等离子体技术在金属材料表面改性中的应用

陈 楠，王 蕊，王 蕾

（长春电子科技学院，吉林 长春 130000）

随着工业化生产技术的发展，生产工业产品所必需的原材料种类越来越多。为了更好地满足耐磨、耐高温、耐腐蚀等各种特殊要求，必须不断开发与众不同的设计方案。但此类合金产品通常非常昂贵。因此，尝试应用不同的表面技术在一般原材料的表面生产、生产电镀、生产铺展层以改变表面的特性使其融入复杂的办公环境。此外，常见的缺陷如损坏和侵蚀等首先发生在原材料表面。基于原材料的有效表面处理，可以大大提高原材料的使用寿命。

1 等离子体技术介绍

以电离状态存在的气态物质被称为等离子体，此种气态物质的正负电荷粒子数相等，同固态、液态和气态并存，因此也被称为物质的第四态。等离子体的获得通过放电或加热来实现，在足够能量的获得之下实现气体分子或电子向自由电子的转变，正负离子是等离子体最典型的特征，因此可以作为中间反应介质促使化学反应发生。另外，等离子体是一种优良的导体，在化工控制的过程当中起着十分积极的作用。

1.1 等离子技术定义

工业化的快速发展和科技进步，国家对原材料制定了越来越高的法规，极大地促进了原材料表面改性材料的技术发展。其中，等离子体技术的表面改性材料技术备受关注。等离子体技术的第4种情况是指部分或完全水解的蒸汽。超低温等离子体技术是指直流电源电弧充放电、电弧放电、微波加热充放电和频率注入充放电标准引起的部分水解蒸汽。因为电子的质量远低于正离子，因此，电子设备的温度可以从几万度到几十万度不等，远远超过正离子的温度（甚至室内温度）。超低温等离子体技术中的粒子种类很多，除了电子器件和水解引起的正离子外，还有许多中和的粒子，如分子、分子结构和氧自由基。因此，粒子之间的相互作用更为复杂，包括电子器件-电子器件、电子器件-中和粒子、电子器件-正离子、正离子-正离子、正离子-中和粒子等。在如此复杂的物理系统软件中，由于电子器件、正离子、刺激分子、氧自由基的存在和相互影响，一般可以做到一切正常标准下难以做到的事情。

1.2 等离子技术分类

等离子技术是一种非关键的准中性系统软件。它们由许多正负自由电荷和中和粒子组成，具体表现出人群的个体行为。它是化合物的基本方法之一，是除固体、液体和蒸汽之外的第4类化合物。其主要特点是：粒子全过程提高库仑相互作用，等离子运动与电磁场运动紧密相连，具有多种精英团队功能和精英团队锻炼方式。等离子体按温度可分为热循环和非热循环。当电子元件温度等于共价键温度和粒子温度时，等离子体处于热循环时，称为平衡等离子体技术。由于其温度高于500 K，故又称为高温等离子体技术，称为非平衡等离子体技术时，其电子元件的温度为104K，其共价键和中和分子式的温度低至300～500 K，因此也称为低温等离子体。应用等离子体的专业性因其特性而异，高温等离子体在技术上利用等离子体的物理特性；低温等离子体技术在技术上是利用具有较高动能（0～20 eV）的电子元件参与物理化学反应。从物理学的全过程来看，很多一般蒸汽和高温等离子体技术无法解决的问题用低温等离子技术都可以解决。由于高温等离子体技术中电子元件的温度与蒸气（共价键）的温度处于平衡状态，因此电子元件的温度不仅高，重粒子的温度也高。在这个温度下，很难达到对原材料表面进行改性的目的，甚至会破坏板材的原材料。因此，超低温等离子体技术的关键技术是对金属复合材料的表层进行改性[1]。

1.3 等离子技术应用领域

1.3.1 机械制造业

等离子技术当今已经被广泛应用于机械制造行业，其中最典型的就是等离子射流喷涂技术，该项技术通过直流压缩电弧产生电子和离子束流放出巨大的热量，产生高温高速喷射电流。在此基础之上能够将各种金属、非金属以及陶瓷粉末等迅速融化，并通过极快的速度喷涂在机械工件表面形成涂层。相比电镀层、电刷层而言，等离子喷涂耐磨、耐热、耐腐蚀性更佳，同时具有抗高温、氧化以及隔热的特点，能够实现更为全面的覆盖，涂层更薄但质量和密度更具优势。采用等离子射流对机械部件进行喷涂为关键零件穿上了理想的保护外衣，但并不会影响材料本身的金相组织以及机械性能。

1.3.2 电子行业

当前等离子技术在电子行业上也实现了广泛的应用，最常见的就是等离子显示技术，等离子显示技术是一种自发光的显示技术，因此并不需要背景光源，也没有LCD显示器视角和亮度显示不均的现象产生。等离子显示器的主要原理在于等离子面板对一系列像素的拥有，这像素为红色、绿色和蓝色，在等离子状态下发生灵光体反应被用于阴极射线管装置，能够产生更加丰富的动态颜色。在等离子显示器中，三基色共用一个等离子管，避免了聚焦和汇聚问题，图像更加清晰，保真度更高，另外等离子显示器的应用不会产生X射线辐射，所以真正称得上绿色环保显示产品。

2 等离子体技术在金属材料表面改性中的应用

在工业生产中，金属是各种零部件的主要原材料，不过金属零部件在使用的过程中有着巨大的失效形式，最常见的是磨损、腐蚀以及断裂，而伴随着失效性的增加不仅产生了巨大的能耗，而且在更换维护的过程中更是提高了生产运营成本，因此想要改变该种状况还需从根本上解决问题，必须对金属材料表面进行改性和强化，提高其刚性硬度，提升耐磨性和耐腐蚀性。想要实现金属表面性质的改变，合金化是有效的措施之一。金属表面合金化的原理主要是利用不同金属组元之间溶解和反应的关系，使其形成全新的固溶体以及机械混合物等，通过扩散、渗透以及物理吸附化学变化等形式促使其表面原子以及晶体结构发生改变。

常见的金属表面合金化形式有塑化、固溶化以及制备复相合金等方式，近10年来，等离子体技术被广泛用于改变金属复合材料的表面特性。等离子技术是一种超低温等离子技术应用，它利用蒸汽与钢的异质相互作用来改变金属复合材料的表面特性，即利用等离子技术对金属复合材料的表面进行处理，或引起涂层或熔合层，进而改变其特性整体面层，使其融入复杂的工作环境，进一步提高原材料的使用寿命。可以说等离子技术在金属材料表面改性中的应用，不仅实现了产品性能的改变，提高了生产效率，同时也开创了全新的应用领域，能够取代昂贵的整体合金，实现材料的节约和成本的降低。

2.1 反应装置

根据主要用途的不同，超低温等离子技术管式反应器有多种形状和规格，关键可分为2种，即扩散系数管式和钟罩式。在这2种情况下，原料气由真空泵从一侧送入管式反应器，从另一侧排出，反射面室保持13.33～133.3 Pa的低压。工频开关电源电平根据配对上网完成，有2种方法可以给电平添加高频动能，优点是不易蚀刻电平，不易在极板上堆积产物。内部电平式是一种密封反应室内电平的方法。当电极未及时清洗时，内电极模式在放电稳定性和电能效率方面比外电极位置更有利。利用高频动能的目的是消除等离子体技术中自由电子的分离，获得一个均衡的等离子体技术领域。尤其是13.56 MHz频段，极易与真空泵蒸气耦合，产生稳定的电源电路，方便实际操作，这是最常见的频率。内级管式反应器也可以通商用交流电，但由于正离子被加速，在直流充放电周围产生等离子技术标准，等离子技术水平之间失去对称性。

2.2 改性原理

超低温等离子体技术在金属复合材料表面改性中的应用，是一种非均相气固两相流反射等离子体技术。2种或2种以上的蒸气在等离子技术中反映产生新的固体和蒸气，在等离子技术中称为有机化学液相的积聚。等离子技术是利用等离子技术将金属表面转化为不同的塑料薄膜，进而获得不同分子结构、成分和片材特性的涂层，进而在金属表面开发改性材料。其基本原理是利用等离子技术引起的电子器件、正离子和氧自由基与液相中的单分子结构发生碰撞，使单分子结构被搅动，然后单次非活性碰撞引起链增长。当2条生长发育链发生碰撞时，它们失去了生命力，链生长终止，不会产生细小的球形粉末。它在板材表面缓慢积聚，然后在板材表面与单代反应生成塑料薄膜，产生涂层。固态与蒸汽相互作用，在固态表面产生新固态的整个过程，称为表面等离子体技术的技术传播。该方法利用等离子技术通过金属或非金属材料的共价键在金属表面形成复合扩散层。金属或非金属材料的共价键根据铺展层铺展到金属复合片上，然后在金属表面改性工程塑料。基本概念是等离子体中的共价键根据等离子体场上的电位差加速，与固体表面层碰撞，被固体表面层消化吸收，然后在固体表面层结合形成稳定的分子式官能团，形成复杂的融合层，吸附在固体表面层的分子结构中，按层铺展为原料的固态。

2.3 金属离子注入技术用途

金属复合材料的超低温等离子体技术表面改性方法包括等离子体技术表面扩散和等离子体技术有机化学液相堆积。2种方法各有特点。等离子体技术有机化学液相积累具有较高的个体选择性，可以赋予表面多种功能，而等离子体技术表面扩散过程更方便。在金属表面进行低温等离子渗氮的技术称为等离子渗氮。低温等离子磷酸盐可以进一步改善金属表面的物理性能。由于离子注入技术的突出特点，可以将金属复合材料引入到电导体以及导体和绝缘体中，以改善制品表面，增强制品表面的耐磨性、抗压强度和润滑性。如果将离子注入和多正等离子喷涂工艺合二为一。可以去除塑料薄膜和纸板之间的缺页，以进一步提高塑料薄膜的附着力。因此，该技被术广泛应用于航空、航天、精密机械设备、表面处理、驱动动力、动力、诊疗等领域。

原材料和非反射气体等离子技术产生反射，使原材料表面哑光，并引入一个充满活力的生态系统。但这种转变通常是不稳定的，会随着时间的变化而减弱。不稳定的原因可能有很多，例如，光学活性官能团在与周围残基相互作用时失去活力，活性官能团反映生成稳定的网络结构并转移光学活性官能团。超低温等离子体技术中成分极低的整体靶活性材料在整个材料改性过程中起着非常关键的作用。既然电子器件的运动速度比正离子快很多，那么等离子技术中改性材料化学物质的表面电位相对于等离子技术的电位差是否为负，这被称为水的浮力。快速电子器件被搅拌以反映分子结构并水解它们或将它们转化为氧自由基碎片。共价键继续用负电子对工程塑料表面进行改性，极大地损害了表面的化学变化。沉积和蚀刻是一对相反且同时发生的化学反应，它们在待处理材料的表面上作用等离子体。正离子和中性原子可以与被处理材料表面的某些基团结合形成小的挥发性颗粒，从而腐蚀被处理材料的表面。中性原子和其他自由基可以在处理过的材料表面形成沉淀层。蚀刻工艺积累所反映的相对抗压强度是由等离子技术中分子氧自由基的相对组成决定的。这2种反应都受到负电子表面共价键动能的危害。化学反应速率是否随着正离子动能的增加而增加，其中，蚀刻加工化学反应速率的增加更为显著。根据等离子体技术主要参数的调整、管式反应器的设计、塑料薄膜位置的解决等，分子氧自由基的相对组成和表面负电子的正离子能量。等离子技术可以合理改变，蚀刻和沉淀反应的相对强度因此被修改。

3 等离子体技术在金属材料表面改性中的发展与不足

当前利用低温等离子技术对金属表面进行处理有着高效低温、可批量生产的优点，已经被广泛应用到众多学科领域，尤其在机理、工艺以及装备方面取得了重大的发展和突破。不过当前等离子体技术在金属表面改性中的应用主要依靠低温处理，但在研究层面，对于等离子体产生的处理机理以及规律尚未实现深度扩张，更多研究领域依旧停留在定性水平上。而且在对等离子实现诊断的过程中以及处理技术依旧不够成熟，在国外研究领域，离子体表面扩渗以及等离子体CVD法方面的研究更为深入，而中国低温等离子技术起步较晚，对于处理设备投资大成本高以及处理技术的成熟度上还存在着一定的不足，急需提高。但经过一段时间的发展和探索已经取得了一定的突破。早在20世纪80年代初期，中国就已经成功运用离子体CVD法实现了离子镀膜的工作。

在未来，利用低温等离子技术对金属表面进行处理主要的发展方向是实现基础性研究的递进，通过对其反应机理的研究，掌握其反应规律，同时开拓出全新的应用领域。不过在整个研究的过程中，应该充分重视实验设备的应用结合诊断检测工作，促进整个开发研究工作的完善性和科学性。另外加强技术研究增强其经济可行性也是未来等离子技术在金属表面改性应用当中的主要研究方向之一，就目前的方向来看，等离子技术可行性较高，但成本上难以控制，所以如何以最经济实惠的方式展开应用推广是等离子技术研究的重点[2]。实际上，等离子技术的研究并非一蹴而就，整个过程需要找准方向选用适当的研究对象和方法开展持久性研究，充分将研究机理理论结合应用实际实现市场转换，在此基础之上的等离子技术一定会在金属材料表面改性中发挥深度优势，实现更多领域的渗透。

4 结语

超低温等离子技术表面改性工程塑料具有优质、高效、环保、节能等特点，具有广阔的应用前景，已应用于仪器设备、仿真套管、航空航天等行业。它可以快速、高效、无污染地改变各种纺织材料的表面特性，它不仅可以改善纤维材料在一定的自然环境中的特性，还可以扩大传统纤维材料的应用范围。因此，它激发了来自世界各地的科研工作者的兴趣。同时，应该寻求针对不同标准下的纤维材料开发等离子技术解决方案，以改善不同地方原材料的特性，并且应该科学地研究和模拟模拟聚合物原材料表层的等离子体技术的相互作用。它为具有特殊功能的定量分析设计方案和表面成形操作提供了理论来源。超低温等离子体技术被广泛应用于金属复合材料、纤维材料和新型微生物功能材料的表面改性材料中，部分产品已建成投产。虽然超低温等离子技术在原材料的表面改性材料中的应用越来越普遍，但不同粒子与表面的相互作用机制仍不清楚，未来仍需要更多的研究去分析探索。