等离子体表面改性技术的研究与发展

等离子体表面改性技术的研究与发展

摘要本论文介绍了等离子体的相关概念，主要阐述了低温等离子技术在金属材料表面改性中的两种处理方法。并对等离子体电解沉积技术做了简要介绍，分析了该技术的应用前景及存在的问题。最后对等离子体表面改性技术的发展做出展望。

关键词等离子体；表面改性；等离子体电解沉积技术

Development of Plasma Surface Modification Technology

Abstract ：The relate concept of plasma the means on application of cold plasma technology to surface modification of metal in this paper. This article also introduce Plasma electrolysis deposition technology, the problems and development directions of PED in the surface modification technology arc also presented. The prospects of plasma surface modification technology is also analyzed.

Key words ：plasma，surface modification，plasma electrolytic deposition

0. 前言

金属零部件的磨耗量是增大能耗，增加零部件更换率和提高生产运用成本，降低生产效率的重大问题，因此如何提高零部件表面的耐磨性，实施表面改性处理是十分重要的课题。随着科学技术和现代工业的发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高，对摩擦、磨损、腐蚀和光学性能优异的先进材料的需要日益增长，这导致了整个材料表面改性技术的发展与进步。其中等离子体表面改性技术发挥了重要作用。

等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，同时开创了一门新的研究领域。这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。正是这种广泛的应用领域和

巨大的发展空间使等离子表面处理技术迅速发展起来。

1. 概述

1.1 等离子体

等离子体(plasma)一词最先出现在19世纪30年代Langmuir的物理文献中。用它来表示气体放电中正负电荷相等而呈电中性的区域。更早可追述到1879年不列颠协会的威廉·克鲁克斯(Willamcrooks)，他在做气体导电实验时确认放电管中存在物质的第四态(等离子体)。[1]

等离子体是一种电离度超过0.10%的气体，是由离子、电子和中性粒子(原子和分子)所组成的集合体。等离子体整体呈中性，但有相当数量的电子和离子，表现相应的电磁学等性能，如等离子中有带电粒子的热运动和扩散，也有电场作用下的迁移。等离子体是一种物质能量较高的聚集状态，它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，所以被称为物质的第四态。其主要特征是：粒子间存在长程库仑相互作用，等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体效应和集体运动模式。

1.2 等离子体的分类

等离子体的分类方法很多，按温度可将等离子体划分为热力学平衡态和非热力学平衡态等离子体。

当电子温度与离子温度、中性粒子温度相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡态等离子体。因其温度一般在5×103K以上，故又称其为高温等离子体(Thermal Plasma)。高温等离子体的温度可以高达l06K~l08K，在太阳表面、核聚变和激光聚变中获得。

当电子温度大于离子温度时，称之为非平衡态等离子体，其电子温度高达104 K以上，而其离子和中性粒子的温度却低至300~500 K，因此，整个体系的表观温度还是很低的，故又称之为低温等离子体(Cold Plasma)。低温等离子体又包含热等离子体和冷等离子体，其中热等离子体一般为稠密等离子体，而冷等离子体一般为稀薄等离子体。

高温等离子体技术主要利用等离子体的物理特性，由于高温等离子体的电子温度和气体(离子)温度达到平衡，不仅电子温度高，重粒子温度也很高，在此温度下，难以实现材料表面改性的目的，甚至会损坏基体材料，故在金属材料的表面改性中主要利用低温等离子体。[2]低温等离子体技术则利用其中的高能电子参与形成的物理、化学反应过程。通过这些物理化学过程可以完成许多普通气体及高温等离子体难以解决的问题。

1.3等离子体技术的应用

等离子是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质，这种电离气体是由原子、分子、原子团、离子和电子组成。根据其中存在微粒的不同，其具体可以实现对物体处理的原理也各不相同，加之输入气体以及控制功率的不同，都实现了对物体处理的多样化。并且各种粒子在对物体处理过程中所表现出来的作用也各不相同的，原子团（自由基）主要是实现对物体表面化学反应过程中能量传递的“活化”作用；电子对物体表面作用主要包括两方面：一方面是对物体表面的撞击作用，另一方面是通过大量的电子撞击引起化学反应；离子通过溅射现象实现对物体表面的处理；紫外线通过光能使物体表面的分子键断裂分解，并且增强穿透能力。

粒子作用在物体表面可以实现物体的超洁净清洗、物体表面活化、蚀刻、精整以及等离子表面涂覆。使得等离子表面处理技术在材料科学、高分子科学、生物医药材料学、微流体研究、微电子机械系统研究、光学、显微术和牙科医疗等领域得到广泛应用。尤其在粘接材料、纺织纤维材料和金属材料等的改性中的应用更为可观，本论文主要介绍等离子技术在金属材料改性中的应用。

2. 低温等离子体表面改性处理方法

表面改性技术（surface modified technique）是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理（渗氮、渗碳、渗金属等）；表面涂层（低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等）和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命。

低温等离子体对金属材料的改性处理可以分为低温等离子体涂覆，低温等离子体表面扩渗两种方法。

2.1 低温等离子体涂覆改性（PCVD）

将低温等离子技术应用于化学气相沉积（CVD），强化了化学反应过程，使气相沉积技术得到了新的发展，这种技术简称为低温等离子体化学气相沉积(PCVD)。PVCD是一项表面改性新工艺，已引起了人们的极大关注。PCVD法就是将反应气体(一般两种以上)通入反应室内，然后辉光放电产生高能粒子，这些粒子将击断气体分子的化学键，使气体分子分解，进而开始化学反应生成所需的固体产物并沉积在基体表面上。

2.1.1 改性原理

其中等离子体与金属材料发生的反应如下：

A(g) + B (g)—C (s) + D (g) [2]

两种以上气体在等离子体态反应，生成固体和新的气体。在等离子体中生成的电子、离子、自由基等与气相单体分子碰撞，使单体分子激发活化，随之与未活化的单体碰撞发生链增长，当两个正在增长的链相碰撞时就会失去活性，则链增长终止，终止反应形成微细的球状粉末，逐渐在基体材料表面沉积，在基体材料表面上再与吸附的单体反应，生成薄膜而形成涂覆层，以获得晶体结构、化学成分和性能有别于基体材料的涂覆层，从而使金属表面改性。

2.1.2 PCVD的应用

利用等离子体与反应气体可以形成许多薄膜，如SiC、SiN、TiN,、TiNC、TiC等等，这些薄膜具有各种性能，如高硬度，耐磨，耐蚀，防潮等等，从而使

基体材料的性能得到改善。其中，由于TiN薄膜具有金黄色外观和较高的硬度，近年来，人们对TiN膜的研究较多。

用PCVD沉积TiN时，使用的气体是HZ 、NZ 、TiCl4等，这些气体在600℃以下便可在工件表面形成TiN涂层。用PCVD TiN成膜温度低，沉积速率高，沉积层结合力强，膜层具有高硬度，从而大大提高了工件的耐磨性，并具有耐腐蚀、抗高温氧化的特性。

在一定条件下，利用PCVD法使低碳烃气体发生等离子体聚合，还可以制得具有金刚石结构的碳薄膜。金刚石结构的碳薄膜电阻率大，是绝缘体，但导热系数与金属相近，故可作为IC或半导体激光元件的受热器等的绝缘薄膜；该膜透明，折射率大，可用于各种光学零件；硬度也大，可应用于工具表面的硬质膜涂层、固体润滑膜涂层、X射线掩蔽基板等。在硬质合金刀具上涂覆类金刚石薄膜1~5um，硬度可达原刀具的5倍，寿命提高3~5倍。

2.2 等离子体表面扩渗

低温等离子体与金属材料发生的另一反应如下：

A(g) + B (g)—C(s)

反应为固体和气体反应，在固体表面生成新的固体的反应，称为等离子体表面扩渗，它是利用等离子体使金属或非金属离子在金属表面形成化合物扩散层，金属或非金属离子通过扩散层向基体金属内部扩散，从而使金属表面改性。

其原理为等离子体中的离子通过等离子体场中的电位差而被加速，打击固体表面，被固体表面吸附，在固体表面再结合生成稳定的分子基团，形成化合物扩散层，固体表面吸附的分子通过扩散层向固体内部扩散。

利用低温等离子体技术在表面扩渗最常见的有渗碳、渗氮和碳氮共渗处理，通常所用的技术为等离子体电解氧化技术。[2] 此技术在下文中会作介绍。

2.2.1 低温等离子体氮化

利用低温等离子体技术在表面渗氮的方法，可以显著提高金属材料表面的力学性能。与其他氮化技术相比，其优点在于：①等离子体氮化能较好地控制工件表面的成份、结构和性能。氮化后不会产生脆性的混合相。对于有色金属材料、

铸铁和合金钢来说，这是极为有利的。②低温等离子体氮化可在低于常规氮化的温度下进行，从而可以保持工件本体性能不变。③低温等离子体氮化过程所排放的气体无毒非爆，无环境污染。④低温等离子体氮化处理使工件表层的尺寸稳定性极好，没有脆性化合物剥落的倾向，也没有表面变粗的迹象。所以，低温等离子体氮化后，无需精磨或抛光就能直接使用。

等离子渗氮工艺的应用已很普遍。不锈钢工件在低温等离子体氮化后能提高表面硬度和耐磨性，而耐蚀性损失很小或几乎没有损失。大多数铝合金也可以进行低温等离子体氮化，但附着在铝件表面的氧化铝层对氮化起阻碍作用，不过可在氩等离子体中处理除去这一阻挡层。在模具方面的应用最为广泛，如3Cr2W8V 钢压铸模、Cr12MoV钢压延模、M2钢冷挤压模、SCrMnMo钢热锻模经离子渗氮处理后的寿命一般可提高2--4倍。

2.2.2 低温等离子体渗碳

等离子休渗碳改性技术具有气体渗碳法难以得到的优良特性。其特点在于：①不产生晶界氧化。区别于一般常规气体渗碳在含有氧的气氛中进行，等离子体渗碳中，工件是在真空中加热的，因此，在工件的表面不会产生由氧化反应而引起晶界氧化，使疲劳强度、耐热性降低等。②表面含碳量易于控制。

等离子渗碳工艺是目前渗碳领域中较先进的工艺技术，是快速、优质、低能耗及无污染的新工艺。等离子渗碳具有高浓度渗碳、高渗层渗碳以及对于烧结件和不锈件钢等进行渗碳的能力。渗碳速度快，渗层碳浓度和深度容易控制，渗层致密性好。渗剂的渗碳效率高，渗碳件表面不产生脱碳层，无晶界氧化，表面清洁光亮，畸变小。处理后的工件耐磨性和疲劳强度均比常规渗碳高。

2.2.2 低温等离子体碳氮共渗

由于低温等离子体渗碳过程是低压供气，因此与常规气体渗碳相比，等离子体渗碳可瞬间更换反应室内的反应气体。这样就可通过多次循环渗碳渗氮处理，形成碳氮复合硬化层。氮化可以补充单靠渗碳所得不到的硬度，而渗碳可以来补充需要长时间氮化才能得到的深度，以满足零件要求的性能。如果能有效地利用氮的等离子体，即使在650℃左右，也可以进行淬火硬化处理(含氮马氏体组织)。

3. 等离子体电解沉积技术

等离子表面处理已被广泛应用于改善工具和工业组件的表面性能上，而等离子体电解沉积技术是一种新兴的快速表面改性技术。在特定的电解液中，如果阴阳两极间的电压超过一定范围，就会发生电解现象，这类电解可以称为等离子电解。等离子体电解沉积(Plasma electrolysis deposition，即PED)技术包括等离子体电解氧化(Plasma electrolysis oxidation，即PEO)和等离子体电解渗透(Plasma electrolysis saturation，即PES)。它们是根据被处理材料的不同而划分的。对Al、Mg、Ti等有色金属及其合金材料的处理，应用的是PEO；对钢铁材料进行处理主要使用PES。[6]

3.1 等离子体电解氧化技术(PEO)

等离子体电解氧化技术又称微弧氧化，是一种新兴的能够在轻金属材料表面原位生长具有耐腐蚀、耐磨损性能陶瓷膜的环境友好的表面改性技术。

3.1.1 PEO工作原理及特性

PEO基本工作过程为：将待处理的材料浸入特定的电解液中作为一个电极，另有一个金属电极作为对应电极，在两极之间施加电压，将作用区域由普通的阳极氧化的Faraday区域引人到高压放电区域，同时伴随有弧光产生，此时电极在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下生成陶瓷膜层。

PEO克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提高了膜层的综合性能，使其具有特殊的结构和特性。PEO所用电解液一般为碱性电解液，不含有毒物质和重金属元素，对环境污染小、处理能力强、不需要真空或低温条件，且可调整工艺参数获得不同特性的膜层以满足不同需求。还可以采用不同的电解液对同一工件进行多次PEO处理，以获取具有多层不同性质的膜层。

3.1.2 PEO技术在材料改性中的应用

等离子体电解氧化技术作为一种新兴的表面处理技术，正日益受到人们的重视。通过该技术制备的陶瓷膜具备了阳极氧化膜和陶瓷涂层两者的优点，因此该技术在机械、汽车、国防、电子器材、航天、航海及建筑等领域有极其广阔的应用前景。目前，等离子体电解氧化技术已应用于轿车的发动机壳体、镁合金高压热水交换管、铝合金微型冲锋枪托架、铝合金发动机缸体等的表面处理。在军工方面，如耐高温的炮膛日、弹体等，等离子体电解氧化技术已经应用其中。

3.2 等离子体电解渗透（PES）

等离子体电解渗透基本工作过程与PEO相似，电极在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下生成渗透层。

利用等离子体电解渗透技术可以实现渗N、C及C-N共渗过程。其电解液的选择比较简单，通常由有机化合物、易溶盐和水三部分组成，常用的有机化合物有甲酰胺、尿素、乙醇胺等，作为电解质可以分别实现渗氮、渗碳和碳氮共渗。其制作工艺也非常简单，具体工艺流程如下：试样打磨——丙酮擦洗——等离子体渗透——水洗——酒精擦洗——自然干燥。

3.3等离子体电解沉积技术的展望

等离子体电解沉积技术方法在轻金属表面制备陶瓷涂层，其在机理、工艺、装备等方面都取得一定程度的发展与突破，所制备的涂层硬度高，摩擦磨损性能优良，耐腐蚀，耐高温、与基体的结合力强，在工业上有应用前景。但对电弧寿命、强度、温度等参数的控制尚需进一步研究。并且，PED方法对钢铁的处理，还处于探索阶段。通过努力，相信等离子体电解沉积技术在金属材料表面改性中会有更为广阔的应用。

4. 结束语

利用低温等离子体技术对金属材料进行表面改性是一种新兴的表面改性方法，具有高效、低温、无视线过程、可批量生产等优点。并且，其工艺过程简单，工艺参数易于控制，无环境污染，能实现对复杂工件的大面积改性处理且改性效果良好，有广阔的应用前景。近年来发展很快，中国的等离子体工艺研究相对来说还比较分散和薄弱，宜集中力量，联合攻关。在理论和技术突破后，该技术必将会大规模推广到工业生产中，会在提高金属材料的表面性能开创金属材料新的应用领域方面发挥非常重要的作用。

参考文献：

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【2】朱元右. 低温等离子体在金属材料表面改性中的应用. 2003

【3】王金双，赵步青，陆臻. 等离子体表面改性技术及其应用. 2001

【4】金允文. 浅谈表面改性技术. 2000

【5】李敏，李惠东，李惠琪，孙玉宗. 等离子体表面改性技术的发展. 2004

【6】张荣，马颖，都远. 等离子体电解沉积表面技术及其发展. 2008

【7】王丽，付文，陈砺. 等离子体电解氧化技术金属材料表面改性的研究进展. 2011 【8】刘耀辉，李烦. 微弧氧化技术国内外研究进展. 2005

【9】王卫锋，蒋百灵，时惠英. 镁合金微弧氧化深色陶瓷膜制备及耐蚀性研究. 2007 【10】赵文轸. 材料表面工程导论. 西安交通大学出版社

【11】阎洪. 金属表面处理新技术. 冶金工业出版社

【12】聂学渊. 快速表面技术研究. 金属热处理

粉体表面改性设备介绍

粉体表面改性设备

中国粉体表面改性设备种类很多，例如高速混合机、捏合机、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机等，但这些设备大多从化工机械借用过来。存在许多严重问题，针对这些问题，近年来有了许多改进和进展，本文重点介绍引进国外机型和对高冷搅机组进行的改进。 现状粉体表面改性设备，主要担负三项职责，一是混合，二是分散，三是表面改性剂在设备中熔化和均匀分散到物料表面，并产生良好的结合。由于混合物的种类和性质各不相同，混合、分散和表面改性要求的质量指标也不相同，因而出现多种性质不同的改性设备，而这些设备又多为借用，因而并不能很好地完成改性任务。主要使用的改性设备为： •。重力混合器 •。气动混合器 •。转鼓式混合机 •。v型混合机 •。Z型混合机 •。高速混合机及高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组) •。开炼机 •。密炼机 •。混炼型单螺杆挤出机，布斯混炼机 •。双螺杆挤出机以及静态混合器，空腔混合器，和拉伸混合器等。 这些设备存在的主要问题是： ①多数是间歇式的，连续式设备如单、双螺杆挤出机大都是直线运动式，混合效果差。存在产量低，能耗大，工人劳动强度高，易造成环境污染等问题。

②升温慢，改性时间长，相反改性剂用量大，改性效果差。 ③比较而言，高冷搅机组价格低、耐用、易操作、改性效果好。 ④与国外设备相比，差距明显，主要表现在连续性和改性效果方面。 可以说，中国的粉体表面改性设备的落后，严重制约表面改性深加工技术的发展。已经到了非改不可的地步。 从90年代开始，一些科技人员就着手对改性设备进行改革、到2002年已经取得阶段性成果。 这些阶段成果包含两个方面： ①引进国外连续改性机型 ②对高冷搅机组进行改革 引进国外机型 引进、吸收、消化国外先进设备，是现阶段我们的主要手段之一。改性设备也不例外，现在由大专院校、科研单位与生产企业共同引进开发的改性设备已经问世，且价格大大低于直接购买的国外同类设备。 1、PS系列粉体表面改性机 由原武汉工业大学北京研究生部非矿所和青岛青矿矿山设备有限公司共同开发研制成功的PSC系列粉体表面改性机是表面化学改性的专用设备，它具有设计先进，科学，能连续生产，产量高，能耗低，自动化程度高，工人劳动强度低，无粉尘污染，且表面改性剂用量少，包覆率高等特点。 ①PSC表面改性性能结构特征： 本机由给料输送、主机、改性剂供给、排料、成品输送、成品收集仓、加热、给风、除尘等系统构成。

等离子体的应用

等离子体技术与应用 学号 队别 专业 姓名

摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 2.1微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的

低温等离子体在材料表面改性中的应用_肖梅

第31卷第1期2001年1月 　东南大学学报(自然科学版)JOUR NAL OF SOUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition )　Vol .31No .1Jan .2001 低温等离子体在材料表面改性中的应用 肖　梅 凌一鸣 (东南大学电子工程系南京,210096) 摘要:概要介绍了目前低温等离子体在材料表面改性方面的研究进展.材料的许多特性,如金 属的表面硬度、耐腐蚀、耐摩擦,聚合物的表面浸润性、亲水性、粘附性以及生物功能材料的生 物相容性等,决定了材料的应用.低温等离子体并不改变材料的块材特性而仅影响材料的表面 特性.对金属如不锈钢等用氮气等离子源离子注入,可以在表面形成Fe 2N ,Fe 3N 和Fe 4N 的铁的氮化物,提高表面的硬度和耐腐蚀性能;氧气、氮气等离子体会在聚合物材料表面形成微针 孔结构,改善其浸润性、粘附性;用等离子聚合法在生物材料表面聚合高分子材料,如氯化对二 甲苯可以降低血小板的吸附.因此,低温等离子体在材料的表面改性方面有很好的应用前景. 关键词:低温等离子体;表面改性;功能材料 中图分类号:O461 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2001)01-0114-05 　收稿日期:2000-10-26.　作者简介:肖　梅,女,1972年生,讲师. 等离子体作为物质的第4态,是指部分或完全电离的气体,且自由电子和离子所带正、负电荷总和完全抵消.而低温等离子体是指在直流电弧放电、辉光放电、微波放电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分电离气体,其中由于电子的质量远小于离子的质量,故电子温度可以在几万度到几十万度之间,远高于离子温度(离子温度甚至可与室温相当).在低温等离子体中包含有多种粒子,除了电离所产生的电子和离子(108～1017cm -3 )以外,还有大量的中性粒子如原子、分子和自由基等.故粒子间的相互作用非常复杂,有电子电子、电子中性粒子、电子离子、离子离子、离子中性分子、中性分子中性分子等.在这样一个复杂的物理体系中,由于电子、离子、激发原子、自由基的存在且相互作用,因此常可以完成在普通情况下难以完成的事.20世纪七八十年代起,等离子体表面改性开始蓬勃发展,目前已形成一个独立的研究方向,主要针对金属、聚合物,生物功能材料等方面.1　低温等离子体在金属材料表面改性中的应用 近十几年来,低温等离子体广泛用于改变金属材料的表面力学特性,即材料的磨损、硬度、摩擦、疲劳、耐腐蚀等性能. 1.1　提高金属表面抗腐蚀能力 已经有一些研究小组通过对铁和钢合金进行离子束渗氮来提高其摩擦和耐腐蚀特性[1～5].这是因为 在铁中形成了如εFe 3N 和ζFe 2N 的铁的氮化合物而在不锈钢表层形成“扩展的奥氏体”.目前采用等离子源离子注入方法[1],它区别于单能量的氮离子注入法,样品浸没在等离子体中并加上高负电压脉冲.在电场中,这些离子被加速而注入到样品中.在注入过程中,与常规束线离子注入相似,用高能离子在材料表面近距离区域注入.与其不同的是,离子从四面八方同时注入到样品上而没有视线限制,因此可以处理形状较复杂的样品,且注入粒子的能量范围宽.W .Wang 小组对轴承钢采用氮等离子源离子注入 [1],注入剂量分别为5×1016,1×1017,5×1017cm -2,所加电压为-20kV .在Na 2SO 4溶液的腐蚀实验中,没有处理的样品的腐蚀电流为170μA ·cm -2,在经过5×1016,1×1017,5×1017cm -2剂量注入后,腐蚀电流分别为66,40,50 μA ·cm -2.结果表明在轴承钢表面形成了诸如Fe 2N ,Fe 3N 和Fe 4N 的铁的氮化物,提高了表面的耐腐蚀的特性.注入其他的粒子,如碳或同时注入氧、氮、碳粒子也可提高金属的耐腐蚀特性 [6,7].

铝合金表面改性技术的发展现状

铝合金具有密度小，机械加工效率高，易于加工成型等优点，是轻合金中应用最广、用量最多的合金[1-2]。铝合金的化学性质活泼，在干燥空气中铝的表面立即形成一层薄而致密的氧化膜。但铝合金的表面硬度低、耐磨性差，腐蚀电位较负，表层氧化膜易受强酸和强碱的腐蚀[3]，这些缺点严重限制了铝合金的应用。 为了克服铝合金表面性能方面的缺点，扩大其应用范围，延长使用寿命，表面改性技术是非常重要的环节。目前，随科学技术的不断进步，用于铝合金表面处理的工艺和技术得到广泛的研究，本文综述了国内外在铝合金表面改性技术方面的发展情况，涉及铝合金阳极氧化处理、化学镀、电镀、电弧喷涂、高能束(激光、离子束、电子束)表面改性技术等多种方法，介绍基于强流脉冲电子束的新型和复合表面处理技术。 1常用的铝合金表面改性技术 1.1阳极氧化技术 铝合金表面改性技术中阳极氧化是应用最广与最成功的技术，也是研究和开发最深入与最全面的技术。用铝合金制品作阳极，通电氧化，使铝合金制品表面形成一层较厚而致密的硬质氧化物保护膜，该膜具有双层结构，表面为多孔蜂窝状，较之铝合金的天然氧化膜，其耐蚀性、耐磨性均显著提高。 在氧化成膜形成过程中，同时发生两个过程：一是在铝合金表面生成Al2O3氧化膜的过程；二是在氧化膜生成的过程中伴随着氧化膜溶解的过程。只有当氧化膜的生成速度超过其溶解速度，方可得到一定厚度的氧化膜。 随着铝合金阳极氧化电解液的种类不同，可以得到阻挡型氧化物薄膜和多孔型氧化物薄膜。阻挡型氧化膜结构并不是均匀层，而是多层结构，刘磊等[4]使用透射电镜(TEM)观察了铝合金阳极氧化膜的微观结构，可清楚地看到膜孔的胞壁结构，单胞尺寸在60nm左右，孔径20nm。构成氧化膜的各胞状结构心密排的方式排列，每一个单胞有6个邻近的单胞，它们之间排列紧密，胞与胞之间有明显的胞壁带。 1.2电镀技术 电镀就是阴极沉积所需金属元素的工艺，被沉积的金属在工件表面形成结合牢固的致密镀层。为提高铝合金镀层的耐蚀性和强度，抑制铝合金镀层的枝晶生长，常需要在电镀纯铝的基础上进行铝合金的电镀。但由于铝合金本身的化学物理特性，使得 铝合金表面改性技术的发展现状 初鑫1,任鑫1,郝胜智2,徐洋3 (1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;2.大连理工大学三束材料改性实验室,辽宁大连 116024;3.大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024) 摘要：对近年来国内外铝合金表面改性技术的研究与应用情况进行综述，讨论了电子束表面改性技术的特点和基于强流脉冲电子束的复合表面处理技术的发展前景。 关键词：铝合金；表面改性；强流脉冲电子束；复合表面处理 中图分类号：TG178文献标识码：A文章编号：1001-3814(2010)20-0123-05 Progress State of Surface Modification Technology for Al Alloy CHU Xin1,REN Xin1,HAO Shengzhi2,XU Yang3 (1.College of Material Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin123000,China;https://www.docsj.com/doc/be16174884.html,boratory of Materials Modification by Laser,Ion and Electron Beams,Dalian University of Technology,Dalian116024,China;3.College of Material Science and Engineering,Dalian University of Technology,Dalian116024,China) Abstract：The research and application of surface modification technologies for aluminum alloy in recent years were summarized.The features of surface modification technology and prospect of high current pulsed electron beam combined treatment technology were discussed. Key words：aluminum alloy;surface modification;high current pulsed electron beam;surface combined treatment 收稿日期:2010-09-09 作者简介:初鑫(1985-),男,辽宁盘锦人,硕士研究生,主要研究方向为 强流脉冲电子束材料表面改性;电话：189********; E-mail:chuxin406@https://www.docsj.com/doc/be16174884.html,

等离子体表面处理技术

等离子体表面处理技术的原理及应用 前言：随着高科技产业的讯速发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高。 等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，更随着高科技产业的迅猛发展，各种工艺对使用产品的技术要求也越来越高。这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。正是这种广泛的应用领域和巨大的发展空间使等离子表面处理技术迅速在国外发达国家发展起来。 一、等离子体表面改性的原理 等离子，即物质的第四态，是由部分电子被剥夺后的原子以及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气状物质。它的能量范围比气态、液态、固态物质都高，存在具有一定能量分布的电子、离子和中性粒子，在与材料表面的撞击时会将自己的能量传递给材料表面的分子和原子，产生一系列物理和化学过程。其作用在物体表面可以实现物体的超洁净清洗、物体表面活化、蚀刻、精整以及等离子表面涂覆。 二、等离子体表面处理技术的应用 1、在工艺产业方面的应用 1）、在测量被处理材料的表面张力 表面张力测定是用来评估材料表面是否能够获得良好的油墨附着力或者粘接附着品质的重要手段。为了能够评估等离子处理是否有效的改善了表面状态，或者为了寻求最佳的等离子表面处理工艺参数，通常通过测量表面能的方式来测定表面，比如使用Plasmatreat 测试墨水。最主要的表面测定方式包括测试墨水，接触角测量以及动态测量 评价表面状态 低表面能, 低于28 mN/m良好的表面附着能力，高表面能 2）预处理–Openair? 等离子技术，对表面进行清洗、活化和涂层处理的高技术表面处理工艺 常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一，可以用于处理各种材料，包括塑料、金属或者玻璃等等。 使用Openair?等离子技术进行表面清洗，可以清除表面上的脱模剂和添加剂等，而其活化过程，则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质，对于涂层处理而言，则可以进一步改善复合物的表面特性。使用这种等离子技术，可以根据特定的工艺需求，高效地对材料进行表面预处理。

非金属矿物粉体表面改性技术探讨

非金属矿物粉体表面改性技术探讨 发表时间：2018-07-26T10:08:10.707Z 来源：《基层建设》2018年第15期作者：张仕奇张君杰张扬[导读] 摘要：表面改性是进行非金属矿物材料性能优化的关键技术，本文对非金属矿物分体表面改性的方法和表面改性工艺进行了分析。 内蒙古科技大学内蒙古自治区包头市昆都仑区 014010 摘要：表面改性是进行非金属矿物材料性能优化的关键技术，本文对非金属矿物分体表面改性的方法和表面改性工艺进行了分析。 关键词：非金属矿物；表面改性；技术 随着新型复合材料的兴起，非金属矿物表面改性技术也得到了快速的发展，表面改性是非金属矿物材料必须的加工技术，通过表面改性能够使材料的性能和应用价值得到极大的提升。 1 表面改性方法 表面改性的方法很多，能够改变非金属矿物粉体表面或界面的物理化学性质的方法，如表面物理涂覆、化学包覆、无机沉淀包覆或薄膜、机械力化学、化学插层等可称为表面改性方法。目前工业上非金属矿物粉体表面改性常用的方法主要有表面化学包覆改性法、沉淀反应改性法和机械化学改性法及复合法。 （1）表面化学包覆改性法：是目前最常用的非金属矿物粉体表面改性方法，这是一种利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性的方法。所用表面改性剂主要有偶联剂（硅烷、钛酸酯、铝酸酯、锆铝酸酯、有机络合物、磷酸酯等）、表面活性剂（高级脂肪酸及其盐、高级胺盐、非离子型表面活性剂、有机硅油或硅树脂等）、有机低聚物及不饱和有机酸等。改性工艺可分为干法和湿法两种。 （2）沉淀反应法：是利用化学沉淀反应将表面改性物沉淀包覆在被改性颗粒表面，是一种“无机/无机包覆”或“无机纳米/微米粉体包覆”的粉体表面改性方法。粉体表面包覆纳米Ti02、ZnO、CaC03等无机物的改性，就是通过沉淀反应实现的，如云母粉表面包覆TiO2制备珠光云母颜料、钛白粉表面包覆Si02和A1203。 （3）机械力化学改性法：是利用超细粉碎过程及其他强烈机械力作用有目的地激活颗粒表面，使其结构复杂或无定形化，增强它与有机物或其他无机物的反应活性。机械化学作用可以增强颗粒表面的活性点和活性基团，增强其与有机基质或有机表面改性剂的使用。以机械力化学原理为基础发展起来的机械融合技术，是一种对无机颗粒进行复合处理或表面改性，如表面复合、包覆、分散的方法。 （4）化学插层改性法：是指利用层状结构的粉体颗粒晶体层之间结合力较弱（如分子键或范德华键）或存在可交换阳离子等特性，通过化学反应或离子交换反应改变粉体的性质的改性方法。因此，用于插层改性的粉体一般来说具有层状或似层状晶体结构，如蒙脱土、高岭土等层状结构的硅酸盐矿物或粘土矿物以及石墨等。用于插层改性的改性剂大多为有机物，也有无机物。 （5）复合改性法：是指综合采用多种方法（物理、化学和机械等）改变颗粒的表面性质以满足应用的需要的改性方法。目前应用得复合改性方法主要有物理涂覆/化学包覆、机械力化学/化学包覆、无机沉淀反应/化学包覆等。 2 表面改性工艺 表面改性工艺依表面改性的方法、设备和粉体制备方法而异。目前工业上应用的表面改性工艺丰要有干法工艺、湿法工艺、复合工艺三大类。干法工艺根据作业方式的不同又可以分为间歇式和连续式；湿法工艺又可分有机改性工艺和无机改性工艺；复合工艺又可分为物理涂覆／化学包覆、机械力化学／化学包覆、无机沉淀反应／化学包覆工艺等。 （1）干法工艺：是一种应用最为广泛的非金属矿物粉体表面改性工艺。目前对于非金属矿物填料和颜料，如重质碳酸钙和轻质碳酸钙、高岭土与煅烧高岭土、滑石、硅灰石、硅微粉、玻璃微珠、氢氧化铝和轻氧化镁、陶土、陶瓷颜料等，大多采用干法表面改性工艺。原因是干法工艺简单，作业灵活、投资较省以及改性剂适用性好等特点。其中，间歇式干法工艺的特点是可以在较大范围内灵活调节表面改性的时间（即停留时间），但颗粒表面改性剂难以包覆均匀，单位产品药剂耗量较多，生产效率较低，劳动强度大，有粉尘污染，难以适应大规模工业化生产，一般应用于小规模生产。连续式改性工艺的特点是粉体与表面改性剂的分散较好，颗粒表面包覆较均匀，单位产品改性剂耗量较少，劳动强度小，生产效率高，适用于大规模工业化生产。连续式干法表面改性工艺常常置于干法粉体制备工艺之后，大批量连续生产各种非金属矿物活性粉体，特别是用于塑料、橡胶、胶粘剂等高聚物基复合材料的无机填料和颜料。 （2）湿法表面有机改性工艺：与干法工艺相比具有表面改性剂分散好、表面包覆均匀等特点，但需要后续脱水（过滤和干燥）作业。一般用于可水溶或可水解的有机表面改性剂以及前段为湿法制粉（包括湿法机械超细粉碎和化学制粉）工艺而后段又需要干燥的场合，如轻质碳酸钙（特别是纳米碳酸钙）、湿法细磨重质碳酸钙、超细氢氧化铝与氢氧化镁、超细二氧化硅等的表面改性，这是因为化学反应后生成的浆料即使不进行湿法表面改性也要进行过滤和干燥，在过滤和干燥之前进行表面改性，还可使物料干燥后不形成硬团聚，改善其分散性。无机沉淀包覆改性也是一种湿法改性工艺。它包括制浆、水解、沉淀反应和后续洗涤，脱水、煅烧或焙烧等工序或过程。 （3）机械力化学／化学包覆复合改性工艺：是在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加表面改性剂，在粉体粒度减小的同时对颗粒进行表面化学包覆改性的工艺。这种复合表面改性工艺的特点是可以简化工艺，某些表面改性剂还具有一定程度的助磨作用，可在一定程度上提高粉碎效率。不足之处是温度不好控制；此外，由于改性过程中颗粒不断被粉碎，产生新的表面，颗粒包覆难以均匀，要设计好表面改性剂的添加方式才能确保均匀包覆和较高的包覆率；此外，如果粉碎设备的散热不好，强烈机械力作用过程中局部的过高温升可能使部分表面改性剂分解或分子结构被破坏。 （4）无机沉淀反应／化学包覆复合改性工艺：是在沉淀反应改性之后再进行表面化学包覆改性，实质上是一种无机／有机复合改性工艺。这种复合改性工艺已广泛用于复合钛白粉表面改性，即在沉淀包覆SiO2或A1203薄膜的基础上，再用钛酸酯、硅烷及其他有机表面改性剂对Ti02／Si02或A1203复合颗粒进行表面有机包覆改性。 （5）物理涂覆／化学包覆复合改性工艺：是一种物理涂覆的方式，在进行金属镀膜或者覆膜之后，在通过有机化学进行改性的工艺。 参考文献： [1] 刘伯元.中国粉体表面改性（塑料填充改性）的最新进展[C]// 中国建筑材料及非金属矿物加工与检测技术交流大会.建筑材料工业技术情报研究所，2009. [2] 郑水林.粉体表面改性工艺设备及其选择[C]// 中国白色工业矿物技术与市场交流大会.2009.

低温等离子体对材料的表面改性

低温等离子体对材料的表面改性 张　波 冷等离子体对材料的表面改性,通过放电等离子体来优化材料的表面结构,是一种非常先进的材料表面改性方法。冷等离子体的特殊性能可以对金属、半导体、高分子等材料进行表面改性,该技术已广泛应用于电子、机械、纺织等工程领域。 等离子体是“物质的第四态”,它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量,其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本参量。实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要由电子、离子、中性粒子或粒子团组成。描述等离子体的密度参数和温度参数主要有:电子温度T e、电子密度n e、离子温度T i、离子密度n i、中性粒子温度T g、中性粒子密度n g。在一般情况下,等离子体呈现宏观电中性,当等离子体处在平衡状态时,n e≈n i=n g。可以用物理参量电离度η=n e/ (n e+n g)来描述等离子体的电离程度,低气压放电产生的等离子体是弱电离的等离子体(ην1),η=1时,为完全电离等离子体。 等离子体按照其组成粒子的能量大小及热力学性质,可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体中带电粒子的温度可达到绝对温度几千万度到上亿度,如太阳上的核聚变及地球上的热核聚变反应等。低温等离子体又分为热等离子体(热力学平衡)和冷等离子体(非热力学平衡),其中热等离子体中粒子的能量特别高,通常用于需要高温作业的领域,如磁流体发电,等离子体焊接、切割,等离子体冶炼,等离子体喷涂,等离子体制备超细粉等。实验室中采用低气压放电产生的等离子体,电子温度T e约为1～10eV(1eV=11600K),而离子温度T i只有数百开尔文,基本上等于中性粒子的温度,所以这种等离子体称为冷等离子体。正因为冷等离子体的宏观温度与室温相差无几,所以有着重要应用价值,如用于材料的表面改性以及光源等。 对于冷等离子体对高分子材料表面改性的作用机理,一般认为冷等离子体中含有大量电子、离子,激发态的分子和原子、自由基及紫外光等活性粒子,这些粒子的能量大多在0～20eV之间,而高分子材料大多是由C、H、O、N四种元素组成,这些分子之间的键能也多在l～10eV之间,如C-H(413eV)、C-N(219eV)、C-C(314eV)、C=C(61leV)等,恰恰在等离子体的能量作用范围之内,因而等离子体对高分子材料表面改性十分有效,可改变其表面的化学组分和化学结构。冷等离子体对高分子材料的表面改性可分为三类:第一种是非聚合性气体的等离子体表面处理,这是通过非聚合性气体(如O2、N2、N H3等)在等离子体的气氛下使材料表面化学组分和结构发生变化;第二种是聚合性气体的等离子体聚合,这是用有机物、有机硅化合物或金属有机化合物等在材料表面生成聚合物薄膜;第三种是等离子体接枝,即在被等离子体激活的材料表面引进化学基团。总之,由于冷等离子体中含有大量电子、离子,激发态的原子、分子和自由基等活性粒子,这些活性粒子和材料相互作用使材料表面发生氧化、还原、裂解、交联和聚合等各种物理和化学反应,从而优化材料表面性能,增加材料表面的吸湿性(或疏水性)、可染性、粘接性、抗静电性及生物相容性等。 冷等离子体发生装置与 真空紫外光对材料改性的影响 冷等离子体装置,在密封容器中设置特定的电极形成电场,用真空泵实现一定的真空度,随着气体愈来愈稀薄,分子间距及分子或离子的自由运动距离也愈来愈长,它们在电场作用下发生碰撞而形成等离子体;因这时会发出辉光,故称为辉光放电。辉光放电时的气压大小对材料处理效果有很大影响,其他影响因素还有放电功率、气体成分、材料类型等。电源作为等离子体发生装置的主要部件,功率范围一般在50～500W之间,根据电源频率的不同可分为直流、低频(50Hz～50kHz)、射频(指定频率13156MHz)、微波(常用2450MHz)。图1～图3分别是各种辉光放电装置示意图。 冷等离子体对材料表面改性的原理研究,过去一般停留在等离子体(电子、离子等)对材料表面的作用,这里介绍表面改性机制的新进展———真空紫外光(VUV)对材料的表面改性。一般认为,材料表面改性的机制,主要是自由基化学反应,但自由基扩

激光束表面改性技术

激光束表面改性技术 摘要：激光束表面改性技术在改善材料表面性能,提高材料使用寿命方面具有突出的优越性。它作用于材料表面使得材料的表面性能得到了明显的提高，随着研究的深入和技术的逐渐成熟，表面改性技术在工业领域中的应用越来广泛，目前进行材料表面改性的工艺有激光相变硬化、激光熔覆、激光合金化、激光非晶化、激光冲击硬化，本文就其工艺方法进行了综述。 一、引言 激光表面处理技术的研究始于20世纪60年代，但是直到20世纪70年代初研制出大功率激光器之后，激光表面处理技术才获得实际的应用。它是将现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多方面的成果和知识结合起来的高新技术，用激光的高辐射亮度，高方向性，高单色性特点，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却, 使金属材料表面在瞬间被加热或熔化后高速冷却，来实现其表面改性的工艺方法。 二、激光相变硬化 激光表面相变硬化又称激光淬火，它是以104～105W/cm2高能功率密度的激光束作用在工件表面，以105～106℃/s的加热速度，使受激光束作用的工件表面部位温度迅速上升到相变点以上，形成奥氏体，并通过仍处于冷却态的基体与加热区之间形成的极高的温度梯度的热传导，一旦激光停止照射，则以105℃/s的速度冷却，实现自冷淬火，形成表面相变硬化层。 三、激光熔覆 激光熔覆是采用激光束加热熔覆材料和基材表面，使所需的特殊材料熔焊于工件表面的一种新型表面改性技术。这项技术始于1974年, Gnanamuthu申请了激光熔覆一层金属于金属基体的熔覆方法专利[3]。经过二十几年的发展, 激光熔覆已成为材料表面工程领域的前沿和热门课题。影响激光熔覆的因素主要有熔覆材料的原始成分、基体材料成分、熔覆的工艺参数。激光熔覆技术示意图见图1 1.短型光束或高斯型光束 2.气动送粉 3.测量孔 4.振动器 5.粉末漏斗箱 6.二氧化碳气体激光束高频振动7样品运动 8.样品9.熔覆厚度10.熔覆层 图1激光熔覆技术示意图

粉体表面改性复习要点(精简版)

第2章 纳米粉体的分散 1.粉体分散的三个阶段（名词解释） 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程。 ?解团聚 是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集体分散为较小颗粒。 ?稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散 2.常用的分散剂种类 （1）表面活性剂 空间位阻效应 （2）小分子量无机电解质或无机聚合物 吸附－－提高颗粒表面电势 （3）聚合物类(应用最多) 空间位阻效应、静电效应 （4）偶联剂类 3.聚电解质（名词解释） 是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基团的水溶性高分子 4.对不同pH 值下PAA 在ZrO 2表面的吸附构型进行分析。 图.不同pH 值下PAA 在ZrO 2 表 面的吸附构型 a.当pH<4时，PAA 几乎不解离，以线团方式存在于固液界面上，吸附层很薄，几乎无位阻作用 δ δδ

b.随pH值增加，链节间静电斥力使其伸展开 c.ZrO2表面电荷减小直至由正变负，PAA的负电荷量增加，其间斥力增加， 使得PAA链更加伸展，可在较远范围提供静电位阻作用 5.用聚电解质分散剂分散纳米粉体时，影响浆料稳定性的各种因素有哪些？ 1、聚电解质的分子量 当聚电解质分子量过小，在粉体表面的吸附较弱，吸附层也较薄，影响位阻作用的发挥。 分子量过大，易发生桥连或空位絮凝，使团聚加重，粘度增加。 2、分散剂用量 适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定。 用量过低，粉体表面产生不同带电区域，相邻颗粒因静电引力发生吸引，导致絮凝。 用量过高，离子强度过高，压缩双电层，减小静电斥力；同时，还易发生桥连或空缺絮凝，稳定性下降。 3、温度 研究表明，为了获得较好的分散效果（以最低粘度为衡量标准），随温度的升高，所需分散剂的用量随之增加 6.结合下图，分析煅烧为什么能够改善纳米Si3N4粉体的分散性？ 煅烧改善纳米Si3N4粉体的可分散性 ?此前提到，球磨可有效降低粉体的粒度。但球磨过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应。 ?以乙醇为介质球磨Si3N4粉体时，表面的Si-OH可能与乙醇反应生成酯。 ?酯基的生成对粉体的分散性影响很大： a、酯基是疏水基团 b、屏蔽负电荷，影响分散剂的吸附 ?采取煅烧去除酯基，可改善其分散性 第3章纳米粉体表面改性（功能化） 1.表面改性有哪些重要应用？ 改善纳米粉体的润湿和附着特性。 改善纳米粉体在基体中的分散行为，提高其催化性能。 改善粉体与基体的界面结合能等。 2.纳米粉体的表面改性方法？ 气相沉积法 机械球磨法 高能量法

等离子体表面改性技术的研究与发展.

等离子体表面改性技术的研究与发展 摘要本论文介绍了等离子体的相关概念，主要阐述了低温等离子技术在金属材料表面改性中的两种处理方法。并对等离子体电解沉积技术做了简要介绍，分析了该技术的应用前景及存在的问题。最后对等离子体表面改性技术的发展做出展望。 关键词等离子体；表面改性；等离子体电解沉积技术 Development of Plasma Surface Modification Technology Abstract ：The relate concept of plasma the means on application of cold plasma technology to surface modification of metal in this paper. This article also introduce Plasma electrolysis deposition technology, the problems and development directions of PED in the surface modification technology arc also presented. The prospects of plasma surface modification technology is also analyzed. Key words ：plasma，surface modification，plasma electrolytic deposition 0. 前言 金属零部件的磨耗量是增大能耗，增加零部件更换率和提高生产运用成本，降低生产效率的重大问题，因此如何提高零部件表面的耐磨性，实施表面改性处理是十分重要的课题。随着科学技术和现代工业的发展，各种工艺对使用产品的技术要求越来越高，对摩擦、磨损、腐蚀和光学性能优异的先进材料的需要日益增长，这导致了整个材料表面改性技术的发展与进步。其中等离子体表面改性技术发挥了重要作用。 等离子表面处理技术的出现，不仅改进了产品性能、提高了生产效率，同时开创了一门新的研究领域。这种材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层，取代昂贵的整体合金，节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。正是这种广泛的应用领域和

现代表面改性技术的国内外最新研究进展

J I A N G S U U N I V E R S I T Y 现代表面改性技术的国内外最新研 究进展 学院名称： 专业班级： 姓名、学号： 指导教师： 时间：

摘要：金属材料表面改性技术是一门新兴的技术，主要包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等，简述了该4种技术的研究和发展现状，对各种技术的原理和应用状况分别加以描述，最后总结了材料表面改性技术的发展前景。 关键词：激光表面改性离子注入物理气相沉积。 工业技术的发展使得制造工业产品所需的材料品种日益繁多，为了适应高强度、高硬度、耐磨、耐高温、耐腐蚀等不同要求，通常采用各种表面处理技术对普通金属材料表面进行加工，使其适用各种复杂的工作环境。金属材料表面改性技术很多，除传统的热处理、电镀堆焊外，还包括激光表面改性、离子注入法、物理气相沉积法和热喷涂等。 随着现代工业的发展, 对机械产品零件表面的性能要求越来越高。对其研究已经成为材料科学研究的一个重要领域。表面改性研究的重要性在于在不改变原材料基本性能的基础上采用各种技术改善或提高材料的表面性能, 金属材料表 面改性可以提高零件的寿命、减少磨损, 提高经济效益。铜合金具有很高的导电、导热性能及良好的塑性; 电极电位是正值, 具有很好的耐蚀性能; 铜合金还是优良的耐磨材料, 这些特点是其它材料所不能同时具有的。铜合金在机械、电子等各行各业的广泛应用, 特别是在耐磨、耐热、耐蚀零件中。如要求表面高性能的铜材零部件有连铸结晶器, 氧枪喷头, 高炉风口, 滑块, 轴承等, 高炉风口是典 型的耐磨耐热零部件, 通过表面改性, 不仅保持其传导性而且达到表面高硬度、高耐磨性等使用要求。目前, 铜合金的表面改性技术主要有: 热处理多元共渗、表面渗硫、等离子喷涂以及铸渗法等。 1 激光表面改性 由于激光特有的优良属性, 自从20世纪中期激光器的研制成功以来, 激光已被广泛应用于科学技术研究和工业生产。激光表面改性是激光在表面技术领域中的新的应用, 虽然在激光应用领域中只占大约15%的比重, 但由于激光表面处理同其他表面处理技术相比具有很多独特的优点, 如激光熔化后形成的组织, 化学均匀性很高, 而且晶粒非常细小, 因而强化了合金,使耐磨性大大提高; 由于热输入小, 工件变形小, 对基体产生的热影响很小等等。因此在表面处理领域内, 针对激光表面改性的研究和开发活动相当活跃。根据采用的不同的激光能量密度和不同的处理方式, 激光表面改性技术中比较典型的方法有几种: 激光熔覆、激光表面熔凝、激光相变硬化、激光冲击强化、激光表面合金化等。这些方法的目的都是为了使工作面获得基材无法达到或代价太大的高硬度、高耐磨性以及高耐腐蚀性等性能, 从而实现既节约了成本, 又满足工作要求的目的。本文综述了激光表面改性技术的研究和应用状况, 展望了激光表面改性技术的发展趋势。 1．1 激光相变硬化 在各种激光表面改性的方法中激光相变硬化是当前研究最多的, 进展最快 的一种表面改性方法。激光相变硬化又称激光淬火, 就是利用激光将金属材料加热到相变点以上, 金属熔化以前, 依靠金属自身冷却达到淬火的目的。激光相变

粉体表面改性设备

粉体表面改性设备 中国粉体表面改性设备种类很多，例如高速混合机、捏合机、密炼机、开炼机、单螺杆挤出机、双螺杆挤出机等，但这些设备大多从化工机械借用过来。存在许多严重问题，针对这些问题，近年来有了许多改进和进展，本文重点介绍引进国外机型和对高冷搅机组进行的改进。 现状粉体表面改性设备，主要担负三项职责，一是混合，二是分散，三是表面改性剂在设备中熔化和均匀分散到物料表面，并产生良好的结合。由于混合物的种类和性质各不相同，混合、分散和表面改性要求的质量指标也不相同，因而出现多种性质不同的改性设备，而这些设备又多为借用，因而并不能很好地完成改性任务。主要使用的改性设备为： •重力混合器 •气动混合器 •转鼓式混合机 •v型混合机 •Z型混合机 •高速混合机及高速混合机和冷却混合机组(简称高冷搅机组) •开炼机 •密炼机 •混炼型单螺杆挤出机，布斯混炼机 •双螺杆挤出机以及静态混合器，空腔混合器，和拉伸混合器等。 这些设备存在的主要问题是： ①多数是间歇式的，连续式设备如单、双螺杆挤出机大都是直线运动式，混合效果差。存在产量低，能耗大，工人劳动强度高，易造成环境污染等问题。 ②升温慢，改性时间长，相反改性剂用量大，改性效果差。 ③比较而言，高冷搅机组价格低、耐用、易操作、改性效果好。 ④与国外设备相比，差距明显，主要表现在连续性和改性效果方面。 可以说，中国的粉体表面改性设备的落后，严重制约表面改性深加工技术的发展。已经到了非改不可的地步。

从90年代开始，一些科技人员就着手对改性设备进行改革、到2002年已经取得阶段性成果。 这些阶段成果包含两个方面： ①引进国外连续改性机型 ②对高冷搅机组进行改革 引进国外机型 引进、吸收、消化国外先进设备，是现阶段我们的主要手段之一。改性设备也不例外，现在由大专院校、科研单位与生产企业共同引进开发的改性设备已经问世，且价格大大低于直接购买的国外同类设备。 1、PS系列粉体表面改性机 由原武汉工业大学北京研究生部非矿所和青岛青矿矿山设备有限公司共同开发研制成功的PSC系列粉体表面改性机是表面化学改性的专用设备，它具有设计先进，科学，能连续生产，产量高，能耗低，自动化程度高，工人劳动强度低，无粉尘污染，且表面改性剂用量少，包覆率高等特点。 ①PSC表面改性性能结构特征： 本机由给料输送、主机、改性剂供给、排料、成品输送、成品收集仓、加热、给风、除尘等系统构成。 ②工作原理： 粉体原料经给料输送系统被送至主机上方的雾化室，在输送过程中，由给料输送机特设的加热装臵将粉体加热并干燥，与此同时固体状的改性剂在专用加热容器内也被加热熔化至液体状态后经输送管道送至雾化室。 雾化室内设有两组喷嘴，并均通人由给风系统送来之热压力气流，其中一组有四只喷嘴按不同位臵分布于雾化室内壁，其作用是将由给料输送系统送来的粉体物料吹散呈雾状，另一组有一只喷嘴同时与改性剂输送管道相通，将液状改性剂也吹散呈雾状。此时，原料和改性剂形成雾状，由于受到两组喷嘴从不同方向喷射出气流的作用，得以充分的混合，随即进人主机。 主机由高速旋转的主轴、搅拌棒、冲击锤、中间充满循环导热油的夹层简体等部分组成。进入主机内的雾化物料在搅拌棒的高速搅拌下，受到了冲击、摩擦、剪切等诸多力的作用使粉体颗粒与改性剂得到更充分接触、混合。主机夹层内循

高分子材料的等离子体表面处理

高分子材料的等离子体表面处理 摘要 阐述了等离子体表面改性技术的作用原理, 总结论述了等离子体对高聚物表面作用的几种理论, 经低温等离子体处理的高分子材料表面发生多种物理和化学变化,重点介绍了低温等离子体在医用高分子材料、合成纤维材料、薄膜材料中的研究概况和进展。 关键词: 等离子体; 表面改性; 高分子材料; 0 引言 高分子聚合物材料同金属材料相比具有许多优点, 如密度小、比强度和比模量低、耐蚀性能好、成型工艺简单、成本低廉、优异的化学稳定性、热稳定性好、卓越的介电性能、极低的摩擦系数、良好的润滑作用及优异的耐候性等, 因此广泛应用于包装、印刷、农业、轻工、电子、仪表、航天航空、医用器械、复合材料等行业[1]。但其应用范围和使用效益往往会受到表面性能的制约,因此常常需按使用目的改善或变换其表面性能，如材料或部件的粘着性，高分子膜的印刷性、透过性等。 1 高分子材料的表面改性 高分子材料的各种表面性能的获得取决于材料的表面结构和相关的界面特性，所以高分子材料的界面物性控制是非常必要的。 图1 界面物控技术内容及应用领域 图1所示为界面物性控制技术的内容和相关的应用领域。为了使高分子材料适合各种应用需要，大体上有两类作法。一类是利用各种表面改性技术产生一个新的表面活性层，从而改变表面、界面的基本特性。另一类作法是借助功能性薄膜或表面层形成技术在原表面上敷膜。这两种作法的目的都是为了使材料具有或同时具有几种表面性能。为此，人们研究开发了许多种可供利用的表面处理技术。诸如化学湿法处理，利用电子束或紫外线的干式处理，利用表面活性剂的添加剂处理以及采用真空蒸渡的金属化处理等。本论文主要介绍的等离子体表面处理是利用低压气体辉光放电的干式处理技术。既能改变表面结构，控制界面物性，也可以按需求进行表面敷膜。在塑料、天然纤维、功能性高分子膜的表面处理方面有着巨大

《粉体材料表面改性》课程教学大纲

《粉体材料表面改性》课程教学大纲 课程代码：050542002 课程英文名称：Surface Modification of powder （A2） 课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0 适用专业：粉体科学与工程专业 大纲编写（修订）时间：2017.3 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 粉体表面改性是粉体科学与工程专业方向课，为选修课。本门课程讲授粉体表面改性的原理、方法、工艺、设备及表面改性剂的性能及应用、各行业典型粉体及纳米粉体饿表面改性方法、实践及改性产品的检测及表征方法。通过本课程的学习，不仅让学生掌握粉体表面改性的相关理论，同时培养学生发现、分析与解决问题的能力和精密进行科学研究的技能。为学生将来从事粉末材料、粉体工程领域的生产、科研打下坚实的理论和实践基础。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1．掌握粉体材料表面改性工艺的方法和原理； 2．使学生掌握目前工业表面改性典型设备； 3．使学生了解表面改性剂的种类、性质、使用条件； 4．掌握粉体改性前后的物性变化及相关的检测方法； 5. 进一步结合创新创业培养目标，加强学生创新能力的培养，使学生具备独立进行粉体表面原位修饰工艺设计与设备选型的能力。 （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握粉体表面改性一般知识，包括粉体表面改性的原理、方法、工艺、设备及表面改性剂的性能及应用、改性产品的检测及表征方法等。 2.基本理论和方法：掌握粉体表面的物性，粉体表面改性的基本原理、掌握粉体表面改性工艺设计和设备；了解常见工业粉体的表面改性方法及应用。 3.基本技能:掌握粉体改性工艺设计计算、独立进行设备选型的技能等。了解特种粉体的生产工艺、制备技术及行业发展趋势。具备制备、加工特种粉体的必要的基础知识和基本技能。 （三）实施说明 本课程安排在第七学期学习，共24学时，其中理论讲课24学时。根据教学的需要，有针对性地对教学内容适当增减，各部分学时数可适当调整2学时。 1．教学方法：课堂讲授中重点对基本概念、基本原理和基本方法的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；积极增加课堂教学的趣味性和互动性，充分调动学生学习的主观能动性；注意培养学生独立进行科学研究的能力。讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。 2．教学手段：本课程属于专业课，涉及到许多物粉体表面改性的设备，因此在教学中采用ppt与课堂讲授相结合的教学手段，培养学生浓厚的学习兴趣，确保在有限的学时内，高质量地完成课程教学任务。 （四）对先修课的要求