机械设计中的材料表面改性技术

严志云等：低温等离子体技术在聚合物材料表面改性中的应用　

低温等离子体技术在聚合物材料表面改性中的应用①　

严志－－Ｘ－Ｑ　刘安华　贾德民　

（华南理工大学材料科学与工程学院　广州５１０６４０）　

摘要综述了低温等离子体技术在聚合物材料表面改性中的应用研究进展，介绍了聚　

合物表面低温等离子体技术处理的特点以及在不同聚合物表面的低温等离子体技术处理　

方法及其应用。　

关键词低温等离子体，表面改性，聚合物　

０　引言　

随着聚合物制备技术的不断发展，其应用范围　也越来越广。但由于聚合物表面往往具有惰性，给　

聚合物的应用带来了一定的限制，因而必要时要对　

其表面进行改性。改性方法很多，如化学处理、电晕　

处理、等离子体处理等。等离子体技术是６ｏ年代才　

开始兴起的一门新的表面处理技术，其中低温等离　

子体在工业生产中得到了越来越广泛的应用。所谓　

等离子体表面处理，即利用等离子体中的活性粒子　

对材料表面进行改性，如高分子片材、薄膜、纺织品　以及生物材料的表面改性ｌｌｊ，可以有效地改变材料　

表面的表面自由能、粘接性能、染色性、回潮率等表　

面性能以及生物相容性能，而材料的本体性能几乎　无变化［２ｌ。　

１　低温等离子体技术的特点　

等离子体是由部分电离的导电气体组成，其中　

包括电子、正离子、负离子、基态的原子或分子、激发　态的原子或分子、游离基等６种类型的活性粒子。　等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。高　

温等离子体是由稠密气体在常压或高压下电弧放电　

或高频放电而产生，体系中电子温度和气体温度接　

一　近相等，约３００～５００Ｋ，常用于无机合成和有机物裂解反应的高温热源。低温等离子体则是由稀薄气体在低压下用激光、射频或微波电　源激发辉光放电产生

电子温度　裔３００～５００００Ｋ，而气体温度很低，大　致在室温至上百摄氏度。在高分子材料表面改性中　主要是利用低温等离子体中的活性粒子轰击高分子　

材料表面，使材料表面分子的化学键被打开，并与等　

塞昼堡竺！堡　竺塞　堡垫　垄塑　室亘堕堡主　窒　电工材料２００８　Ｎｏ．３　

低温等离子体技术在材料表面改性中的应用　

唐恩凌　，张　静２ａ刘明石　

（１．沈阳理工大学装备工程学院，沈阳　１１０１６８；　

２．中国石油锦西石化公司ａ．研究院；ｂ．碧海公司，辽宁葫芦岛　１２５００１）　

摘要：概述了离子注入、离子刻蚀、离子束沉积等离子体表面处理技术的基本原理和最新进展，重点介　

绍了低温等离子体表面改性技术在电工和微电子设备中的应用。　

关键词：等离子体技术；表面改性；应用；材料　

中图分类号：ＴＭ２０５　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７１—８８８７（２００８）０３—００３８—０４　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌｏｗ・ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｌａｓｍａ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｉｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｍ０ｄｉｆｉｃａｔｉ０ｎ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　

ＴＡＮＧ　Ｅｎ－ｌｉｎｇ‘，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉｎｇ　，ＬＩＵ　Ｍｉｎｇ・ｓｈｉ　

（】．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｌｉｇｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０１６８，Ｃｈｉｎａ　

２．ａ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　０ｆ　Ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ　Ｊｉｎｘｉ　Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏ．．Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｈｕｌｕｄａｏ　１２５００１．　

Ｃｈｉｎａ　ｂ．Ｂｉｈａｉ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　Ｐｅｔｒｏｃｈｉｎａ　Ｊｉｎｘｉ　Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏ　

Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｈｕｌｕｄａｏ　１２５００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　

ｐｌａｓｍａ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｉｏｎ　ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ。ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ，ｉｏｎ　ｂｅａｍ　

离子注入技术在材料表面改性中的应用及研究进展

作者：任洪涛

来源：《科学导报·学术》2020年第24期

摘 要：离子注入技术是在固体中引入掺杂剂离子的一种材料改性方法，它能有效改善材料的表面性能。本文分析了离子注入技术在材料表面改性中的应用及发展趋势。

关键词：离子注入;表面改性;发展趋势

离子注入技术是通过加高电压将工件（金属、合金、陶瓷等）放入离子注入机的真空靶室中，将所需元素的离子注入工件表面的过程。离子注入后，在材料表层增加注入元素及辐照损伤，以使材料的物理化学性能发生显著变化。

一、离子注入技术的应用

1、离子注入金属材料。带MEVVA（金属蒸汽真空弧）源的金属离子注入机的出现，克服了金属熔点高，难以气化及难获得强金属离子束流的缺陷，它不仅能提供Ti、V、Ni等多种离子束，还能通过采用化合物与合金弧光放电阴极材料产生各种高能量复合离子束，使金属离子注入深度超过离子射程所能达到的深度。因此，高能金属离子注入材料表面后将通过替位原子固溶强化、位错强化、替位原子与间隙原子对强化、细晶强化、辐射相变强化、结构差异强化、溅射强化和自润滑机理提高材料的表面耐磨性。

有学者使用MEVVA离子源注入机把102 keV的Co、Ti离子在不同剂量下分别注入H13钢表面的研究表明，金属离子注入能使钢表面硬度提高15%～50%。基底抗磨特性明显改善。在较高注入剂量下，钢表面摩擦系数下降65%，磨损率降低50%。韧性与弹性提高，使其具有良好的自修复能力。同时，把Ti、Mo、Co和V离子在相同参数下分别注入钻头表面，发现几种金属离子注入均使钻头表面硬度显著提高，红硬性与钻削效率更好。其中，V离子注入效果最明显，在较低注入量下就可明显延长钻头使用寿命，提高生产效率。

此外，在Zr+、V+注入Al，其表层形成DO23-A13Zr、L12-A12Zr、A110V和Al3V等化合物，使Al表面硬度和彈性模量明显提高，抗磨性变好。Sb在Al中溶解度小于0.1at%，在很低注入剂量时就能吸出A1Sb第二相，提高材料的耐磨性与抗氧化性。在Sn、Pb、Mo、Co等金属离子注入钢中，都可使钢的表面摩擦因数显著降低，从而提高其耐磨性。

1. 6061 (国产以镁和硅为主要合金元素的铝合金)

大约动态价格(目前采购价-下同): 55-65元/kg

中等强度(бb≮270Mpa),抗腐蚀性和机加工性好,质轻.

基础件、支承件和结构件等一般零件的材料均可选用6061.

6061可以视情况作以下表面处理:

(Ⅰ). 沉镍: 可提高表面硬度(热处理前为HV400-440即相当于HRC42-55)和光洁度.也就提高了耐磨性和抗腐蚀性. 沉镍厚度一般在4-8μ.

表面沉镍可以是光亮的、半光亮的和无光泽的.

(Ⅱ). 阳极氧化:也可提高表面硬度(达HV400-440即相当于HRC42-55) 和抗腐蚀性.黑色阳极氧化还有装饰效果.但表面的色泽一致性和导电性较沉镍差.

阳极氧化又有以下四种供选择:

1). 阳极本色氧化(简称 “氧化白”) 厚度一般在8-15μ

2). 阳极黑色氧化(简称 “氧化黑”) 厚度一般在20-30μ

3). 硬质阳极氧化(简称 “发硬白”) 厚度一般在12-20μ

4). 硬质阳极氧化黑(简称 “发硬黑”) 厚度一般在20-30μ

2. 6063 (国产以镁和硅为主要合金元素的铝合金)

大约动态价格: 30元/kg;

除了强度(бb≮200Mpa)稍低外,其余性能和表面处理与6061同,但由于其产量大而价格优势明显,一些不重要的零件在满足强度的条件下应优先选用6063来替代6061 .

3. 7075 (国产以锌为主要合金元素的铝合金)

大约动态价格: 65元/kg

与6061相比,这是一种高强度铝合金(бb 为其的2倍),可淬火处理,但塑性较低. 其余性能和表面处理与6061同. 在强度方面要求比6061高的零件可选用.

4. 2A12 (即老标准的LY12) 国产以铜为主要合金元素的铝合金

大约动态价格: 35元/kg