基于石墨烯/PMMA复合薄膜标准漏孔及制备方法与流程

基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔及制备方法
技术领域
1.本技术涉及超灵敏检漏技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔及制备方法。


背景技术：

2.在现有的漏率检测技术中，氦质谱分析检漏技术是检测精度最高的，基于氦质谱分析的超灵敏检漏系统的检漏极限可达10
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m3/s。超灵敏检漏系统主要由质谱仪和标准漏孔组成，其中标准漏孔是在特定条件下对示漏气体具有已知的恒定漏率设备，在检漏中起漏率标定作用，一般要求标准漏孔漏率与待测产品漏率偏差不超过一个量级。然而，目前标准漏孔的极限为10
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m3/s，比超灵敏检漏系统的极限大三个量级，影响小漏率被测产品测试结果的准确性。
3.石墨烯是碳原子整齐排列的单原子层二维材料，其晶格具有致密的电子云结构。nano lett.2008,8(8)2458
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2462报道了无缺陷的石墨烯对任何气体均不渗透。采用化学气象沉积法(cvd)制备的石墨烯具有分子量级本征孔隙，气体通过cvd石墨烯薄膜时，因为尺寸歧视效应，仅能允许分子尺寸小于本征孔隙尺寸的气体以极低稳定的速率通过，实现气体漏率控制。然而，原子级厚度的cvd石墨烯薄膜的机械强度不足，很容易产生大孔隙，这些大孔隙对气体具有很大漏率，使cvd石墨烯薄膜漏率难以降低，并且这些孔隙的产生具有随机性，使cvd石墨烯薄膜漏率大小可控性差。


技术实现要素：

4.本技术的目的是针对以上问题，提供一种基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔及制备方法。
5.第一方面，本技术提供一种基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔，包括包括压力侧金属刀口法兰、核心渗透组件和真空侧金属刀口法兰；其中，所述核心渗透组件包括渗透部和支撑部；所述压力侧金属刀口法兰密封连接在所述渗透部相对远离所述支撑部的一侧；所述真空侧金属刀口法兰密封连接在所述支撑部相对远离所述支撑部的一侧；
6.所述渗透部包括贴合设置的第一pmma层和第一石墨烯层、以及贴合设置在所述第一石墨烯层相对远离所述第一pmma层一侧的至少一个第二石墨烯层；所述支撑部贴合设置在所述渗透部相对远离所述第一pmma层的一侧；所述支撑部具有渗透通孔。
7.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述支撑部包括紧密贴合的金属垫层和镀膜层；所述镀膜层相对远离所述金属垫层的一侧与所述压力侧金属刀口法兰密封连接；所述镀膜层相对远离所述金属垫层的一侧与所述真空侧金属刀口法兰密封连接。
8.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述镀膜层包括钛膜层和铂膜层；所述钛膜层的厚度为5nm；所述铂膜层的厚度为200nm。
9.根据本技术某些实施例提供的技术方案，所述渗透通孔的直径为5μm。
10.第二方面，本技术提供一种基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔制备方法，所述方
法包括如下步骤：
11.制备核心渗透组件的渗透部；所述渗透部包括贴合设置的第一pmma层和第一石墨烯层、以及贴合设置在所述第一石墨烯层相对远离所述第一pmma层一侧的至少一个第二石墨烯层；
12.制备核心渗透组件的支撑部；所述支撑部具有渗透通孔；
13.将所述渗透部转移至所述支撑部上，得到核心渗透组件；
14.在所述核心渗透组件的渗透部一侧密封连接压力侧金属刀口法兰，支撑部一侧密封连接真空侧金属刀口法兰。
15.根据本技术某些实施例提供的技术方案，制备核心渗透组件的渗透部的具体步骤包括：
16.选取两侧生长石墨烯的第一金属箔，将第一金属箔的其中一侧表面旋涂pmma并加热固化形成所述第一pmma层；
17.利用氧等离子体去除第一金属箔相对远离所述第一pmma层一侧的石墨烯；
18.利用氯化铁刻蚀液刻蚀掉第一金属箔的金属箔层，剩下的与所述第一pmma层相贴合的石墨烯即为所述第一石墨烯层；
19.采用去离子水清洗贴合的所述第一pmma层和所述第一石墨烯层得到单层石墨烯/pmma复合薄膜；
20.将所述单层石墨烯/pmma复合薄膜转移至第二金属箔上，并使所述第一石墨烯层与第二金属箔的其中一侧石墨烯层相贴合；刻蚀掉第二金属箔的金属箔层以及相对远离所述第一石墨烯层的石墨烯层，得到双层石墨烯/pmma复合薄膜。
21.根据本技术某些实施例提供的技术方案，制备核心渗透组件的支撑部的具体步骤包括：
22.选取双面抛光的金属垫片作为金属垫层；
23.将金属垫片的一侧中心减薄；
24.在金属垫片的减薄区域打孔得到所述渗透通孔；
25.在金属垫片相对远离减薄区的一侧镀膜得到镀膜层。
26.根据本技术某些实施例提供的技术方案，采用激光刻蚀的方法获得所述渗透通孔；所述渗透通孔的直径为5μm。
27.根据本技术某些实施例提供的技术方案，在金属垫片相对远离减薄区的一侧镀膜得到镀膜层，具体包括：
28.在所述金属垫片相对远离减薄区的一侧镀厚度为5nm的钛，得到钛膜层；
29.在所述钛膜层相对远离所述金属垫片的一侧表面镀厚度为200nm的铂，得到铂膜层。
30.根据本技术某些实施例提供的技术方案，将所述渗透部转移至所述支撑部上，得到核心渗透组件具体后还包括如下步骤：
31.在所述渗透部相对远离所述支撑部的一侧表面旋涂pmma并加热烘干得到第二pmma层。
32.与现有技术相比，本技术的有益效果：该基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔的核心渗透组件的渗透部包括由第一pmma层和第一石墨烯层组成的单层石墨烯/pmma复合薄膜
以及贴合设置在第一石墨烯层相对远离第一pmma层一侧的至少一个第二石墨烯层，第一石墨烯层和第二石墨烯层的设置使得该标准漏孔具有石墨烯薄膜对气体极低漏率的优势，第一pmma层的设置有利于增加复合薄膜的机械强度，解决了石墨烯薄膜极易破损的问题，在实际应用中，可根据实际需要，调节第二石墨烯层的层数，以实现对漏率大小的控制；通过设置支撑部，可以对渗透部起到很好的支撑作用；通过设置压力侧金属刀口法兰和真空侧金属刀口法兰，在使用时，压力侧金属刀口法兰与气源室相连通，用于为标准漏孔提供示漏气体，真空侧金属刀口法兰与检漏系统的真空室密封连通，有利于为检漏系统提供稳定漏率的示漏气体，从而进行漏率测试。
附图说明
33.图1为本技术实施例提供的基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔的结构示意图；
34.图2为制备核心渗透组件的渗透部的工艺流程图；
35.图3为制备核心渗透组件的支撑部的工艺流程图。
36.图中所述文字标注表示为：
37.1、压力侧金属刀口法兰；2、核心渗透组件；201、第一pmma层；202、第一石墨烯层；203、第二石墨烯层；204、第二pmma层；205、金属垫层；206、镀膜层；207、渗透通孔；3、真空侧金属刀口法兰；4、压力侧气源接口；5、真空室接口法兰。
具体实施方式
38.为了使本领域技术人员更好地理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
39.如图1所示，本实施例提供一种基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔，包括压力侧金属刀口法兰1、核心渗透组件2和真空侧金属刀口法兰3；其中，所述核心渗透组件2包括渗透部和支撑部；所述压力侧金属刀口法兰1密封连接在所述渗透部相对远离所述支撑部的一侧；所述真空侧金属刀口法兰3密封连接在所述支撑部相对远离所述支撑部的一侧；所述渗透部包括贴合设置的第一pmma层201和第一石墨烯层202、以及贴合设置在所述第一石墨烯层202相对远离所述第一pmma层201一侧的至少一个第二石墨烯层203，在本实施例中，设置有一个第二石墨烯层203，在本技术的其他实施例中，可以根据实际需要，调节第二石墨烯层203的层数，以实现对漏率大小的控制；所述支撑部贴合设置在所述渗透部相对远离所述第一pmma层201的一侧，对渗透部起固定支撑的作用，所述支撑部具有可供示漏气体通过的渗透通孔207，在制备时可根据实际漏率需要，来调节渗透通孔207的直径大小。
40.进一步的，所述支撑部包括紧密贴合的金属垫层205和镀膜层206；所述镀膜层206相对远离所述金属垫层205的一侧与所述压力侧金属刀口法兰1密封连接；所述镀膜层206相对远离所述金属垫层205的一侧与所述真空侧金属刀口法兰3密封连接。优选的，所述金属垫片为无氧铜垫片。
41.进一步的，所述镀膜层206包括钛膜层和铂膜层；所述钛膜层的厚度为5nm；所述铂膜层的厚度为200nm。镀膜层206的设置可避免渗透部上残留的刻蚀液对金属垫层205产生部分刻蚀，以免影响渗透部与支撑部的贴合效果，防止在渗透部与支撑部的接触面处产生
泄漏。
42.进一步的，所述渗透通孔207的直径为5μm。
43.进一步的，所述渗透部的面积小于所述支撑部的面积，在所述渗透部相对远离第二石墨烯层203的一侧、以及所述支撑部相对靠近所述渗透部的一面且不被渗透部覆盖的部分设有第二pmma层204；所述第二pmma层204为保护层，渗透部被封在第二pmma层204和支撑部围成的空间内，第二pmma层204的设置有利于增强压力侧金属刀口法兰1与核心渗透组件2的紧密贴合性、增强密封性。
44.上述基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔的制备方法包括如下步骤：
45.s1、制备核心渗透组件的渗透部，其工艺流程图如图2所示，具体包括：
46.s11、选取厚度为25μm的两侧生长cvd石墨烯的第一金属箔，将第一金属箔的尺寸裁剪至10mm
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10mm，将第一金属箔的两侧随机分为压力侧和真空侧，将第一金属箔的压力侧表面旋涂pmma，设置转速为3000rpm，并持续60s，然后放置在170℃热板上3min使pmma固化形成第一pmma层201；
47.s12、利用氧等离子体去除第一金属箔真空侧的石墨烯，设置刻蚀功率为100w，时间为60s；
48.s13、将刻蚀掉真空侧石墨烯的第一金属箔悬浮在氯化铁刻蚀液液面上，并使得第一金属箔的金属箔层相对远离第一pmma层201的一侧与氯化铁刻蚀液相接触，待第一金属箔的金属箔层被完全刻蚀后，剩下的与第一pmma层201相贴合的石墨烯即为第一石墨烯层202；其中，氯化铁刻蚀液配比为无水氯化铁：水：浓盐酸＝16g：50ml：50ml；
49.s14、用载玻片将贴合的第一pmma层201和第一石墨烯层202捞出并悬浮于去离子水液面，利用水的张力将其悬浮在去离子水表面静置清洗30min，并重复清洗至少三次，完成单层石墨烯/pmma复合薄膜的制备，所述单层石墨烯/pmma复合薄膜即为贴合设置的第一pmma层201和第一石墨烯层202；
50.s15、选取厚度为25μm的两侧生长cvd石墨烯的第二金属箔，将第二金属箔的尺寸裁剪至15mm
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15mm，将步骤s14制备的单层石墨烯/pmma复合薄膜转移至第二金属箔的任意一侧的石墨烯上，得到第一中间组件，将第一中间组件放在干燥箱中静置48小时；其中，将第二金属箔上与单层石墨烯/pmma复合薄膜相邻的石墨烯层记作第二石墨烯层203，在转移时需确保单层石墨烯/pmma复合薄膜位于第二金属箔的中心位置；
51.s16、将第一中间组件放在120℃热板上10min，此时单层石墨烯/pmma复合薄膜的第一石墨烯层202与第二石墨烯层203紧密贴合，中间无多余杂质；
52.s17、将第一中间组件中的第二金属箔相对远离单层石墨烯/pmma复合薄膜的石墨烯层刻蚀掉，再将第一中间组件中的第二金属箔的金属箔层刻蚀掉，得到双层石墨烯/pmma复合薄膜；其中本步骤的刻蚀方式与步骤s12和步骤s13类似，故此处不再赘述。
53.需要说明的是，本实施例所制备的核心渗透组件的渗透部为双层石墨烯/pmma复合薄膜，即包括一个第一石墨烯层202和一个第二石墨烯层；在本技术的其他实施例中，核心渗透组件的渗透部可以为多层石墨烯/pmma复合薄膜，即包括一个第一石墨烯层和至少两个第二石墨烯层；多层石墨烯/pmma复合薄膜的制备过程，是将双层石墨烯/pmma复合薄膜与两侧生长cvd石墨烯的新金属箔的其中一侧石墨烯紧密贴合，再将新金属箔的另一次石墨烯和金属箔层刻蚀掉，需要多少个第二石墨烯层，就需要多少个新金属箔。
54.s2、制备核心渗透组件的支撑部，其工艺流程图如图3所示，具体包括：
55.s21、选取双面抛光的无氧铜垫片作为金属垫层205，垫片的直径为21.4mm，厚度为2mm，在无氧铜垫片一侧中心区域利用cnc铣削出底面直径为8mm，顶面直径为1mm，轴高1.5mm的锥形台，确保铜垫片中心区域剩余厚度为0.5mm；再利用激光刻蚀在垫片中心区域打孔得到渗透通孔2007，渗透通孔207的孔隙直径为5μm；
56.s22、先后利用稀盐酸、丙酮和乙醇超声清洗无氧铜垫片，再用氮气吹干，然后利用磁控溅射镀膜仪在无氧铜垫片相对远离锥形台的一侧分别物理气象沉积钛/铂，形成镀膜层206，先镀钛再镀铂，其中钛膜层的厚度为5nm；铂膜层的厚度为200nm，完成核心渗透组件支撑部的制备。
57.s3、将所述渗透部转移至所述支撑部上，得到核心渗透组件，具体包括：
58.s31、将步骤s17制备的双层石墨烯/pmma复合薄膜转移到步骤s22制备的无氧铜垫片基底中心位置，并使双层石墨烯/pmma复合薄膜的第二石墨烯层203与无氧铜垫片具有钛铂镀层的一面紧密贴合；
59.s32、将步骤s31中紧密贴合的渗透部和支撑部放入干燥箱中静置48小时干燥；
60.s33、在步骤s32干燥后的紧密贴合的渗透部和支撑部的先对远离锥形台一侧的表面旋涂pmma，设置转速为1500rpm，并持续60s，然后放置在170℃热板上3min使pmma固化形成第二pmma层204，第二pmma层204为保护层，至此，完成核心渗透组件的制备。
61.s4、在所述核心渗透组件的渗透部一侧密封连接压力侧金属刀口法兰1，支撑部一侧密封连接真空侧金属刀口法兰3，完成基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔的制备。
62.其中，压力侧金属刀口法兰1通过压力侧气源接口4与气源室相连通，用于为标准漏孔提供示漏气体；真空侧金属刀口法兰3通过真空室接口法兰5与检漏系统的真空室密封连通，在使用时，气源室内的示漏气体经过压力侧气源接口到达核心渗透组件的渗透部，并穿过支撑部上的渗透通孔207进入真空侧，为检漏系统提供稳定漏率的示漏气体。
63.可选的，第一金属箔为铜箔或镍箔；第二金属箔为铜箔或镍箔；在本实施例中，第一金属箔和第二金属箔均选用铜箔。
64.采用上述制备方法制备的基于石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔具有如下优点：
65.(1)石墨烯/pmma复合薄膜的机械强度明显优于石墨烯薄膜，在具有微米级尺寸孔隙的基底上可以承受超过200kpa气压，并且复合薄膜漏率稳定性良好，本发明可以批量生产；
66.(2)得益于石墨烯/pmma复合薄膜纳米级厚度，本发明制作的标准漏孔对压力侧气压变化响应速度小于2s，优于目前常见的石英型标准漏孔数小时的响应速度。
67.(3)本发明制作的双层石墨烯/pmma复合薄膜标准漏孔为10
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m3/s量级，优于目前常见的石英型标准漏孔10
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m3/s量级的漏率，可用于超灵敏检漏系统，提高超灵敏检漏的可靠性。
68.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。以上所述仅是本技术的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的
构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本技术的保护范围。