激光共聚焦显微镜（CLSM）揭示PDMS表面改性突破

 

在半导体、锂电、航空航天等高端制造领域，材料表面的微纳结构设计与腐蚀防护是技术创新的核心命题。本文研究通过盐雾模板法实现聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面微纳结构的可控构建，通过激光共聚焦显微镜（CLSM）技术揭示摩擦纳米发电机（TENG）的性能提升机制，为自供电金属防腐提供了突破性解决方案。

光子湾科技的CLSM 技术为表面改性效果提供了从粗糙度量化到三维形貌验证的全链条支持，证实了“微纳结构 - 电荷密度 - 防腐效能” 的内在关联。

 

 

#Photonixbay.01

金属腐蚀的全球挑战

金属腐蚀年损失达全球GDP 的 3.34%（超 4 万亿美元），传统阴极保护技术存在耗能或依赖电源的缺陷。摩擦纳米发电机（TENG）性能核心在于摩擦材料表面电荷密度，增大有效接触面积是关键。

 

 

#Photonixbay.02

PDMS 的特性与改性需求

PDMS（聚二甲基硅氧烷）是TENG 理想摩擦材料，但其光滑表面限制电荷产生，传统改性技术（如光刻）成本高、工艺复杂，亟需简便方案。

 

 

#Photonixbay.03

实验方法

 

1. 材料制备

盐喷模板制作： 研磨食用盐成粉，用气动自吸喷砂枪喷在铝板上（参数：距离70-170mm, 角度75°-105°, 压力5-7kPa），超声清洗脱盐，获得具有微坑结构的粗糙铝模板。

PDMS薄膜制备： SYLGARD 184 PDMS (A:B=10:1) 混合脱泡。用自动刮涂机（厚度500 μm）涂在模板上，65°C真空干燥2小时。剥离得到具有微纳结构的粗糙PDMS膜 (RP)。

对照样：在光滑PET模板上制备光滑PDMS膜 (SP)。

2. TENG器件组装

摩擦纳米发电机（TENG） 制造示意图

将SP和RP薄膜粘贴在铜箔上，组装成垂直接触分离式TENG(SP-TENG和RP-TENG)，驱动频率设置为10HZ。

3.  PDMS 微纳结构复制

材料配比：PDMS 预聚体（A 组分）与固化剂（B 组分）按 10:1 重量比混合，真空脱泡 30 分钟消除气泡。

成型工艺：

① 使用自动刮涂设备将 PDMS 涂覆至铝模板，膜厚控制为 500 μm；

② 65℃真空干燥 2 小时固化，手动剥离得到粗糙 PDMS 膜（RP），光滑 PDMS 膜（SP）以 PET 模板制备作为对照。

 

 

#Photonixbay.04

材料表征

SEM图像

盐喷雾处理前后的铝板表面形貌对比，显示处理后表面粗糙度显著增加（凹坑和突起结构）。

平滑PDMS（SP）与粗糙PDMS（RP）的SEM图像，RP表面呈现重叠的微米级隆起结构（约3 μm），验证了模板复制的有效性。

共聚焦显微镜CLSM图像与粗糙度参数

表面形貌与粗糙度

铝模板：盐喷后CLSM量化显示粗糙度显著提升（Sq: 0.382→2.065 μm；Sa: 0.308→1.604 μm），表面形成密集微坑/凸起。

PDMS复制效果：粗糙膜（RP）完美复型，Sa达1.278 μm（光滑膜SP仅0.241 μm），CLSM三维成像确认3 μm级褶皱结构。

 

 

#Photonixbay.05

TENG电输出性能

垂直接触分离式TENG的工作原理示意图

分阶段图解垂直接触分离式TENG的工作机制

初始状态：无电荷分离。

接触阶段：微纳米结构增加实际接触面积，产生更多摩擦电荷（PDMS带负电，Al带正电）。

分离阶段：电势差驱动电子流动，形成瞬时电流。

TENG电输出性能对比

RP-TENG 较 SP-TENG 性能全面提升

短路电流26μA（↑160%）、开路电压 600V（↑100%）、电荷密度 125μC/m²（↑108%），可驱动计算器、270 颗 LED。微纳结构通过 “多级接触变形” 增大接触面积，COMSOL 模拟显示电场强度提升 58%。

 

 

#Photonixbay.06

自供电阴极保护应用

阴极保护效果装置示意图

304 不锈钢与 RP-TENG 耦合后，开路电位从 - 0.21V 降至 - 0.40V（降幅 190mV），阴极极化显著；电荷转移电阻（R ct）减少 45%，腐蚀电流密度降低 62%，CLSM 显示不锈钢表面腐蚀坑密度明显减少，有效抑制金属腐蚀。

盐喷模板法以简易、低成本、可规模化的优势，突破TENG性能瓶颈。通过CLSM精准表征的微纳结构，使PDMS摩擦层电荷密度提升108%，成功实现自供电防腐。该技术对半导体设备防护、锂电池外壳防腐、光伏支架延寿等领域具有广阔应用前景。

 

 

#Photonixbay.

光子湾3D共聚焦显微镜

 

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

• 超宽视野范围，高精细彩色图像观察
• 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析功能
• 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计
• 提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

材料表面的微纳结构是解锁性能提升的关键密码，而光子湾科技的激光共聚焦显微镜（CLSM）正是可靠性验证工具。从PDMS 表面改性的基础研究到高端制造的实际应用，我们始终以精密测量技术赋能创新，助力客户在半导体、新能源、航空航天等领域突破表面性能瓶颈。

感谢您本次的阅读光子湾将持续为您奉上更多优质内容，与您共同进步。

原文出处：《Enhancing the Performance of Triboelectric Nanogenerator

Via Facile PDMS Surface Modification》

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