大氣壓等離子體在鋁合金表面清洗中的研究進展

陳忠文

（成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610106）

鋁合金具有密度低、力學(xué)性能好、抗腐蝕性能優(yōu)良等特點，在航空航天、航海、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛使用[1]。但鋁合金在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的油污、表面氧化層會對其結(jié)構(gòu)性能與使用性能造成影響，同時，一些需要重新噴涂漆層的鋁合金器件，其表面的舊油漆層也會影響二次涂漆，所以，需要對這些鋁合金表面的污染物、舊漆層等進行清除。目前，傳統(tǒng)的處理方法主要有化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)、機械處理（打磨、噴砂、高壓水射流）、激光處理等[2]，但運用這些方法在除去表面污染物、舊漆層的同時，會導(dǎo)致鋁合金表面形貌、力學(xué)性能等發(fā)生改變。此外，這些處理方法還存在環(huán)境污染、廢液廢氣處理成本增加、工藝過程復(fù)雜等缺點，因此，需要選擇合理的清洗方式，在盡可能減少對基板材料損傷的同時，又能節(jié)約能源、保護環(huán)境。

近年來，等離子體處理技術(shù)以其高效環(huán)保且不影響被處理物性能等特點，被廣泛應(yīng)用于材料處理、生物醫(yī)療等方面。其中，大氣壓等離子體在鋁合金表面的清洗、改性等方面的研究應(yīng)用越來越多。本研究基于各位學(xué)者的研究成果，對大氣壓等離子體表面清洗技術(shù)進行了分析總結(jié)，主要針對其清洗機理、清洗特點以及在鋁合金表面清洗中的研究現(xiàn)狀與進展進行了討論。

1 大氣壓等離子體清洗技術(shù)

1.1 大氣壓等離子體

等離子體是物質(zhì)的一種存在狀態(tài)，是除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的物質(zhì)第四態(tài)。等離子體中主要有電子、原子、分子、原子團（自由基）等，物質(zhì)在總體上仍保持電中性狀態(tài)。等離子體按照不同的方式有不同的分類[3]。根據(jù)溫度可分為兩類，一類是高溫等離子體，熱力學(xué)溫度在106～108K （1 K=273.15+1 ℃），如太陽、受控熱核聚變；另一類是低溫等離子體，又可分為熱等離子體和冷等離子體。熱等離子體的熱力學(xué)溫度為103～105K，如高頻放電、燃燒等；冷等離子體的熱力學(xué)溫度為102～105K，如電暈放電、介質(zhì)阻擋放電等。

大氣壓等離子體即在大氣壓下產(chǎn)生的等離子體，是一種處于非熱力學(xué)平衡狀態(tài)的冷等離子體，產(chǎn)生方式有很多，比如介質(zhì)阻擋放電、電暈放電等。廣泛用于鋁合金表面清洗的常壓等離子體清洗方式為射流式等離子體，該方法一般是電源與陽極連接，噴頭作為陰極，通入壓縮氣體，通過高壓擊穿，激發(fā)氣體產(chǎn)生等離子體。

通常來說，清洗過程中通入的工作氣體主要有氧氣、氮氣、氬氣及其混合氣體、空氣等，可根據(jù)清洗物的性質(zhì)選擇合適的氣體。其中，空氣中同時含有活潑氣體（氧氣）及不活潑氣體（氮氣），且獲取方便，成本更低，是目前研究和使用最廣泛的常壓等離子體工作介質(zhì)。

1.2 清洗機理

大氣壓等離子體清洗主要是通過等離子體與材料表面油污、氧化層等產(chǎn)生的一系列物理、化學(xué)作用，利用其中含有的活性粒子和高能射線，與表面有機污染物發(fā)生反應(yīng)、與氧化層等碰撞形成小分子物質(zhì)[4]，加之壓縮氣流的物理吹拂作用，使污染物從材料表面移除，達到清潔效果。

當工作介質(zhì)為壓縮空氣時，在單一成分的有機油污清洗中，等離子體中的激發(fā)態(tài)活性氧原子起主要作用，是氧分子經(jīng)高能電子的碰撞分解而來的，與有機污染物反應(yīng)[5]如下：

但由于大氣壓下的等離子體特性表征具有一定困難，加之被清洗物的成分復(fù)雜，對其進行準確的機理分析存在很大的困難。目前，在多成分污染物（如油漆）清洗中，還沒有準確的理論說明是以物理作用為主導(dǎo)還是以化學(xué)作用為主導(dǎo)。

1.3 清洗特點

與傳統(tǒng)的清洗技術(shù)不同，大氣壓等離子體清洗是利用等離子體中含有的高能粒子對表面污染物進行轟擊活化，進而達到清洗效果。主要有以下特點[6]。

（1）屬于一種干式清洗，在清洗后，不需要對清洗物表面進行干燥處理，能簡化清洗工序，節(jié)約清洗成本。

（2）是一種非接觸式清洗方法，在清洗表面污染物的同時，不會造成基板材料的損傷和性能變化。

（3）由于等離子體方向性不強，可針對狹縫、孔洞等復(fù)雜形狀及結(jié)構(gòu)的物件進行清洗。

（4）是一種環(huán)保的清洗方法，清洗后，不會產(chǎn)生廢液廢氣，也不會造成環(huán)境污染。

（5）由于等離子體中存在活性基團，在清除表面污染物后，還能改善基板材料的潤濕性和黏結(jié)性，對后續(xù)需要涂漆、電鍍等的基板材料具有很強的適用性。

（6）與低壓等離子體清洗相比，此方法不需要真空系統(tǒng)，不受物件大小的限制，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便易控。

2 鋁合金表面清洗的研究進展

目前，大氣壓等離子體清洗在鋁合金表面的研究應(yīng)用主要有兩大方面：一方面，是對鋁合金基板進行表面活化改性；另一方面，是對鋁合金表面進行清洗，除去表面的油污、舊漆層等。由于等離子體不會對鋁合金表面的較薄氧化鋁層（通過陽極氧化而來）造成損傷，大氣壓等離子體對鋁合金表面的清洗、改性研究越來越多。

2.1 鋁合金表面污染物的去除

Bónová等[7]使用2.45 GHz大氣微波等離子體對7075-T6鋁合金表面進行有機油污清潔。將樣品表面的一半涂覆上有機油污，使用功率600 W，將氬（20 L/min）和氮（10 L/min）的混合氣體作為工作氣體，結(jié)果表明，微波大氣壓等離子體能夠去除鋁合金表面的有機油污。

當使用壓縮干燥空氣作為工作氣體時，通過接觸角測量發(fā)現(xiàn)，空氣等離子體處理后樣品的接觸角比氬/氮混合氣體處理的樣品接觸角更小。結(jié)合傅里葉紅外光譜（FTIR）結(jié)果證明，在清洗過程中，等離子體作用于有機物中的C——H鍵，使油污分解，而生成的C——OH、C＝O等提升了鋁合金表面的親水性。

近年來，大氣壓等離子體清洗技術(shù)應(yīng)用在飛機、船舶等大型器械上的除漆研究也逐漸增多。Merati等[8]研究了大氣壓等離子體（AP）對7075-T6和2024-T3鋁板除漆后疲勞裂紋擴展的影響。通過對清洗后樣品的力學(xué)試驗與掃描電子顯微鏡（SEM）測試分析，證明了大氣壓等離子體除漆工藝對鋁板疲勞裂紋的擴展并沒有實質(zhì)性影響。

2.2 鋁合金表面活化改性

林建平等[9]采用常壓空氣射流等離子體，對5052鋁合金進行了表面處理，研究了不同處理時間、處理間距對鋁合金表面改性效果的影響。通過測試發(fā)現(xiàn)，不同清洗時間對鋁合金表面性能并沒有明顯的影響規(guī)律；在不同間距下，隨著清洗間距的縮小，其剪切強度越大、水接觸角越小（由原來的疏水性變?yōu)橛H水性）、粗糙度也越大。X射線光電子能譜（XPS）與傅里葉紅外光譜（FTIR）結(jié)果顯示，清洗后鋁合金表面C元素減少，O、N元素增加，說明等離子體將鋁合金表面的有機物去除，電離產(chǎn)生的氧自由基導(dǎo)致其親水性提升。

此外，Cho等[10]使用不同氣體的大氣壓脈沖微波等離子體對鋁板表面進行了處理，通過測量水接觸角、表面形貌等表征方式，證明了氬-氧等離子體比氬等離子體對樣品的改性更有效，經(jīng)等離子體處理后的鋁合金表面的潤濕性和黏附性更好。Mu?oz等[11]在大氣壓下采用了氬和氬-氮微波等離子體清潔和活化工業(yè)鋁合金的表面，分析了清洗間距對親水性和表面能的影響。清洗后樣品的親水性顯著提升，表面能從37 mJ/m2增加到77 mJ/m2，而表面能的增加是C含量的減少和——OH的增加所導(dǎo)致的。將清洗后的樣品放置在環(huán)境中保存，這些自由基會在處理后的24～48 h消失，進而導(dǎo)致表面老化和恢復(fù)部分疏水性。

3 展望

大氣壓等離子體清洗技術(shù)可以用于各種材料的表面清潔與改性，通過使用不同種類的工作氣體，也可以達到不同的清洗效果。盡管等離子體清洗設(shè)備的研究開發(fā)限制、等離子體放電還不夠均勻穩(wěn)定等因素，導(dǎo)致目前大氣壓等離子體清洗技術(shù)還沒有實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，清洗效率也還不及傳統(tǒng)的清洗技術(shù)，但隨著這種清洗技術(shù)的完善以及清洗設(shè)備的研究與開發(fā)，其優(yōu)勢會更加明顯。