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石英化學(xué)式為SiO2,具有高度有序排列的晶格結(jié)構(gòu)。石英玻璃是采用高純度的石英砂為原料制成的非晶態(tài)材料,由于Si-O化學(xué)鍵的鍵能很大,石英玻璃具有高透光率、低折射率、耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、高硬度、高強(qiáng)度和耐磨損等優(yōu)異性能。因此,在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中,石英玻璃扮演著重要的角色。

在許多實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,往往需要將兩個(gè)石英玻璃部件鍵合在一起,從而形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。與金屬焊接相似,在許多應(yīng)用中這種石英玻璃鍵合非常關(guān)鍵,因?yàn)樗梢杂绊懙秸麄€(gè)系統(tǒng)的性能和可靠性。在高精度的應(yīng)用領(lǐng)域中,如光學(xué)、半導(dǎo)體和生命科學(xué)領(lǐng)域,鍵合質(zhì)量和穩(wěn)定性尤為重要,需要采用高質(zhì)量的鍵合方法和技術(shù)來保證系統(tǒng)的性能和可靠性。石英玻璃鍵合需要具有高強(qiáng)度、高精度和良好的密封性能,以適應(yīng)如高溫、高壓、高真空等不同的應(yīng)用環(huán)境。

低溫等離子體清洗活化在玻璃氫氧催化鍵合中的應(yīng)用

等離子體清洗活化方法可以很大程度上改變玻璃表面的物理化學(xué)狀態(tài)和親水性狀態(tài),為增強(qiáng)氫氧催化鍵合工藝提供幫助。更重要的是,等離子體清洗活化是一種無損、簡單、容易操作的表面改性方法。

氧等離子體活化可以穩(wěn)定地降低表面粗糙度、大幅度增加表面不飽和硅氧鍵Si-O相對(duì)含量,從而大幅度改善了表面的潤濕性。這些改變都非常有利于鍵合滴涂液的鋪展,有強(qiáng)化工藝的理論可能。氧等離子體的處理可以在玻璃表面產(chǎn)生大量的斷鍵,斷鍵導(dǎo)致表面能大幅提升,表面活性大幅增強(qiáng),系統(tǒng)有著向能量更低方向演化的趨勢(shì),因此斷鍵會(huì)同游離的親水基團(tuán)結(jié)合,形成Si-OH鍵,其提供的大量氫鍵位點(diǎn)、范德華力、毛細(xì)力等作用力共同導(dǎo)致石英玻璃表面親水性的大幅提升。親水性的提升可以大幅改善鍵合性能,這說明等離子體活化對(duì)氫氧催化鍵合工藝的增強(qiáng)有正向作用。根Si-OH為反應(yīng)提供了位點(diǎn),進(jìn)而推動(dòng)了水合和蝕刻反應(yīng)。據(jù)以上結(jié)論,繪制了等離子體清洗活化對(duì)石英表面作用機(jī)理圖,如圖1所示。

圖1 等離子體清洗活化對(duì)石英玻璃表面作用機(jī)理圖

總結(jié)來說,氧等離子體清洗活化有助于鍵合滴涂液的均勻分布和潤濕鋪展,同時(shí)在表面形成了眾多的活性反應(yīng)位點(diǎn),在鍵合滴涂液涂覆之前就完成了水合反應(yīng)過程。在鍵合之前,用氧等離子體活化石英玻璃后,表面的物理形貌、化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。等離子體活化帶來的物理化學(xué)反應(yīng)起到了清潔作用,去除了表面的有機(jī)污染物,沖刷材料表面突出的微觀尖峰,使材料表面的粗糙度降低。等離子體激發(fā)產(chǎn)生的高能離子和自由基能夠打斷表面上的化學(xué)鍵,將材料表面的Si-O-Si鍵幾乎全部轉(zhuǎn)化為Si-O鍵。這為氫氧催化鍵合帶來了巨大的好處,比如:

(1) 表面粗糙度的降低意味著表面的物理形貌更加均勻,這非常有利于鍵合滴涂液在界面中的延展和再分布,可以使固—液—固體系的組分均勻性大大增強(qiáng)。

(2) Si-O鍵相對(duì)含量大幅提升,在石英玻璃表面占據(jù)了主導(dǎo)地位。活化后,石英玻璃表面的能量非常高,不穩(wěn)定的Si-O鍵會(huì)和空氣中的水分接觸并發(fā)生結(jié)合,形成大量的Si-OH氫氧基團(tuán)。石英玻璃表面懸掛的活性硅羥基基團(tuán)上可以通過氫鍵與水相連,在宏觀上極大地提升了親水性,在微觀上為蝕刻反應(yīng)提供了大量的位點(diǎn)。等離子體活化處理后,表面已經(jīng)存在高密度的Si-OH,在鍵合滴涂液與石英玻璃接觸之前就完成了水合反應(yīng),有利于氫氧催化鍵合系列反應(yīng)的正向進(jìn)行。

等離子體清洗活化對(duì)玻璃氫氧催化鍵合工藝影響機(jī)理

等離子體活化對(duì)氫氧催化鍵合工藝影響的示意圖如圖2所示。氧等離子體活化石英玻璃表面后,表面的污染物被去除,表面材料被激活,表面能大幅提高。材料表面幾乎全部的Si-O-Si鍵斷開轉(zhuǎn)化為Si-O鍵。Si-O鍵和空氣中的水分反應(yīng)生成了Si-OH結(jié)構(gòu),在表面高密度懸掛。微觀角度上講:高密度的Si-OH為氫氧催化鍵合系列反應(yīng)提供了反應(yīng)位點(diǎn),水合過程提前完成,為后續(xù)的蝕刻、聚合反應(yīng)進(jìn)行提供便利。宏觀角度上講:Si-OH的存在大幅改善了表面的親水性,使鍵合滴涂液均勻鋪展,鍵合滴涂液的均勻分布使形成的界面質(zhì)地均勻,減少了界面微缺陷。質(zhì)地均勻的介質(zhì)層保證了光學(xué)性能良好,界面微缺陷數(shù)量少保證了鍵合性能良好。

 圖2 等離子體活化對(duì)玻璃氫氧催化鍵合工藝影響的示意圖 

基于上述原因,等離子體清洗活化可以穩(wěn)定、普適、無損地改善玻璃氫氧催化鍵合效果。