种离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法。
背景技术
随着科学技术的进步与发展，制冷设备、脱硫设备以及微型反应器对于疏水表面的需求以及耐酸碱腐蚀的要求不断提高。疏水表面可以有效地提升表面凝结换热能力，液滴在疏水表面具有较好的滑移和滚动效果。固体表面疏水性能由材料固有性质和表面微结构共同决定，材料表面能越低，表面微结构尺度越小，固体表面的疏水性能更高。聚四氟乙烯(PTFE)材料化学性质稳定，耐酸耐碱，可以应用于运行环境恶劣的工程设备中。PTFE材料具有较低的表面能和优异的疏水性能，通过在其表面加工微结构，可以进一步提高PTFE表面的疏水性能，增强其应用的广泛性。但是由于PTFE表面具有良好的不粘性，传统的光刻胶无法粘附在PTFE表面，因此无法通过光刻的方式在PTFE表面加工刻蚀微结构。PTFE与常规酸碱无法发生化学反应，因此无法通过化学腐蚀的方法在PTFE表面加工微结构。综上，利用离子束对PTFE表面进行选择性地物理轰击是刻蚀微结构的有效手段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用低能量离子束对聚四氟乙烯材料进行轰击，从而制备出稳定的疏水表面结构的离子束刻蚀聚四氟乙烯表面微结构的方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
本发明提供的一种离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，包括如下流程步骤：
在掩膜板上加工出阵列的镂空图案；
使用带有镂空图案的掩膜板覆盖在聚四氟乙烯材料的表面，使镂空图案与聚四氟乙烯材料的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域；
使用平行离子束对覆盖有掩膜板的聚四氟乙烯材料的表面进行第一次垂直轰击一定的时间，离子束穿过有效刻蚀区域使聚四氟乙烯材料的表面形成与有效刻蚀区域图形一致的第一表面结构。
优选的，还包括：聚四氟乙烯材料的表面形成第一表面结构后，使所述掩膜板在聚四氟乙烯材料的表面旋转一定角度后，使用平行离子束对聚四氟乙烯材料进行第二次垂直轰击，离子束穿过镂空图案区域使聚四氟乙烯材料的表面形成第二表面结构；其中，所述第二表面结构包括镂空图案与第一表面结构重叠的区域，该区域受到离子束的第二次轰击，该区域的深度大于镂空图案与第一表面结构未重叠的区域的深度。
优选的，使用两层带有相同镂空图案的掩膜板依次覆盖在聚四氟乙烯材料上，两层掩膜板之间以垂直于聚四氟乙烯材料的中心轴为转轴旋转有一定角度；两层掩膜板之间的镂空图案重合区域与聚四氟乙烯材料的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域。
优选的，所述掩膜板由金属材料制成。
优选的，所述掩膜板为不锈钢材料制成。
优选的，使用激光刻蚀法在掩膜板上加工出所述镂空图案。
优选的，所述镂空图案为矩形、圆形、三角形、正方形或椭圆形中的一种。
优选的，所述离子束为氩离子束。
本发明有益效果：PTFE材料硬度较低，使用低能量平行氩离子束对PTFE表面的轰击刻蚀效果较好；掩膜板降低了离子束对聚四氟乙烯材料表面的刻蚀效果；通过控制不锈钢掩膜板的覆盖方式、旋转角度来控制PTFE表面刻蚀图形的形状和特征尺寸；通过控制离子束的刻蚀时间来控制PTFE表面图形的刻蚀深度；可实现在PTFE表面加工规则阵列的微结构，实现了对PTFE表面疏水性能的可控调节。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法中离子束轰击聚四氟乙烯材料的示意图。
图2为本发明实施例1所述的离子束轰击后的具有表面微结构的聚四氟乙烯材料示意图。
图3为本发明实施例2所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法中离子束轰击聚四氟乙烯材料的示意图。
图4为本发明实施例2所述的离子束轰击后的具有表面微结构的聚四氟乙烯材料示意图。
图5为本发明实施例3所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法中离子束轰击聚四氟乙烯材料的示意图。
图6为本发明实施例3所述的进行二次离子束轰击后的具有表面微结构的聚四氟乙烯材料示意图。
其中：1-掩膜板；2-镂空图案；3-聚四氟乙烯材料；4-第一表面结构；5-第二表面结构。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或模块，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、模块和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域普通技术人员应当理解的是，附图只是一个实施例的示意图，附图中的部件或装置并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，包括如下流程步骤：
在掩膜板1上加工出阵列的镂空图案2；使用带有镂空图案2的掩膜板1覆盖在聚四氟乙烯材料3的表面，使镂空图案2与聚四氟乙烯材料3的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域；使用平行离子束对覆盖有掩膜板1的聚四氟乙烯材料3的表面进行第一次垂直轰击一定的时间，离子束穿过有效刻蚀区域使聚四氟乙烯材料的表面形成与有效刻蚀区域图形一致的第一表面结构4。
所述掩膜板1为不锈钢材料制成。使用激光刻蚀法在掩膜板1上加工出所述镂空图案2。所述镂空图案2为矩形。
所述离子束为氩离子束。
使用上述方法形成了具有阵列矩形图案的表面微结构的聚四氟乙烯材料结构如图2所示。
实施例2
本发明实施例2提供一种离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，包括如下流程步骤：
在掩膜板1上加工出阵列的镂空图案2；使用两层带有相同镂空图案的掩膜板1依次覆盖在聚四氟乙烯材料3上，两层掩膜板1之间以垂直于聚四氟乙烯材料的中心轴为转轴旋转有一定角度；两层掩膜板1之间的镂空图案重合区域与聚四氟乙烯材料3的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域。使用平行离子束对覆盖有掩膜板1的聚四氟乙烯材料3的表面进行第一次垂直轰击一定的时间，离子束穿过有效刻蚀区域使聚四氟乙烯材料的表面形成与有效刻蚀区域图形一致的第一表面结构4。所述掩膜板1为不锈钢材料制成。使用激光刻蚀法在掩膜板1上加工出所述镂空图案2。所述镂空图案2为矩形。所述离子束为氩离子束。
具体的，准备光滑平整的PTFE基片(基聚四氟乙烯材料3)；利用激光刻蚀在不锈钢掩膜板1表面刻蚀出规则阵列的微米矩形镂空结构(即镂空图案2)；将两块相同的不锈钢掩膜板上下叠放在PTFE表面，下层不锈钢掩膜板1与PTFE基片保持固定，上层不锈钢掩膜板沿中心轴旋转，如图3所示。上下两层不锈钢掩膜板的重叠镂空区域在PTFE表面的垂直映射即为PTFE表面的有效刻蚀区域；低能量平行氩离子束对覆盖有不锈钢掩膜板的PTFE表面进行轰击刻蚀，PTFE表面未被掩膜板覆盖的部分被溅射出。
当上层不锈钢掩膜板旋转0°或180°时，双层不锈钢掩膜板的重叠镂空区域为矩形，图形转移至PTFE基片表面形成凹型矩形结构；当上层不锈钢掩膜板旋转60°时，双层不锈钢掩膜板的重叠镂空区域为内角60°/120°的等边四边形，图形转移至PTFE基片表面形成凹型等边四边形结构，如图4(a)所示；当上层不锈钢掩膜板旋转90°时，双层掩膜板重叠镂空区域为正方形，图形转移至PTFE基片表面形成凹型正方形结构，如图4(b)所示。
实施例3
如图5所示，本发明实施3提供一种离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，包括如下流程步骤：
在掩膜板1上加工出阵列的镂空图案2；使用带有镂空图案2的掩膜板1覆盖在聚四氟乙烯材料3的表面，使镂空图案2与聚四氟乙烯材料3的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域；使用平行离子束对覆盖有掩膜板1的聚四氟乙烯材料3的表面进行第一次垂直轰击一定的时间，离子束穿过有效刻蚀区域使聚四氟乙烯材料的表面形成与有效刻蚀区域图形一致的第一表面结构4；聚四氟乙烯材料3的表面形成第一表面结构4后，使所述掩膜板1在聚四氟乙烯材料3的表面旋转一定角度后，使用平行离子束对聚四氟乙烯材料3进行第二次垂直轰击，离子束穿过镂空图案区域使聚四氟乙烯材料的表面形成第二表面结构5。
所述掩膜板1由不锈钢材料制成。使用激光刻蚀法在掩膜板1上加工出所述镂空图案2。所述镂空图案2为矩形。
具体的，准备光滑平整的PTFE基片(即聚四氟乙烯材料3)；利用激光刻蚀在不锈钢掩膜板表面刻蚀出规则阵列的微米矩形镂空结构；将掩膜板1覆盖在PTFE表面，利用低能量平行氩离子束对覆盖有不锈钢掩膜板的PTFE表面进行轰击刻蚀。PTFE表面未被掩膜板覆盖的部分被溅射出，在PTFE表面形成凹型矩形结构；
将不锈钢掩膜板旋转一定角度，再次利用离子束对覆盖有掩膜板的PTFE表面进行轰击刻蚀，在PTFE表面得到具有深度梯度的多层四边形结构。所述离子束为氩离子束。
如图6(a)所示，为旋转角度为90°时，形成的具有表面微结构的聚四氟乙烯材料结构图。其中，所述第二表面结构5包括镂空图案与第一表面结构4重叠的区域，该区域受到离子束的第二次轰击，该区域的深度大于镂空图案与第一表面结构4未重叠的区域的深度。第一表面结构4为纵向的矩形结构，第二表面结构5为横向的矩形结构，重叠的区域为正方形，该正方形的轰击深度比其他区域的深度要深。
如图6(b)所示，为旋转角度为60°时，形成具有表面微结构的聚四氟乙烯材料结构图。第一表面结构4为纵向的矩形结构，第二表面结构5为斜向的矩形结构，重叠的区域为内角60°/120°的等边四边形，该等边四边形的轰击深度比其他区域的深度要深。
当然，在实际应用中，还可继续再次旋转掩膜板，再次进行离子束轰击，形成具有更为复杂的表面微结构的聚四氟乙烯材料。由此，可根据需要调整聚四氟乙烯材料表面微结构的形状，从而适应不同的表面疏水性能。
综上所述，本发明实施例提出的方法掩膜板使用金属材料制成，较好的阻挡离子束对PTFE表面的直接轰击，避免离子束对其表面的过度刻蚀导致不能形成规则的表面微结构。使用单层掩膜板依次进行旋转不同的角度进行离子束轰击或者使用双层掩膜板相互形成一定的角度进行轰击，刻蚀出几何形状和特征参数不同的微米结构，实现了对PTFE表面疏水性能的可控调节。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，包括如下流程步骤：
在掩膜板(1)上加工出阵列的镂空图案(2)；
使用带有镂空图案(2)的掩膜板(1)覆盖在聚四氟乙烯材料(3)的表面，使镂空图案(2)与聚四氟乙烯材料(3)的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域；
使用平行离子束对覆盖有掩膜板(1)的聚四氟乙烯材料(3)的表面进行第一次垂直轰击一定的时间，离子束穿过有效刻蚀区域使聚四氟乙烯材料的表面形成与有效刻蚀区域图形一致的第一表面结构(4)。
2.根据权利要求1所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，还包括：聚四氟乙烯材料(3)的表面形成第一表面结构(4)后，使所述掩膜板(1)在聚四氟乙烯材料(3)的表面旋转一定角度后，使用平行离子束对聚四氟乙烯材料(3)进行第二次垂直轰击，离子束穿过镂空图案区域使聚四氟乙烯材料的表面形成第二表面结构(5)；其中，所述第二表面结构包括镂空图案与第一表面结构重叠的区域，该区域受到离子束的第二次轰击，该区域的深度大于镂空图案与第一表面结构未重叠的区域的深度。
3.根据权利要求1所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，使用两层带有相同镂空图案的掩膜板(1)依次覆盖在聚四氟乙烯材料(3)上，两层掩膜板(1)之间以垂直于聚四氟乙烯材料的中心轴为转轴旋转有一定角度；两层掩膜板(1)之间的镂空图案重合区域与聚四氟乙烯材料(3)的表面垂直映射，作为有效刻蚀区域。
4.根据权利要求2或3所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，所述掩膜板(1)由金属材料制成。
5.根据权利要求4所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，所述掩膜板(1)为不锈钢材料制成。
6.根据权利要求5所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，使用激光刻蚀法在掩膜板(1)上加工出所述镂空图案(2)。
7.根据权利要求6所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，所述镂空图案(2)为矩形、圆形、三角形、正方形或椭圆形中的一种。
8.根据权利要求7所述的离子束刻蚀聚四氟乙烯材料表面微结构的方法，其特征在于，所述离子束为氩离子束。
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