一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置及方法，属于扩散系数测量技术领域。利用液滴分散装置产生微米尺寸的微液滴，微液滴充分沉降于待测样品的表面，利用加热平台对表面沉降有微液滴的待测样品进行恒温加热，利用淬冷平台对恒温加热后的待测样品进行淬冷，利用洗涤器去除淬冷后的待测样品表面的微液滴，利用原子力显微镜对去除微液滴后的待测样品的表面进行测量，得到由微液滴引起的表面形变。改变加热平台的加热时间，根据表面形变计算表面形变宽度，得到每一加热时间下的表面形变宽度，对表面形变宽度和加热时间进行拟合，得到拟合线，根据拟合线计算待测样品的表面扩散系数，能够适用于各种玻璃态材料，适用范围广。范围广。范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置及方法


[0001]本专利技术涉及扩散系数测量
，特别是涉及一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置及方法。

技术介绍

[0002]玻璃态材料是熔体淬冷至玻璃化转变温度(Tg)以下形成的非晶固体，聚合物塑料、高分子树脂、金属合金、无机氧化硅玻璃以及部分陶瓷和有机药物都是典型的玻璃态材料。玻璃态材料具备与晶体相近的密度以及“类液体”的无序结构，这一结构特性赋予了玻璃态材料优异的物理、力学以及加工性能，由此被广泛的应用于光电、生物、化工等领域。大到航空航天，小到纳米芯片，玻璃态材料已经渗透到人类社会的各个方面，扮演着极其重要的作用。
[0003]玻璃态材料的表面性质至关重要，决定了材料的摩擦、磨损、润滑、粘结、生物相容、防污、吸附等物理性质。尤其是近年来随着纳米科技的发展，器件尺寸逐渐降低至微纳米尺寸，比表面积的增大使得纳米器件的加工、性能以及稳定性等在很大程度上取决于其表面性质。其中，表面分子的运动行为是决定玻璃态材料诸多表面性质的基础，材料表面分子运动行为的变化将从根本上改变其表面物理化学性质，从而影响材料的最终使用性能。扩散系数表示分子或原子的扩散能力，是物质重要物理性质之一，根据定义，扩散系数可以表示为单位时间每单位浓度梯度的条件下，垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数。表面扩散系数是衡量表面分子或原子热运动迁移速率的重要物理量，是表征表面分子运动的重要物理参数，玻璃态材料表面分子扩散系数增大能够加快玻璃态材料低温粘结，提高冷加工材料的力学性能，但同时也会加速材料表面纳米图案失稳，造成纳米器件性能下降甚至失效。因而，为了实现对玻璃态材料表面分子行为的深入理解和材料表面性质的设计和调控，有必要对玻璃态材料表面分子扩散系数进行定量测量。
[0004]然而，由于空间分辨率受限，常规的宏观表征技术无法用于测量材料纳米厚度表面层内分子的运动行为。虽然近年来开发出了一些测量玻璃态材料表面分子扩散系数的技术和方法，如金纳米粒嵌入法、表面张力波法、纳米压痕衰减法，但是这些方法的研究对象主要局限于有机小分子玻璃和金属合金等黏度较低、弛豫较快的材料体系，而无法应用于高粘度、慢弛豫的高分子量聚合物玻璃，在适用范围上具有很大局限性。因此，开发适用于不同玻璃态材料(包括聚合物)表面分子运动行为的测量方法是亟需突破的技术瓶颈，对于研究和表征玻璃态材料表面分子行为的机制和玻璃表面性质的调控具有重要意义。
[0005]基于此，亟需一种能够适用于各种玻璃态材料表面扩散系数测量的装置及方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置及方法，能够适用于各种玻璃态材料表面扩散系数的测量，适用范围广。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0008]一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置，所述装置包括：密闭容器、液滴分散装置、加热平台、淬冷平台、洗涤器和原子力显微镜；
[0009]所述液滴分散装置安装于所述密闭容器内；待测样品位于所述密闭容器内；所述液滴分散装置用于产生微米尺寸的微液滴；所述微液滴充分沉降于所述待测样品的表面；所述待测样品的材料为玻璃态材料；
[0010]所述加热平台用于对表面沉降有微液滴的待测样品进行恒温加热，加热温度小于所述待测样品的玻璃化转变温度；
[0011]所述淬冷平台用于对恒温加热后的待测样品进行淬冷；
[0012]所述洗涤器用于对淬冷后的待测样品进行洗涤，去除所述淬冷后的待测样品表面的微液滴；
[0013]所述原子力显微镜用于对去除微液滴后的待测样品的表面进行测量，得到由微液滴引起的表面形变；
[0014]在测量时，改变所述加热平台的加热时间，得到多个所述加热时间下的表面形变；根据所述表面形变计算表面形变宽度，得到每一所述加热时间下的表面形变宽度；对所述表面形变宽度和所述加热时间进行拟合，得到拟合线；根据所述拟合线计算所述待测样品的表面扩散系数。
[0015]一种测量玻璃态材料表面扩散系数的方法，所述方法包括：
[0016]利用液滴分散装置在密闭容器内产生微米尺寸的微液滴，所述微液滴充分沉降于放置于所述密闭容器内的待测样品的表面；将表面沉降有微液滴的待测样品放置于加热平台上，利用所述加热平台对所述表面沉降有微液滴的待测样品进行恒温加热，加热温度小于所述待测样品的玻璃化转变温度；利用淬冷平台对恒温加热后的待测样品进行淬冷；利用洗涤器对淬冷后的待测样品进行洗涤，去除所述淬冷后的待测样品表面的微液滴；利用原子力显微镜对去除微液滴后的待测样品的表面进行测量，得到由微液滴引起的表面形变；所述待测样品的材料为玻璃态材料；
[0017]改变所述加热平台的加热时间，在所述密闭容器内重新放置一所述待测样品，返回“利用液滴分散装置在密闭容器内产生微米尺寸的微液滴”的步骤，直至不同的加热时间的个数达到预设个数，得到多个所述加热时间下的表面形变；
[0018]根据所述表面形变计算表面形变宽度，得到每一所述加热时间下的表面形变宽度；对所述表面形变宽度和所述加热时间进行拟合，得到拟合线；根据所述拟合线计算所述待测样品的表面扩散系数。
[0019]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0020]本专利技术用于提供一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置及方法，利用液滴分散装置在密闭容器内产生微米尺寸的微液滴，微液滴充分沉降于待测样品的表面，利用加热平台对表面沉降有微液滴的待测样品进行恒温加热，利用淬冷平台对恒温加热后的待测样品进行淬冷，利用洗涤器对淬冷后的待测样品进行洗涤，去除淬冷后的待测样品表面的微液滴，利用原子力显微镜对去除微液滴后的待测样品的表面进行测量，得到由微液滴引起的表面形变。改变加热平台的加热时间，根据表面形变计算表面形变宽度，得到每一加热时间下的表面形变宽度，对表面形变宽度和加热时间进行拟合，得到拟合线，根据拟合线计算待测样品的表面扩散系数，能够适用于各种玻璃态材料表面扩散系数的测量，适用范围广。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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专利技术的一些实施例，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。
[0022]图1为本专利技术实施例1所提供的微液滴沉降示意图；
[0023]图2为本专利技术实施例2所提供的由微液滴引起的PS膜表面形变的形貌示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例2所提供的PS膜表面形变的横截面轮廓图；
[0025]图4为本专利技术实施例2所提供的微液滴外部的PS膜表面形变的横截面轮廓图；
[0026]图5为本专利技术实施例2所提供的不同加热时间下PS膜表面形变的横截面轮廓图；
[0027]图6为本专利技术实施例2所提供的归一化的表面形变的横截面轮廓图及理论计算的表面形变的横截面轮廓图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量玻璃态材料表面扩散系数的装置，其特征在于，所述装置包括：密闭容器、液滴分散装置、加热平台、淬冷平台、洗涤器和原子力显微镜；所述液滴分散装置安装于所述密闭容器内；待测样品位于所述密闭容器内；所述液滴分散装置用于产生微米尺寸的微液滴；所述微液滴充分沉降于所述待测样品的表面；所述待测样品的材料为玻璃态材料；所述加热平台用于对表面沉降有微液滴的待测样品进行恒温加热，加热温度小于所述待测样品的玻璃化转变温度；所述淬冷平台用于对恒温加热后的待测样品进行淬冷；所述洗涤器用于对淬冷后的待测样品进行洗涤，去除所述淬冷后的待测样品表面的微液滴；所述原子力显微镜用于对去除微液滴后的待测样品的表面进行测量，得到由微液滴引起的表面形变；在测量时，改变所述加热平台的加热时间，得到多个所述加热时间下的表面形变；根据所述表面形变计算表面形变宽度，得到每一所述加热时间下的表面形变宽度；对所述表面形变宽度和所述加热时间进行拟合，得到拟合线；根据所述拟合线计算所述待测样品的表面扩散系数。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述淬冷平台为低温钢板。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述洗涤器用于采用二次去离子水对淬冷后的待测样品进行洗涤。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液滴分散装置用于将测试液滴分散为微米尺寸的微液滴；所述测试液滴包括甘油，乙二醇，聚乙二醇齐聚物和离子液体。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微液滴的尺寸为0.1μm～100μm。6.一种测量玻璃态材料表面扩散系数的方法，控制权利要求1
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5任一项所述的装置进行工作，其特征在于，所述方法包括：利用液滴分散装置在密闭容器内产生微米尺寸的微液滴，所述微液滴充分沉降于放置于所述密闭容器内的待测样品的表面；将表面沉降有微液滴的待测样品放置于加热平台上，利用所述加热平台对所述表面沉降有微液滴的待测样品进行恒温加热，加热温度小于所述待测样品的玻璃化转变温度；利用淬冷平台对恒温加热后的待测样品进行淬冷；利用洗涤器对淬冷后的待...

【专利技术属性】
技术研发人员：左彪，田厚宽，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：