CN111668319A - 一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜及其制备方法，所述防尘薄膜包括打底层、过渡层、工作层和低粘附层；打底层位于电池板表面，过渡层、工作层和低粘附层依次往上设置；打底层为Si层；过渡层为Si和C，且过渡层从下往上Si的含量梯度变化，C的含量逐渐增大；工作层为及Si‑DLC；低粘附层为氟碳或氢氟碳化合物；所述制备方法为，首先对电池板表面进行清洗及处理；然后采用真空镀膜工艺在基体表面制备Si打底层；再通过工艺控制制备致密、光滑的过渡层及Si‑DLC工作层；最后对表面进行氟有机物修饰，降低表面能。采用本发明中的方法制备的防尘薄膜，不但光学性能优良，而且提高了电池板表面除尘性能，节省能量、成本低、操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及表面防尘薄膜技术领域，尤其涉及一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜及其制备方法。
背景技术
火星是太阳系由内往外数的第四颗行星，属于类地行星，表面基本上是沙漠行星，没有稳定的液态水体，以二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃，地表地貌大部分有密布的陨石坑、火山与峡谷。地形特征是南北半球的明显差别：南方是古老充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，火星两极皆有主要以干冰组成的极冠，而且上面覆盖的干冰会随季节消长。
火星探测装备要在极其恶略的火星表面登陆及长时间作业，除了自带能量，太阳能量吸收和转化效率十分关键。然而火星近地表面覆盖有一层粒径90％以上都小于50μm的尘埃，在高速气流及风暴作用下，火星尘会弥漫在空气中，风速下降时会沉降并粘附在电池板及机构表面，不但降低电池板输出功率，同时影响电池的散热性能，导致其性能降低。动力不足影响“登火”装备完成既定任务，亟待解决。
太阳能电池板表面的污染物主要通过自然除尘、机械除尘、电帘除尘、纳米自清洁薄膜除尘。由于火星地表风速(大于30m/s时除尘效果较好)长时间无法达到除尘效果，导致自然除尘效果不理想；机械除尘因效率低、难维护，对电池板有损伤等难以推广；电帘除尘因额外耗电、成本高、技术成熟度低等未大面积推广；不论是机械除尘还是电帘除尘，都需要耗能。如果在太阳能电池板上覆盖一层纳米自清洁薄膜，则可以降低能耗，通过控制成膜粒径的大小，可以增加太阳光的透过率。纳米自清洁薄膜具有能耗少，甚至增透的优点，是未来解决“登火”装备表面除尘的有效途径之一。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种非金属Si、F掺杂的透明、自清洁的纳米类金刚石涂层，主要采用真空镀膜工艺，通过控制工艺参数，在电池板表面制备多层梯度薄膜，该薄膜不但不影响电池板光学性能，还可以有效地降低颗粒物的粘附，提高了光电转换效率，节约本体能源消耗，降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜，其特征在于：包括打底层、过渡层、工作层和低粘附层；所述打底层位于电池板组件表面，所述过渡层、工作层和低粘附层依次往上设置；
所述打底层为Si层；所述过渡层为Si和C，且所述过渡层从下往上Si的含量梯度变化，C的含量逐渐增大；所述工作层为Si-DLC；所述低粘附层为氟碳或氢氟碳化合物。
进一步的，所述打底层的厚度为10-50nm，所述过渡层的厚度为10-50nm，所述工作层的厚度为10-100nm，所述低粘附层的厚度为10～100nm。
优选的，所述打底层的厚度为20nm，所述过渡层的厚度为15nm，所述工作层的厚度为80nm，所述低粘附层的厚度为50nm。
进一步的，一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：电池板表面清洁处理；
S2：在清洁后的电池板组件表面制备Si打底层；
S3：在打底层表面制备Si和C的过渡层；
S4：在过渡层表面制备Si-DLC的工作层；
S5：在工作层表面制备氟碳或氢氟碳化合物的低粘附层。
进一步的，步骤S1的具体操作包括，对电池板组件表面依次使用酸洗、碱洗、酒精和丙酮混合液超声清洗，去除电池板组件表面的污渍，将清洁后的电池板组件装入真空镀膜室内旋转架上。
进一步的，所述酸洗采用20％体积分数的硫酸或者盐酸溶液，所述碱洗采用20％体积分数的氢氧化钠或碳酸钠溶液，所述酒精和丙酮混合液中酒精和丙酮的体积比为1:1。
进一步的，步骤S2的具体操作包括，
S21：当真空镀膜室内真空度低于10-3pa时，通入15sccm的氩气，开通所有靶材电源及电压，在电流强度为0.1-2A，偏压为200-1000V条件下，对靶材及电池板组件表面进行等离子清洗；
S22：关闭其他靶，控制Si靶电流为0.2A-1A，偏压120～200V，在电池板组件表面沉积Si打底层。
进一步的，步骤S3的具体操作包括：控制偏压不变，将Si靶电流逐渐调整到Si靶电流设定值，同时，将C靶电流从0逐渐增大到C靶电流设定值，实现Si和C成分梯度过渡；所述Si靶电流设定值与C靶电流设定值均在0A-1A范围内。
进一步的，步骤S4的具体操作包括：固定Si靶电流为Si靶电流设定值，固定C靶电流为C靶电流设定值，固定基片偏压不变，保证Ar气流量不变，在过渡层表面沉积致密、光滑的Si-DLC涂层。
进一步的，步骤S5的具体操作包括：关闭所有靶材电流，向真空镀膜室内通入流量为5～20sccm的氟碳或氢氟碳化合物，对工作层表面进行氟刻蚀2～15min。
本发明的有益效果是：
本发明的防尘薄膜采用纯硅做打底层，可以缓解电池板与DLC涂层内应力较大而脱落的问题；工作层掺入一定量的硅元素可以促进层状碳原子(sp2键)向四面体结构(sp3键)的转化，减小薄膜层间内应力，提升薄膜透光性能；表面进行透明疏水氟修饰，能够降低表面能，减小异物粘附性能。
附图说明
图1为本发明防尘薄膜结构示意图。
图2为本发明实施例1至实施例4中不同防尘薄膜紫外-可见光透射谱图。
图3为本发明中不同氟刻蚀时间的防尘薄膜平放时表面涂粉情况对照图。
图4为本发明中不同氟刻蚀时间的防尘薄膜倾斜时表面粉末自动滑落情况对照图。
其中：1-电池板组件，2-打底层，3-过渡层，4-工作层，5-低粘附层。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
参照说明书附图1所示，一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜，包括打底层2、过渡层3、工作层4和低粘附层5；所述打底层2位于电池板组件1表面，所述过渡层3、工作层4和低粘附层5依次往上设置；
所述打底层为Si层；所述过渡层为Si和C，且所述过渡层从下往上Si的含量梯度变化，C的含量逐渐增大；所述工作层为Si-DLC；所述低粘附层为氟碳或氢氟碳化合物。
进一步的，所述打底层的厚度为10-50nm，所述过渡层的厚度为10-50nm，所述工作层的厚度为10-100nm，所述低粘附层的厚度为10～100nm。
优选的，所述打底层的厚度为20nm，所述过渡层的厚度为15nm，所述工作层的厚度为80nm，所述低粘附层的厚度为50nm。
优选的，所述Si层可选用纯Si或者SiO2，优选为纯Si；所述氟碳或氢氟碳化合物选用CF4或CHF3。
进一步的，一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，如以下实施例所述。
实施例1：
一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，包括以下步骤，
S1：电池板表面清洁处理：
具体的，采用20％体积分数的硫酸(可滴入2％的表面活性剂)对电池板组件进行酸洗20min，然后再放入10％体积分数的氢氧化钠溶液中碱洗20min，最后放入酒精和丙酮(体积比1:1溶液中)的混合液中进行超声波清洗20min，反复该操作，直至电池板组件表面无污渍即可；将清洁后的电池板组件正面面对C靶材，装入真空镀膜室内旋转架上，关闭炉门。
S2：在清洁后的电池板组件表面制备Si打底层；
S21：当真空镀膜室内真空度低于10-3pa时，通入15sccm的氩气，开通所有靶材电源及电压，在电流强度为0.2A、偏压为600V的条件下，对靶材及电池板组件表面进行等离子清洗30min；
S22：关闭其他靶，控制Si靶电流为0.2A，基片偏压为200V，在电池板组件表面沉积约20纳米厚的Si打底层，沉积时间为20min。
S3：在打底层表面制备Si和C的过渡层；
在基片偏压为200V的条件下，将Si靶电流从0.2A逐渐减小到0A，同时，将C靶电流从0逐渐增大到1A，沉积时间10min，实现成分梯度过渡，过渡层厚度约15nm。
S4：在过渡层表面制备DLC的工作层；
关闭Si靶电流(控制Si靶电流为0A)、控制C靶电流1A，基片负偏压200V，保证Ar气流量不变，在过渡层表面沉积致密、光滑的Si-DLC涂层，Si-DLC涂层的厚度为80nm左右。
S5：在工作层表面制备氟碳或氢氟碳化合物的低粘附层。
关闭所有靶材电流后，向真空镀膜室内通入流量为5sccm的CHF3，对工作层表面进行氟刻蚀2min，对应的低粘附层的厚度约10nm。
实施例2：
一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，包括以下步骤，
S1：电池板表面清洁处理：
具体的，采用20％体积分数的硫酸(可滴入2％的表面活性剂)对电池板组件进行酸洗20min，然后再放入10％体积分数的氢氧化钠溶液中碱洗20min，最后放入酒精和丙酮(体积比1:1溶液中)的混合液中进行超声波清洗20min，反复该操作，直至电池板组件表面无污渍即可；将清洁后的电池板组件正面面对C靶材，装入真空镀膜室内旋转架上，关闭炉门。
S2：在清洁后的电池板组件表面制备Si打底层；
S21：当真空镀膜室内真空度低于10-3pa时，通入15sccm的氩气，开通所有靶材电源及电压，在电流强度为0.2A、偏压为600V的条件下，对靶材及电池板组件表面进行等离子清洗30min；
S22：关闭其他靶，控制Si靶电流为0.2A，基片偏压为200V，在电池板组件表面沉积约20纳米厚的Si打底层，沉积时间为20min。
S3：在打底层表面制备Si和C的过渡层；
在基片偏压为200V的条件下，控制Si靶电流为0.2A、同时，将C靶电流从0逐渐增大到1A，沉积时间8min，实现成分梯度过渡，过渡层厚度约15nm。
S4：在过渡层表面制备Si-DLC的工作层；
固定Si靶电流0.2A、C靶电流1A，基片偏压200V，保证Ar气流量不变，在过渡层表面沉积致密、光滑的Si-DLC涂层，Si-DLC涂层的厚度为80nm左右。
S5：在工作层表面制备氟碳或氢氟碳化合物的低粘附层。
关闭所有靶材电流后，向真空镀膜室内通入流量为5sccm的CHF3，对工作层表面进行氟刻蚀5min，对应的低粘附层的厚度为约30nm。
实施例3：
一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，包括以下步骤，
S1：电池板表面清洁处理：
具体的，采用20％体积分数的硫酸(可滴入2％的表面活性剂)对电池板组件进行酸洗20min，然后再放入10％体积分数的氢氧化钠溶液中碱洗20min，最后放入酒精和丙酮(体积比1:1溶液中)的混合液中进行超声波清洗20min，反复该操作，直至电池板组件表面无污渍即可；将清洁后的电池板组件正面面对C靶材，装入真空镀膜室内旋转架上，关闭炉门。
S2：在清洁后的电池板组件表面制备Si打底层；
S21：当真空镀膜室内真空度低于10-3pa时，通入15sccm的氩气，开通所有靶材电源及电压，在电流强度为0.2A、偏压为600V的条件下，对靶材及电池板组件表面进行等离子清洗30min；
S22：关闭其他靶，控制Si靶电流为0.2A，基片偏压为200V，在电池板组件表面沉积约20纳米厚的Si打底层，沉积时间为20min。
S3：在打底层表面制备Si和C的过渡层；
在基片偏压为200V的条件下，将Si靶电流逐渐从0.2A增大到0.5A、同时，将C靶电流从0逐渐增大到1A，沉积时间5min，实现成分梯度过渡，过渡层厚度约15nm。
S4：在过渡层表面制备Si-DLC的工作层；
固定Si靶电流0.5A、C靶电流1A，基片负偏压200V，保证Ar气流量不变，在过渡层表面沉积致密、光滑的Si-DLC涂层，Si-DLC涂层的厚度为80nm左右。
S5：在工作层表面制备氟碳或氢氟碳化合物的低粘附层。
关闭所有靶材电流后，向真空镀膜室内通入流量为10sccm的CHF3，对工作层表面进行氟刻蚀10min，对应的低粘附层的厚度为约50nm。
实施例4：
一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，包括以下步骤，
S1：电池板表面清洁处理：
具体的，采用20％体积分数的盐酸(可滴入2％的表面活性剂)对电池板组件进行酸洗20min，然后再放入10％体积分数的碳酸钠溶液中碱洗20min，最后放入酒精和丙酮(体积比1:1溶液中)的混合液中进行超声波清洗20min，反复该操作，直至电池板组件表面无污渍即可；将清洁后的电池板组件正面面对C靶材，装入真空镀膜室内旋转架上，关闭炉门。
S2：在清洁后的电池板组件表面制备Si打底层；
S21：当真空镀膜室内真空度低于10-3pa时，通入15sccm的氩气，开通所有靶材电源及电压，在电流强度为0.2A、偏压为600V的条件下，对靶材及电池板组件表面进行等离子清洗30min；
S22：关闭其他靶，控制Si靶电流为0.2A，基片偏压为200V，在电池板组件表面沉积约20纳米厚的Si打底层，沉积时间为20min。
S3：在打底层表面制备Si和C的过渡层；
在基片偏压为200V的条件下，将Si靶电流逐渐从0.2A增大到1.0A、同时，将C靶电流从0逐渐增大到1A，沉积时间3min，实现成分梯度过渡，过渡层厚度约15nm。
S4：在过渡层表面制备Si-DLC的工作层；
固定Si靶电流1.0A、C靶电流1.0A，基片负偏压200V，保证Ar气流量不变，在过渡层表面沉积致密、光滑的Si-DLC涂层，Si-DLC涂层的厚度为80nm左右。
S5：在工作层表面制备氟碳或氢氟碳化合物的低粘附层。
关闭所有靶材电流后，向真空镀膜室内通入流量为15sccm的CHF3，对工作层表面进行氟刻蚀15min，对应的低粘附层的厚度为约80nm。
进一步的，对实施例1至实施例4中制备而成的防尘薄膜采用紫外-可见光谱仪测试其透射率，结果如附图2所示。从附图2中可以看出，掺杂硅后的防尘薄膜要比没掺杂硅的薄膜透射率高，从400～1000nm的透射率均高于90％。随着掺杂量的增多，透射率轻微降低。综上所述，本发明中在工作层掺硅的防尘薄膜透光性能相对较好。
进一步的，在一个封闭腔内平放实施例1至实施例4中不同低粘附层厚度(氟刻蚀时间分别为2、5、10、15min)的防尘薄膜试样，采用干燥的自然风(风速3～5m/s)将粒径为30～80微米的粉末(主要成分包括：SiO2、FeO、MgO、Al2O3、CaO、TiO等)吹入腔内让其自然下落，试验5min后关闭设备将四个试样取出并称重；
试验前四个防尘薄膜的重量分别为4.997g、5.001g、4.995g、5.003g，试验后四个防尘薄膜试样的重量分别为18.937g、21.082g、17.564g、16.286g；试样表面涂粉情况如附图3所示。
从四个防尘薄膜试样的重量变化情况以及附图3中可以看出，氟刻蚀时间10～15min的防尘薄膜，相对于氟刻蚀时间为2-5min的防尘薄膜，表面粉尘量相对较少，对于粉尘的粘附力要低，粉尘更容易被自然风在此吹走，防尘效果更好。
进一步的，将涂粉后的四块试样倾斜60°，让其表面粉末自然滑落，称取四块试样质量，结果如表1所示，粉尘滑落情况如附图4所示。从表1和附图4中可以看出，10～15min的氟碳表面修饰更利于粉末在其表面的滑落，因此表面能相对较低，氟刻蚀10min，低粘附层厚度为50nm时表面能最低，更利于粉尘的滑落。
表1不同氟刻蚀时间的防尘薄膜表面粉末自动滑落情况对照表
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜，其特征在于：包括打底层、过渡层、工作层和低粘附层；所述打底层位于电池板组件表面，所述过渡层、工作层和低粘附层依次往上设置；
所述打底层为Si层；所述过渡层为Si和C，且所述过渡层从下往上Si的含量梯度变化，C的含量逐渐增大；所述工作层为Si-DLC；所述低粘附层为氟碳或氢氟碳化合物。
2.根据权利要求1所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜，其特征在于：所述打底层的厚度为10-50nm，所述过渡层的厚度为10-50nm，所述工作层的厚度为10-100nm，所述低粘附层的厚度为10～100nm。
3.根据权利要求2所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜，其特征在于：所述打底层的厚度为20nm，所述过渡层的厚度为15nm，所述工作层的厚度为80nm，所述低粘附层的厚度为50nm。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：电池板表面清洁处理；
S2：在清洁后的电池板组件表面制备Si打底层；
S3：在打底层表面制备Si和C的过渡层；
S4：在过渡层表面制备Si-DLC的工作层；
S5：在工作层表面制备氟碳或氢氟碳化合物的低粘附层。
5.根据权利要求4所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1的具体操作包括，对电池板组件表面依次使用酸洗、碱洗、酒精和丙酮混合液超声清洗，去除电池板组件表面的污渍，将清洁后的电池板组件装入真空镀膜室内旋转架上。
6.根据权利要求5所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，所述酸洗采用20％体积分数的硫酸或者盐酸溶液，所述碱洗采用20％体积分数的氢氧化钠或碳酸钠溶液，所述酒精和丙酮混合液中酒精和丙酮的体积比为1:1。
7.根据权利要求5所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S2的具体操作包括，
S21：当真空镀膜室内真空度低于10-3pa时，通入15sccm的氩气，开通所有靶材电源及电压，在电流强度为0.1-2A，偏压为200-1000V条件下，对靶材及电池板组件表面进行等离子清洗；
S22：关闭其他靶，控制Si靶电流为0.2A-1A，偏压120～200V，在电池板组件表面沉积Si打底层。
8.根据权利要求7所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S3的具体操作包括：控制偏压不变，将Si靶电流逐渐调整到Si靶电流设定值，同时，将C靶电流从0逐渐增大到C靶电流设定值，实现Si和C成分梯度过渡；所述Si靶电流设定值与C靶电流设定值均在0A-1A范围内。
9.根据权利要求8所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S4的具体操作包括：固定Si靶电流为Si靶电流设定值，固定C靶电流为C靶电流设定值，固定基片偏压不变，保证Ar气流量不变，在过渡层表面沉积致密、光滑的Si-DLC涂层。
10.根据权利要求9所述的一种用于火星车电池板表面的防尘薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S5的具体操作包括：关闭所有靶材电流，向真空镀膜室内通入流量为5～20sccm的氟碳或氢氟碳化合物，对工作层表面进行氟刻蚀2～15min。
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| CN107502860A (zh) * | 2017-08-16 | 2017-12-22 | 信利光电股份有限公司 | 一种高疏水多元掺杂类金刚石薄膜及其制备方法 |
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| 杜军: "《气相沉积薄膜强韧化技术》", pages: 274 * |
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