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高分子材料的表面改性与性能在当今科技飞速发展的时代，高分子材料凭借其优异的性能和广泛的应用领域，已经成为材料科学领域的重要组成部分。
然而，高分子材料的表面性能往往限制了其在某些特定场合的应用。
为了拓展高分子材料的应用范围，提高其性能，表面改性技术应运而生。
高分子材料的表面改性是指在不改变材料本体性能的前提下，通过物理、化学或生物等方法对材料表面的化学组成、微观结构和物理性能进行调整和优化。
其目的是改善高分子材料的表面润湿性、黏附性、耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性等性能，以满足不同领域的应用需求。
物理改性方法是表面改性中较为常见的一类。
其中，等离子体处理是一种高效的技术手段。
等离子体中的高能粒子能够与高分子材料表面发生碰撞和反应，引入新的官能团，增加表面粗糙度，从而改善表面的亲水性和黏附性。
例如，经过等离子体处理的聚乙烯薄膜，其表面能显著提高，与油墨、涂料的结合力增强，印刷和涂装效果得到明显改善。
另一种物理改性方法是离子束注入。
通过将高能离子注入到高分子材料表面，可以改变表面的化学组成和结构，进而改善其性能。
比如，将氮离子注入到聚四氟乙烯表面，可以显著提高其耐磨性和耐腐蚀性。
化学改性方法在高分子材料表面改性中也具有重要地位。
化学接枝是一种常用的化学改性手段。
通过在高分子材料表面引入活性基团，然后与其他单体进行接枝反应，可以在表面形成一层具有特定性能的接枝聚合物层。
例如，将丙烯酸接枝到聚丙烯表面，可以使其具有良好的亲水性和生物相容性。
表面涂层也是一种常见的化学改性方法。
在高分子材料表面涂覆一层具有特定性能的涂层材料，如金属涂层、陶瓷涂层或聚合物涂层，可以显著改善其表面性能。
比如，在塑料表面涂覆一层金属涂层，可以赋予其良好的导电性和电磁屏蔽性能。
除了物理和化学改性方法，生物改性方法在近年来也受到了广泛关注。
生物改性主要是通过在高分子材料表面固定生物活性分子，如蛋白质、酶、抗体等，赋予材料特定的生物功能。
表面离子注入与沉积表面离子注入与沉积是一种常见的材料加工技术，通过将离子注入到材料的表面，可以改变材料的物理和化学性质，从而实现对材料的功能性改进。
本文将从离子注入和沉积的原理、应用领域以及未来发展方向等方面进行介绍。
一、离子注入的原理离子注入是利用离子束对材料表面进行轰击，将离子注入到材料中的一种技术。
离子束可以由离子源产生，通过加速器加速后，聚焦成束并打到材料表面。
离子束在与材料表面相互作用时，会产生各种效应，如能量转移、原子与原子的相互作用等。
这些效应会导致材料表面的物理和化学性质发生变化。
离子注入可以改变材料的表面形貌、硬度、耐磨性、摩擦系数等性质。
通过选择不同的离子种类和能量，可以实现对材料的定向改变。
离子注入还可以提高材料的电导率、光学性质、磁性等特性，从而拓宽材料的应用范围。
二、离子注入的应用领域离子注入技术在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些典型的应用领域：1.半导体器件制造：离子注入可以用于制造半导体器件中的PN结、电阻等区域。
通过控制离子注入的能量和剂量，可以实现对半导体材料的掺杂和局部改变。
2.光学薄膜制备：离子注入可以用于制备光学薄膜材料，如反射膜、透明导电膜等。
通过离子注入，可以提高薄膜的透明性和耐磨性，从而提高光学器件的性能。
3.材料改性：离子注入可以用于改变材料的表面性质，如硬度、摩擦系数等。
通过离子注入，可以使材料具有更好的耐磨性和耐腐蚀性，提高材料的使用寿命。
4.医疗器械：离子注入可以用于改善医疗器械的表面性能，如减少摩擦、改善耐磨性等。
通过离子注入，可以使医疗器械具有更好的生物相容性和抗菌性。
5.能源材料：离子注入可以用于改善能源材料的性能，如提高锂离子电池的电导率、延长电池寿命等。
通过离子注入，可以提高能源材料的储能密度和循环稳定性。
三、离子注入与沉积的发展方向离子注入与沉积技术在材料科学和工程领域有着广泛的应用前景。
随着材料科学的不断发展和需求的不断增加，离子注入与沉积技术也在不断更新和完善。
离子注入材料表面改性的研究方法【摘要】本文论述了离子注入材料表面改性的特点和发展应用，阐述了离子注入材料表面改性的机理。
大量研究表明，离子注入通过改变材料表面和界面的物理化学特性及微观结构，能够显著提高材料的抗磨损，抗疲劳，抗腐蚀，抗氧化特性。
离子注入不仅可以提高材料表面性能，延长材料使用寿命，还可以节约贵金属资源，具有很好的经济效益和应用前景。
【关键词】离子注入技术；材料表面改性；研究方法1.前言20世纪70年代，离子注入应用于材料表面改性并逐渐发展成一种新颖有效的材料表面改性方法。
它是把工作(金属，合金，陶瓷等)放在离子注入机的真空靶室中，通过加高电压，把所需元素的离子注入到工件表层的一种工艺。
材料经离子注入后，在其零点几微米的表层中增加注入元素和辐照损伤，从而使材料的物理化学性能发生显著变化。
大量实验证实，离子注入能使金属和合金的摩擦因素，耐磨性，抗氧化性，抗腐蚀性，耐疲劳性以及某些材料的超导性能，催化性能，光学性能等发生显著变化，能够大大提高材料的性能和使用寿命。
离子注入在工业中应用能取得很好的效益，除延长工件的使用寿命外，还由于离子注入仅用较少量的合金元素，就可以得到较高的表面合金浓度，因而可以节约贵重金属[1]。
2.离子注入特点与通常的冶金方法不同，离子注入是用高能量的离子注入来获得表面合金层的，因而有其特点:(1)离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高出热平衡能量的2-3个数量级。
因此，原则上周期表中的任何元素都可以注入任何基体材料。
(2)注入元素的种类，能量，剂量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度的经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法难以获得的新合金相。
(3)离子注入层相对基体材料没有明显的界面，因此表面不存在粘附破裂或剥落问题，与基体结合牢固。
(4)离子注入可以通过控制注入剂量，注入能量及束流密度来精确控制注入离子的浓度和深度的分布。
(5)离子注入一般是在常温真空中进行，加工后的工件表面无形变，无氧化，能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精密部件的最后工序。
材料表面改性的化学方法与应用材料表面改性是一种重要的化学方法，通过对材料表面进行化学处理，可以改变其性质和功能，从而满足特定的应用需求。
本文将探讨材料表面改性的化学方法以及其在各个领域的应用。
一、化学方法介绍材料表面改性的化学方法包括物理吸附、化学吸附、溶胶凝胶法、离子注入、化学修饰等多种方式。
其中，物理吸附是指通过物理力将分子吸附到材料表面，形成一个单层或多层的吸附层。
化学吸附则是通过化学键的形成将分子牢固地连接到材料表面。
溶胶凝胶法是一种将溶胶物质通过溶胶凝胶过程固定在材料表面的方法。
离子注入则是将离子注入到材料表面，改变材料的组成和结构。
化学修饰是指通过化学反应将分子与材料表面共价结合。
二、应用领域1. 材料加工材料表面改性的化学方法在材料加工领域有广泛的应用。
例如，通过物理吸附和化学吸附可以改变材料的表面能，提高材料的润湿性和附着力。
溶胶凝胶法可以用于制备高性能的涂层材料，提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。
离子注入可以改变材料的导电性和光学性质，用于制备半导体材料和光电器件。
化学修饰可以改变材料的化学反应性，用于制备催化剂和吸附剂。
2. 生物医学材料表面改性的化学方法在生物医学领域也有重要的应用。
例如，通过化学修饰可以将生物活性物质固定在材料表面，用于制备药物缓释系统和组织工程材料。
物理吸附和化学吸附可以改变材料的生物相容性，提高材料的生物相容性和抗菌性能。
溶胶凝胶法可以用于制备生物传感器和生物成像材料，用于检测和诊断疾病。
3. 环境保护材料表面改性的化学方法在环境保护领域也有广泛的应用。
例如，通过物理吸附和化学吸附可以将有机污染物吸附在材料表面，用于处理废水和废气。
溶胶凝胶法可以用于制备吸附剂和催化剂，用于处理废水和废气。
离子注入可以改变材料的吸附性能，提高材料的吸附容量和选择性。
化学修饰可以改变材料的表面电荷，提高材料的吸附效率和再生性。
4. 能源领域材料表面改性的化学方法在能源领域也有重要的应用。
高分子复合材料表面改性技术的研究及应用高分子复合材料是由两种或以上的高分子材料通过化学或物理方法相互交联或混合而成的材料。
由于其具有良好的性能和广泛的应用前景，近年来受到广泛的关注和研究。
其中，高分子复合材料的表面改性技术是研究的热点之一。
本文将从这个角度来探讨高分子复合材料表面改性技术的研究及应用。
一、高分子复合材料的表面改性技术概述高分子复合材料的表面改性技术是指通过对高分子复合材料的表面进行各种改性处理，以改善其表面性能，提高其耐久性、防腐性、均匀性、附着强度等特性的一种技术。
常见的表面改性技术有化学改性、物理改性、光化学改性等。
1. 化学改性化学改性是指通过化学方法对高分子复合材料的表面进行改性处理。
例如，在高分子复合材料表面涂覆一层功能性交联剂、接枝共聚等化学方法可提高其表面的化学反应性和亲水性，从而改变其表面性状，达到改性的目的。
2. 物理改性物理改性是指通过物理方法对高分子复合材料表面进行改性处理，常见的方法有离子注入、等离子体注入、电子束照射等。
这些方法可以改变高分子复合材料表面的表面形貌、表面化学成分等，从而改善其表面性能。
3. 光化学改性光化学改性是一种以光敏剂作为催化剂的表面改性技术。
通过用光敏剂涂覆高分子复合材料表面，当表面受到光照时，光敏剂将被激活并引起表面反应。
这种方法可以改变高分子复合材料表面的表面物理结构、化学成分等，从而改善其表面性能。
二、高分子复合材料表面改性技术在各个领域的应用高分子复合材料表面改性技术具有高效、可控、 low cost 等优点，已经在各个领域得到广泛应用。
1. 汽车行业高分子复合材料广泛应用于汽车制造领域。
汽车表面涂层的改性是提高其防锈性、耐久性和塑化性的重要手段之一，化学、物理和光化学技术都可应用于汽车表面涂层的改性处理。
汽车表面改性可以使汽车表面从单一化到多元化，使汽车表面更加美观、个性化，同时也能改善车身的防护性能。
2. 建筑材料高分子复合材料表面改性技术可用于改善建筑材料的防水性、耐候性、耐腐蚀性等性能，提高其耐用性和使用寿命。
材料学中的表面改性技术表面改性技术是材料学领域中的重要研究方向，它通过对材料表面的处理，改变其物理、化学性质，以达到增加材料应用性能的目的。
本文将介绍几种常见的表面改性技术，并探讨其在材料学中的应用。
一、溅射技术溅射技术是利用粒子束轰击材料的表面，使得表面原子或分子被剥离并加速沉积到另一个材料表面上的一种方法。
这种方法不仅可以改变材料的物理性质，如硬度、导电性等，还可以改变其化学性质，如增强表面的化学稳定性、腐蚀抗性等。
溅射技术广泛应用于薄膜制备、电子器件制造等领域。
二、化学气相沉积技术化学气相沉积技术是一种利用化学反应在材料表面沉积薄膜的方法。
常见的化学气相沉积技术包括化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等。
CVD技术通过气相化学反应在材料表面生成所需的化合物薄膜，而PVD技术则是利用物理方法将材料原子或分子传输到表面形成薄膜。
这些技术可以改变材料的表面形貌、光学性能、磁性等，广泛应用于涂料、光伏等领域。
三、离子注入技术离子注入技术是将高能离子轰击材料表面，使得离子与原子或分子发生碰撞并改变其性质的方法。
离子注入可以改变材料的化学成分、晶体结构、电学性能等，是一种有效的改善材料表面性能的方法。
离子注入技术在半导体、材料改性等领域有着广泛的应用。
四、等离子体处理技术等离子体处理技术是利用由高能粒子或辐射激发产生的等离子体处理材料表面的方法。
等离子体处理技术可以改变材料的表面形貌、化学成分和性能。
例如，等离子体诱导的表面改性可以增强材料的耐磨性、耐腐蚀性，提高其生物相容性等。
等离子体处理技术在航空航天、医疗器械等领域得到了广泛应用。
五、表面涂层技术表面涂层技术是利用一种或多种材料覆盖在材料表面以改变其性质的方法。
常见的表面涂层技术包括喷涂、热喷涂、电镀等。
这些技术可以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性等，并且还可以调整其颜色和光学特性。
表面涂层技术广泛应用于汽车、航空航天、家电等领域。
离子束在材料表面处理中的应用离子束技术是一种高纯度、高能量的表面处理技术，可以通过高速离子注入改变表面物理和化学性质。
离子束广泛用于材料表面处理，如表面改性、薄膜制备、纳米材料制备等。
本文将从离子束处理的原理、应用、优点和限制等角度进行阐述。
离子束处理的原理离子束处理是通过将离子注入固体表面，改变表面的物理和化学性质，从而达到特定的表面处理效果。
离子源将离子加速到高速，通过电磁场控制离子束的流向和能量分布，使离子束能够精确地定位和加工。
离子束在表面处理中的应用离子束处理技术在材料表面处理中具有广泛的应用。
主要包括以下方面。
1. 表面改性通过离子束处理可以改变材料表面的物理、化学性质，包括表面形貌、化学成分、晶体结构等。
离子束处理可以增加表面的粗糙度、改变表面形貌，从而增强表面的吸附能力和润湿性。
通过改变表面的化学成分，离子束处理可以增强化学反应的活性或抑制化学反应的发生。
离子束处理可以改变材料的晶体结构，例如在多晶硅上实现单晶硅的生长，从而提高硅片的电子器件性能。
2. 薄膜制备离子束沉积技术可以在固体表面制备各种材料的薄膜。
薄膜制备技术是材料科学和工程领域的热点之一，离子束沉积技术具有优异的薄膜制备能力和良好的薄膜质量，可以应用于集成电路、光学薄膜、金属涂层等领域。
3. 纳米材料制备离子束处理可以用于纳米材料的制备，例如碳纳米管、纳米线、纳米粒子等。
通过离子束诱导生长，可以获得高质量的纳米材料，并且可以精确定位纳米材料的生长。
离子束处理的优点离子束处理在表面处理中具有许多优点。
1. 离子束处理可以精确地加工表面，实现微米、纳米级别的处理。
2. 离子束处理可以轻松地控制离子的种类、能量和注入剂量，从而实现高度定制化的表面处理。
3. 离子束处理的加工速度较快，一般只需要几十分钟至数小时即可完成。
4. 离子束处理对材料的损伤相对较小，不会影响材料的基本结构和性能。
离子束处理的限制离子束处理也存在一些限制。
高分子材料的界面改性及应用研究一、介绍高分子材料是一种重要的工程材料，在工业生产、医疗卫生、能源领域等方面都有广泛的应用。
然而，由于高分子材料表面的缺陷和自由基等缺陷，使其在使用过程中容易出现劣化、老化以及化学反应等问题。
所以界面改性技术的应用升级已变得越发重要。
二、高分子材料界面改性的方法界面改性技术是通过在高分子材料表面附加一种或多种化学物质的方式，改变高分子材料表面的化学和物理性质以及结构，从而达到优化物体性能的目的。
界面改性主要有以下几种方法：1.表面包覆法表面包覆法是在高分子粒子表面生成一层包裹。
主要应用于高分子材料的稳定性和物理力学性能的提高以及抗氧化性能的改善。
常见的包覆材料有硅酸盐、钛酸盐等。
2.气相沉积法气相沉积法是把目标材料的气体原子或分子通过蒸发、溅射等方式冲击到高分子材料表面上去。
它可用于制备高分子涂层、表面修饰。
3.表面活性改性法表面活性改性法是通过在高分子材料表面改变表面活性基团的方式，从而改变其物理和化学性质的方法。
常见的表面活性基团有羟基、胺基、羰基等。
4.离子注入法离子注入法是利用加速器将目标离子加速到高速度，在高分子材料表面形成一层薄层，从而实现界面改性的方法。
常见的离子有氮、氩等。
三、高分子材料界面改性的应用研究界面改性技术对高分子材料性质的改善，使其在各种领域得到广泛应用。
下面以几个示例介绍其应用研究：1.在医疗方面，通过界面改性技术，增加了不同颜色的荧光纳米包被物质的吸附能力，使比色比荧光更具选择性信号，有望在癌症早期筛查和诊断中得到广泛应用。
2.在电力行业，通过界面改性技术，制备出耐高温、防辐照的电线、电缆等，提升了电线电缆的使用寿命。
3.在机械工程方面，通过界面改性技术，可以制备出具有耐磨、耐冲击、抗静电等特性的高分子材料，从而提高机械设备的使用寿命和安全性。
四、结论高分子材料界面改性技术作为先进的表面改性技术，在材料科学与技术领域具有重要的应用前景。
离子注入对SiO_2表面非晶碳薄膜的化学状态及摩擦学性能的影响离子注入是一种常用的表面改性方法，可以改变材料的化学状态和物理性能。
在SiO2表面注入离子时，可能发生以下化学反应：1. 离子沉积：注入的离子会在表面上沉积形成薄膜。
沉积的离子种类和数量会影响薄膜的化学状态以及厚度。
2. 离子化：注入的离子与表面原子或分子发生化学反应，产生新的化学物质或改变表面物质的结构。
例如，碳离子可以与SiO2反应形成SiC等化合物。
3. 掺杂：离子注入还可以将外来原子或分子引入SiO2中，形成掺杂层。
这些掺杂物可以改变材料的电子能级结构和电学性能。
离子注入对SiO2表面非晶碳薄膜的摩擦学性能具有重要影响：1. 摩擦系数：离子注入可以改变非晶碳薄膜的表面化学状态，从而影响其摩擦系数。
注入过程中的离子种类和注入时间等参数会对摩擦系数产生显著影响。
2. 硬度：离子注入可以增强非晶碳薄膜的硬度，使其更耐磨损。
硬度的提高可以降低摩擦系数并提高摩擦表面的耐磨性能。
总之，离子注入可以改变SiO2表面非晶碳薄膜的化学状态，并对摩擦学性能产生重要影响。
这些影响因离子种类、注入参数和化学反应等因素而异。
因此，在具体应用中，需要根据实际需求优化离子注入参数，以实现期望的功能。
此外，离子注入还可以对SiO2表面非晶碳薄膜的化学状态产生其他影响，如表面能和化学活性的变化。
1. 表面能：通过离子注入，可以改变非晶碳薄膜的表面能，从而调节其表面润湿性和粘附性。
注入的离子可以在表面上形成新的化学键或增加表面活性位点，使得表面能增加或减小。
这将直接影响到表面与其他物质的相互作用，进而影响润湿性、粘附性和摩擦行为。
2. 化学活性：离子注入可以使非晶碳薄膜的化学活性发生变化。
注入的离子与材料内部的原子或分子反应，形成新的化学键或改变化学键的性质。
这将使得非晶碳薄膜表面具有更多的活性位点，从而提高化学反应的发生速率和效率。
此特性在某些应用中可以用于表面修饰、功能化或催化反应。
离子注入技术在材料表面改性中的应用探究离子注入技术是一种利用离子束对材料表面进行改性的方法。
它可以改善材料表面的物理和化学性质，提高材料的性能和耐用度。
离子注入技术的应用范围非常广泛，包括半导体器件、微电子学、纳米材料制备、涂层、航空航天等领域。
随着科技的不断发展和工业的不断进步，离子注入技术的应用前景也越来越广阔。
离子注入技术的原理和方法离子注入技术是指将高速带电离子束注入到材料的表面，将离子能量转化为物理、化学和电学强制场效应，从而改变材料表面的性质。
离子注入的离子束包含正、负离子和中性粒子，其主要能量范围为数keV到数MeV。
离子注入技术的方法主要有两种：一种是静电离子注入技术，它是利用电场加速离子到高能量，然后引导离子轰击材料表面产生物理、化学和电学改变；另一种是多项式离子注入技术，它是在多项式静电场中对离子进行加速和聚焦，使离子束密度达到高值，然后将离子束注入材料的表面、界面和体。
离子注入技术的应用离子注入技术的应用非常广泛，主要应用于材料表面改性、半导体器件加工、纳米材料制备、涂层和膜的制备、生物医学和航空航天等领域。
材料表面改性是离子注入技术最重要的应用领域之一。
通过离子注入技术，可以增加材料表面的硬度、耐磨性、抗化学侵蚀性、耐高温性等性能，并且能够对表面进行微观结构的改变，以实现材料表面的特殊用途。
例如，将硅片表面进行氮离子注入，可以大大提高硅片的耐蚀性和耐磨性，使其适合作为半导体器件的基材；将钢铁表面进行碳离子注入，可以提高其硬度和耐磨性，从而使之适用于高速机械工作加工过程中。
离子注入技术还可以应用于半导体器件加工中。
通过离子注入将材料表面进行掺杂，可以改变其导电性质，增加材料与器件之间的结合强度和接触性能，从而提高电子器件的性能和可靠性。
例如，通过对电子器件的掺杂制造出了各种不同特性的p-n结、场效应晶体管等器件。
纳米材料是目前研究的热点之一。
离子注入技术可以用来制备高质量、高稳定性的纳米材料。
化学技术中常见材料的表面改性方法在化学技术领域中，材料表面的改性对于改善材料性能和实现特定功能起着非常重要的作用。
通过对材料表面进行调控和改变，可以使其具备诸如耐磨、防腐、抗菌、导电等特性，从而扩展材料的应用领域。
下面将介绍几种常见的材料表面改性方法。
一、化学改性方法化学改性是通过在材料表面引入化学物质进行改变，以改善材料表面性能。
常用的化学改性方法包括表面涂层，表面氧化处理和功能化修饰。
1. 表面涂层表面涂层是将一层材料覆盖在材料表面上，以改变其外观和性能。
涂层材料可以是聚合物、金属、陶瓷等，通过涂覆工艺将其粘附在材料表面上。
涂层可以起到增加材料硬度、耐磨性和耐腐蚀性的作用，同时还可以改变材料的光学、导电等性质。
2. 表面氧化处理表面氧化处理是通过在材料表面形成一层氧化物薄膜来改变材料性能。
常见的表面氧化处理方法包括阳极氧化、氧化硫磷化等。
例如，阳极氧化是将材料浸入电解液中，通过电化学反应在材料表面形成一层氧化物薄膜，从而提高其耐腐蚀性能和硬度。
3. 功能化修饰功能化修饰是通过在材料表面引入特定的功能基团，使其具备特殊的性能。
常见的功能化修饰方法包括表面聚合、化学修饰等。
例如，可以在材料表面引入羟基、氨基、硅烷等基团，从而使其具备亲水性、抗菌性、抗污染性等特性。
二、物理改性方法物理改性是通过改变材料表面的物理结构和形态来改善材料性能。
常见的物理改性方法包括离子注入、电子束辐照和等离子体改性等。
1. 离子注入离子注入是将高能离子束注入到材料表面，使其表面形成亚微米级的改性层。
离子注入可以改变材料的晶体结构、硬度和光学性质，从而提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。
2. 电子束辐照电子束辐照是利用电子束对材料表面进行辐照处理，从而改变材料的表面形貌和结构。
辐照后的材料表面可以形成纳米级的结构，提高材料的抗菌性、抗腐蚀性和疏水性等性能。
3. 等离子体改性等离子体改性是利用等离子体在材料表面产生化学反应，改变材料表面的结构和性能。
摘要叙述了离子注入对高分子材料进行表面改性的新工艺。
其技术原理和特点, 并着重介绍了其在高分子材料表面改性中的应用，综述了国内目前在这方面的研究现状及试验结果及发展前景。
关键词离子注入高分子材料表面改性1．前言近几十年来, 随着高科技的迅猛发展, 对各类材料的表面性能提出越来越高的要求。
因此, 采用新技术、新工艺改善材料的表面性能就越显重要- 离子注入能在不改变材料基本性能的情况下, 有选择地改善材料表面的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等- 目前世界上许多国家都有专门从事离子注入研究的队伍。
据了解, 英国Rolls-Roycc股份有限公司为了解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损, 曾比较了46种不同的表面处理工艺, 最后选择了3种, 其中之一就是离子注入新工艺。
由此可见, 离子注入技术将会受到人们更加广泛的重视, 它将在我国社会主义现代化建设中发挥越来越大的作用。
2．离子注入的原理离子注入对高分子材料的改性是通过离子注入使材料的结晶、组分以及分子空间位置的变化来实现的。
当带能离子射到高分子表面时,会与材料原子和电子发生一系列的碰撞作用,与电子的碰撞是非弹性碰撞,与原子的碰撞是弹性碰撞。
无论在哪种碰撞过程中,载能离子每经一次碰撞,就将部分能量传递给原子或电子,同时相应减少离子本身的能量,直到经多次碰撞后入射离子的能量几乎耗尽,它才在材料中作为一种杂质原子停留下来。
此外,被撞的晶格节点上的原子,如果接受的能量足以使其克服周围原子对它的束缚就会发生离位,并以一定能量在材料晶格中飞行。
此时,它同样能使别的原子离位。
可以想像,一个入射离子可以产生出一系列的碰撞,产生一系列的离位原子,这种原子与原子、原子与电子的碰撞就是注入离子与高分子材料相互作用的基本物理过程。
离子在加速器中获得一定的能量并藉此进入样品表面以下一定深度, 在靠近表面处形成一层组成和结构都不同于体相的注入层。
由于离子的注入深度h 和离子能量的平方根E1/ 2成正比, 所以在不同加速器中得到的表面改性层是不一样的。
影响离子注入改性效果的另外一个重要因素是离子注入量, 只有在恰当的离子注入量的时候才会使表面硬度和耐磨性得到最好的改善。
在离子注入技术中由于注入离子在基体中与基体原子相混合，属于非包覆处理, 因此离子注入技术的应用不受材料固溶度的限制。
另外, 离子注入过程是在较低温度下进行的, 被注入材料不会发生热变形,可保持原有的尺寸精度和表面粗糙度等。
由于这些突出的优点, 近年来, 人们不断将离子注入技术用在高分子表面改性方面, 克服材料的种种不足, 尤其是离子注入技术能够在高分子的表面引起交联反应, 使表面硬度增大, 从而起到了改进高分子摩擦性能的作用。
3．离子注入改性高分子材料的优点离子注入(Ion implontation)是一种利用物理方法控制分子聚集状态进行表面改性的有效手段, 通过离子注入高分子材料，不仅能提高材料表面机械性能，而且可以改善高分子材料的导电性能、光学特性和磁学性能等。
离子注入材料表面改性是一种新技术、新工艺、新方法，有其无可比拟的优越性, 主要有如下几方面：(1)离子注入是借助于电场力将添加物以离子形式注入到基体材料中,离子进入固体的过程是一个非平衡过程,原则上可以将任何元素引入到固体中,而不受固溶度和热平衡的限制。
注入离子在基体中进行原子级混合可以形成固溶体,新型高分子材料,获得用其它方法所不能得到的新材料。
(2)注入离子在基体中与基体原子混合,无明显界面,属于无界面高分子合金材料。
(3)离子注入一般在常温(或低温)下及真空中进行,整个过程是洁净的,没有环境污染,被注入高分子材料或器件不会变形,其表面不会产生氧化脱碳,能保持原有的尺寸精度及表面粗糙度。
(4)离子注入高分子是采用物理方法达到化学目的的手段,它可以进行任意元素的掺杂,且注入离子的能量和剂量可任意选择,不受化学方法中某些条件的限制,因而可迅速改变材料的组分与结构,导致材料化学与物理性能的改变。
(5)离子注入高分子技术控制的是电参量,人们可以自由地支配两个独立参量,从而能精确地控制掺杂的深度和浓度的分布,且掺杂均匀性好,重复性高,有利于大规模生产。
4．离子注入对高分子材料性能的影响4.1结构的变化由离子束轰击所引起的结构变化是物理、化学、力学等性能改变的基础。
据最新的研究表明,当高分子受到高能离子的注入后, 高分子中的大分子链发生3个主要的变化, 即链的断裂、不饱和键的形成以及链与链之间的相互交联。
在不同离子注入剂量下, 这3 种变化所占的比例是不一样的。
随着注入离子质量的增加, 大的原子核与高分子链节间的碰撞比例升高, 引起链断裂的比例升高; 随着注入离子能量及剂量的增加, 单位距离离子传递的能量增加, 这有利于链与链之间形成交联网状结构。
对这3种变化来说, 链的断裂使得分子间作用力降低,引起高分子材料的老化, 力学与电学性能会极大地降低。
而不饱和链及链链间交联的形成才是其电导率升高以及硬度增加的直接原因。
4.2 电学性能高分子的导电性一般都很弱, 源于高分子的共价键结构使得自由电子数目非常少和高分子中链与链之间存在的间隙, 这使得自由电子不能够自由穿流。
而在高能离子注入后的高分子中, 由于结构的变化有不饱和键形成, Π电子的大量存在, 使得载流子数得到极大的提高, 加上交联网络结构的形成, 使Π电子的流动能力得到了增强, 高分子中形成大的Π电子共轭体系, 电子能够自由地进行流动。
在对聚酰亚胺进行离子注入剂量2000nm- 2后，电阻值降低了3.33×1019倍。
对其它一些高分子进行类似的注入时, 在适当的注入剂量及工艺条件下, 导电性能也得到大幅度的提高。
4.3 力学性能高分子经过高能离子注入, 力学性能发生巨大的变化。
下表列出一些常见的高分子材料在一定流量的离子注入后硬度的变化情况。
由表中数据可以看出, 经过高能离子注入的材料, 硬度都得到了不同程度的提高。
在对这些改性后的材料用GPC (凝胶色谱)进行分析后, 均发现交联的大分子在结构中占很大的比例, 所以交联网状结构对材料的硬度起着决定性的作用。
但是, 至今交联密度与硬度间的关系尚未建立, 这将成为未来研究的热点。
在球盘式磨损实验机上用滚珠钢球或尼龙球对这类表面改性的高聚物材料做耐磨性能的实验, 发现在硬度得到提高的同时, 材料表面耐磨性也有了很好的改善。
而且在不同的注入条件下, 耐磨性提高的程度不同。
实验表明, 最佳耐磨值并不是在最高的注入能量及剂量下, 而是在中等条件下获得。
原因在于, 过高的能量和剂量极易使高分子表面局部交联程度过高, 在摩擦过程中已交联区和未交联区在边界上首先发生开裂, 而且交联程度过高又易造成表面的脆化, 这都使得耐磨值降低。
同时, 由于各种不同离子的质量不一样, 其注入效果也不同。
最新的研究发现, 多种离子的混合注入达到的耐磨效果要远远好于单一离子的注入, 这与不同离子注入层深度有着很大的关系。
4.4 对高分子材料生物相容性能的影响随着材料科学、医学修复等科技的不断进步, 具备生物相容性的高分子材料在生物医学领域发挥着越来越重要的作用。
理想的生物医学材料应当满足如下要求: 良好的生物相容性, 良好的抗凝血性,合适表面亲水性能, 较强的细胞特异性识别能力, 较强的消除非特异性识别能力,易于加工。
而目前使用的各种生物医学材料还不能完全满足以上要求。
研究表明,可以从两条途径着手来改善生物医学材料的性能, 一条途径是从材料的本体入手, 另一途径是从材料的表面入手。
因为与人体直接接触的是材料的表面, 而且研发新的本体材料难度较大, 因此利用表面工程的方法对生物医学材料进行表面改性是目前最经济有效的手段。
在生物医学材料表面改性的各种表面处理技术中, 离子注入是最成功的一种。
在神经修复领域, 人们用聚二甲基硅氧烷(PDM S)材料做成细管, 引导神经元的轴突在细管内自发生长,达到神经再生的目的。
研究表明,负碳离子注入可显著改变PDMS细管内壁吸附蛋白质的能力, 从而改变神经在细管内的生长能力。
生物细胞附着在高分子材料表面上主要是因为细胞外基质与材料表面之间的相互作用。
研究表明, 细胞外基质在聚苯乙烯、硅橡胶(PDM S)、聚赖氨酸材料上具有不同的附着能力, 且此附着能力可以被负碳离子注入改性。
5. 总结离子注入技术是一种用物理方法对分子聚集状态进行表面改性的有效手段, 其最大优点是可以不受基底材料固溶度的限制而任意注入所需要的各种离子。
高分子材料由于具有独特的性能已经在许多重要领域获得了广泛的应用, 但是其硬度低、耐磨性差等缺点又限制了高分子材料的更进一步应用。
将离子注入技术应用于高分子材料可以使高分子表面断链、交联,提高高分子表面的电导率、硬度、耐磨性、介电特性、光电导特性、生物相容性能, 使得高分子材料的应用领域大大扩展。
离子注入应用于高分子材料表面改性还是一门新兴的学科, 还有更多的领域有待发掘和探索, 随着研究的不断深入, 可以预期离子注入将在高分子表面改性领域发挥越来越重要的作用。
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