等離子體技術在金屬材料表面改性中的應用

陳 楠，王 蕊，王 蕾

（長春電子科技學院，吉林 長春 130000）

隨著工業化生產技術的發展，生產工業產品所必需的原材料種類越來越多。為了更好地滿足耐磨、耐高溫、耐腐蝕等各種特殊要求，必須不斷開發與眾不同的設計方案。但此類合金產品通常非常昂貴。因此，嘗試應用不同的表面技術在一般原材料的表面生產、生產電鍍、生產鋪展層以改變表面的特性使其融入復雜的辦公環境。此外，常見的缺陷如損壞和侵蝕等首先發生在原材料表面。基于原材料的有效表面處理，可以大大提高原材料的使用壽命。

1 等離子體技術介紹

以電離狀態存在的氣態物質被稱為等離子體，此種氣態物質的正負電荷粒子數相等，同固態、液態和氣態并存，因此也被稱為物質的第四態。等離子體的獲得通過放電或加熱來實現，在足夠能量的獲得之下實現氣體分子或電子向自由電子的轉變，正負離子是等離子體最典型的特征，因此可以作為中間反應介質促使化學反應發生。另外，等離子體是一種優良的導體，在化工控制的過程當中起著十分積極的作用。

1.1 等離子技術定義

工業化的快速發展和科技進步，國家對原材料制定了越來越高的法規，極大地促進了原材料表面改性材料的技術發展。其中，等離子體技術的表面改性材料技術備受關注。等離子體技術的第4種情況是指部分或完全水解的蒸汽。超低溫等離子體技術是指直流電源電弧充放電、電弧放電、微波加熱充放電和頻率注入充放電標準引起的部分水解蒸汽。因為電子的質量遠低于正離子，因此，電子設備的溫度可以從幾萬度到幾十萬度不等，遠遠超過正離子的溫度（甚至室內溫度）。超低溫等離子體技術中的粒子種類很多，除了電子器件和水解引起的正離子外，還有許多中和的粒子，如分子、分子結構和氧自由基。因此，粒子之間的相互作用更為復雜，包括電子器件-電子器件、電子器件-中和粒子、電子器件-正離子、正離子-正離子、正離子-中和粒子等。在如此復雜的物理系統軟件中，由于電子器件、正離子、刺激分子、氧自由基的存在和相互影響，一般可以做到一切正常標準下難以做到的事情。

1.2 等離子技術分類

等離子技術是一種非關鍵的準中性系統軟件。它們由許多正負自由電荷和中和粒子組成，具體表現出人群的個體行為。它是化合物的基本方法之一，是除固體、液體和蒸汽之外的第4類化合物。其主要特點是：粒子全過程提高庫侖相互作用，等離子運動與電磁場運動緊密相連，具有多種精英團隊功能和精英團隊鍛煉方式。等離子體按溫度可分為熱循環和非熱循環。當電子元件溫度等于共價鍵溫度和粒子溫度時，等離子體處于熱循環時，稱為平衡等離子體技術。由于其溫度高于500 K，故又稱為高溫等離子體技術，稱為非平衡等離子體技術時，其電子元件的溫度為104K，其共價鍵和中和分子式的溫度低至300～500 K，因此也稱為低溫等離子體。應用等離子體的專業性因其特性而異，高溫等離子體在技術上利用等離子體的物理特性；低溫等離子體技術在技術上是利用具有較高動能（0～20 eV）的電子元件參與物理化學反應。從物理學的全過程來看，很多一般蒸汽和高溫等離子體技術無法解決的問題用低溫等離子技術都可以解決。由于高溫等離子體技術中電子元件的溫度與蒸氣（共價鍵）的溫度處于平衡狀態，因此電子元件的溫度不僅高，重粒子的溫度也高。在這個溫度下，很難達到對原材料表面進行改性的目的，甚至會破壞板材的原材料。因此，超低溫等離子體技術的關鍵技術是對金屬復合材料的表層進行改性[1]。

1.3 等離子技術應用領域

1.3.1 機械制造業

等離子技術當今已經被廣泛應用于機械制造行業，其中最典型的就是等離子射流噴涂技術，該項技術通過直流壓縮電弧產生電子和離子束流放出巨大的熱量，產生高溫高速噴射電流。在此基礎之上能夠將各種金屬、非金屬以及陶瓷粉末等迅速融化，并通過極快的速度噴涂在機械工件表面形成涂層。相比電鍍層、電刷層而言，等離子噴涂耐磨、耐熱、耐腐蝕性更佳，同時具有抗高溫、氧化以及隔熱的特點，能夠實現更為全面的覆蓋，涂層更薄但質量和密度更具優勢。采用等離子射流對機械部件進行噴涂為關鍵零件穿上了理想的保護外衣，但并不會影響材料本身的金相組織以及機械性能。

1.3.2 電子行業

當前等離子技術在電子行業上也實現了廣泛的應用，最常見的就是等離子顯示技術，等離子顯示技術是一種自發光的顯示技術，因此并不需要背景光源，也沒有LCD顯示器視角和亮度顯示不均的現象產生。等離子顯示器的主要原理在于等離子面板對一系列像素的擁有，這像素為紅色、綠色和藍色，在等離子狀態下發生靈光體反應被用于陰極射線管裝置，能夠產生更加豐富的動態顏色。在等離子顯示器中，三基色共用一個等離子管，避免了聚焦和匯聚問題，圖像更加清晰，保真度更高，另外等離子顯示器的應用不會產生X射線輻射，所以真正稱得上綠色環保顯示產品。

2 等離子體技術在金屬材料表面改性中的應用

在工業生產中，金屬是各種零部件的主要原材料，不過金屬零部件在使用的過程中有著巨大的失效形式，最常見的是磨損、腐蝕以及斷裂，而伴隨著失效性的增加不僅產生了巨大的能耗，而且在更換維護的過程中更是提高了生產運營成本，因此想要改變該種狀況還需從根本上解決問題，必須對金屬材料表面進行改性和強化，提高其剛性硬度，提升耐磨性和耐腐蝕性。想要實現金屬表面性質的改變，合金化是有效的措施之一。金屬表面合金化的原理主要是利用不同金屬組元之間溶解和反應的關系，使其形成全新的固溶體以及機械混合物等，通過擴散、滲透以及物理吸附化學變化等形式促使其表面原子以及晶體結構發生改變。

常見的金屬表面合金化形式有塑化、固溶化以及制備復相合金等方式，近10年來，等離子體技術被廣泛用于改變金屬復合材料的表面特性。等離子技術是一種超低溫等離子技術應用，它利用蒸汽與鋼的異質相互作用來改變金屬復合材料的表面特性，即利用等離子技術對金屬復合材料的表面進行處理，或引起涂層或熔合層，進而改變其特性整體面層，使其融入復雜的工作環境，進一步提高原材料的使用壽命。可以說等離子技術在金屬材料表面改性中的應用，不僅實現了產品性能的改變，提高了生產效率，同時也開創了全新的應用領域，能夠取代昂貴的整體合金，實現材料的節約和成本的降低。

2.1 反應裝置

根據主要用途的不同，超低溫等離子技術管式反應器有多種形狀和規格，關鍵可分為2種，即擴散系數管式和鐘罩式。在這2種情況下，原料氣由真空泵從一側送入管式反應器，從另一側排出，反射面室保持13.33～133.3 Pa的低壓。工頻開關電源電平根據配對上網完成，有2種方法可以給電平添加高頻動能，優點是不易蝕刻電平，不易在極板上堆積產物。內部電平式是一種密封反應室內電平的方法。當電極未及時清洗時，內電極模式在放電穩定性和電能效率方面比外電極位置更有利。利用高頻動能的目的是消除等離子體技術中自由電子的分離，獲得一個均衡的等離子體技術領域。尤其是13.56 MHz頻段，極易與真空泵蒸氣耦合，產生穩定的電源電路，方便實際操作，這是最常見的頻率。內級管式反應器也可以通商用交流電，但由于正離子被加速，在直流充放電周圍產生等離子技術標準，等離子技術水平之間失去對稱性。

2.2 改性原理

超低溫等離子體技術在金屬復合材料表面改性中的應用，是一種非均相氣固兩相流反射等離子體技術。2種或2種以上的蒸氣在等離子技術中反映產生新的固體和蒸氣，在等離子技術中稱為有機化學液相的積聚。等離子技術是利用等離子技術將金屬表面轉化為不同的塑料薄膜，進而獲得不同分子結構、成分和片材特性的涂層，進而在金屬表面開發改性材料。其基本原理是利用等離子技術引起的電子器件、正離子和氧自由基與液相中的單分子結構發生碰撞，使單分子結構被攪動，然后單次非活性碰撞引起鏈增長。當2條生長發育鏈發生碰撞時，它們失去了生命力，鏈生長終止，不會產生細小的球形粉末。它在板材表面緩慢積聚，然后在板材表面與單代反應生成塑料薄膜，產生涂層。固態與蒸汽相互作用，在固態表面產生新固態的整個過程，稱為表面等離子體技術的技術傳播。該方法利用等離子技術通過金屬或非金屬材料的共價鍵在金屬表面形成復合擴散層。金屬或非金屬材料的共價鍵根據鋪展層鋪展到金屬復合片上，然后在金屬表面改性工程塑料。基本概念是等離子體中的共價鍵根據等離子體場上的電位差加速，與固體表面層碰撞，被固體表面層消化吸收，然后在固體表面層結合形成穩定的分子式官能團，形成復雜的融合層，吸附在固體表面層的分子結構中，按層鋪展為原料的固態。

2.3 金屬離子注入技術用途

金屬復合材料的超低溫等離子體技術表面改性方法包括等離子體技術表面擴散和等離子體技術有機化學液相堆積。2種方法各有特點。等離子體技術有機化學液相積累具有較高的個體選擇性，可以賦予表面多種功能，而等離子體技術表面擴散過程更方便。在金屬表面進行低溫等離子滲氮的技術稱為等離子滲氮。低溫等離子磷酸鹽可以進一步改善金屬表面的物理性能。由于離子注入技術的突出特點，可以將金屬復合材料引入到電導體以及導體和絕緣體中，以改善制品表面，增強制品表面的耐磨性、抗壓強度和潤滑性。如果將離子注入和多正等離子噴涂工藝合二為一。可以去除塑料薄膜和紙板之間的缺頁，以進一步提高塑料薄膜的附著力。因此，該技被術廣泛應用于航空、航天、精密機械設備、表面處理、驅動動力、動力、診療等領域。

原材料和非反射氣體等離子技術產生反射，使原材料表面啞光，并引入一個充滿活力的生態系統。但這種轉變通常是不穩定的，會隨著時間的變化而減弱。不穩定的原因可能有很多，例如，光學活性官能團在與周圍殘基相互作用時失去活力，活性官能團反映生成穩定的網絡結構并轉移光學活性官能團。超低溫等離子體技術中成分極低的整體靶活性材料在整個材料改性過程中起著非常關鍵的作用。既然電子器件的運動速度比正離子快很多，那么等離子技術中改性材料化學物質的表面電位相對于等離子技術的電位差是否為負，這被稱為水的浮力。快速電子器件被攪拌以反映分子結構并水解它們或將它們轉化為氧自由基碎片。共價鍵繼續用負電子對工程塑料表面進行改性，極大地損害了表面的化學變化。沉積和蝕刻是一對相反且同時發生的化學反應，它們在待處理材料的表面上作用等離子體。正離子和中性原子可以與被處理材料表面的某些基團結合形成小的揮發性顆粒，從而腐蝕被處理材料的表面。中性原子和其他自由基可以在處理過的材料表面形成沉淀層。蝕刻工藝積累所反映的相對抗壓強度是由等離子技術中分子氧自由基的相對組成決定的。這2種反應都受到負電子表面共價鍵動能的危害。化學反應速率是否隨著正離子動能的增加而增加，其中，蝕刻加工化學反應速率的增加更為顯著。根據等離子體技術主要參數的調整、管式反應器的設計、塑料薄膜位置的解決等，分子氧自由基的相對組成和表面負電子的正離子能量。等離子技術可以合理改變，蝕刻和沉淀反應的相對強度因此被修改。

3 等離子體技術在金屬材料表面改性中的發展與不足

當前利用低溫等離子技術對金屬表面進行處理有著高效低溫、可批量生產的優點，已經被廣泛應用到眾多學科領域，尤其在機理、工藝以及裝備方面取得了重大的發展和突破。不過當前等離子體技術在金屬表面改性中的應用主要依靠低溫處理，但在研究層面，對于等離子體產生的處理機理以及規律尚未實現深度擴張，更多研究領域依舊停留在定性水平上。而且在對等離子實現診斷的過程中以及處理技術依舊不夠成熟，在國外研究領域，離子體表面擴滲以及等離子體CVD法方面的研究更為深入，而中國低溫等離子技術起步較晚，對于處理設備投資大成本高以及處理技術的成熟度上還存在著一定的不足，急需提高。但經過一段時間的發展和探索已經取得了一定的突破。早在20世紀80年代初期，中國就已經成功運用離子體CVD法實現了離子鍍膜的工作。

在未來，利用低溫等離子技術對金屬表面進行處理主要的發展方向是實現基礎性研究的遞進，通過對其反應機理的研究，掌握其反應規律，同時開拓出全新的應用領域。不過在整個研究的過程中，應該充分重視實驗設備的應用結合診斷檢測工作，促進整個開發研究工作的完善性和科學性。另外加強技術研究增強其經濟可行性也是未來等離子技術在金屬表面改性應用當中的主要研究方向之一，就目前的方向來看，等離子技術可行性較高，但成本上難以控制，所以如何以最經濟實惠的方式展開應用推廣是等離子技術研究的重點[2]。實際上，等離子技術的研究并非一蹴而就，整個過程需要找準方向選用適當的研究對象和方法開展持久性研究，充分將研究機理理論結合應用實際實現市場轉換，在此基礎之上的等離子技術一定會在金屬材料表面改性中發揮深度優勢，實現更多領域的滲透。

4 結語

超低溫等離子技術表面改性工程塑料具有優質、高效、環保、節能等特點，具有廣闊的應用前景，已應用于儀器設備、仿真套管、航空航天等行業。它可以快速、高效、無污染地改變各種紡織材料的表面特性，它不僅可以改善纖維材料在一定的自然環境中的特性，還可以擴大傳統纖維材料的應用范圍。因此，它激發了來自世界各地的科研工作者的興趣。同時，應該尋求針對不同標準下的纖維材料開發等離子技術解決方案，以改善不同地方原材料的特性，并且應該科學地研究和模擬模擬聚合物原材料表層的等離子體技術的相互作用。它為具有特殊功能的定量分析設計方案和表面成形操作提供了理論來源。超低溫等離子體技術被廣泛應用于金屬復合材料、纖維材料和新型微生物功能材料的表面改性材料中，部分產品已建成投產。雖然超低溫等離子技術在原材料的表面改性材料中的應用越來越普遍，但不同粒子與表面的相互作用機制仍不清楚，未來仍需要更多的研究去分析探索。