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材料表面改性用宽束离子源研究现状及发展

材料表面改性用宽束离子源研究现状及发展
材料表面改性用宽束离子源研究现状及发展

材料表面改性用宽束离子源研究现状及发展

摘要:应用于核技术的离子源不同,对应用于改性技术的离子源则要求大面

积均匀区,强流 (特别是在低能及超低能范围),气体及能量的高效率,结构简单,工作稳定且寿命长。本文主要对考夫曼离子源、高能入射离子、ECR、RF- ICP 几种宽束离子源做了简要介绍。

关键词:材料表面改性高能入射离子射频离子源电子回旋共振离子源表面改性技术概述:表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下,赋予其表面新的性能,如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。表面改性的方法有很多报道,大体上可以归结为:表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。表面改性技术则是采用化学的、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,具有很大的经济意义和推广价值。

宽束离子源概述:薄膜科学与技术是新材料发展前沿最活跃的领域之一,而良好的薄膜制备或改性技术则是赋予材料表面应用功能的基本条件。离子束增强沉积技术(IBED),也叫离子束辅助沉积(IBAD),把离子注入与物理气相沉积技术结合起来,在电子束蒸发或离子束沉积薄膜的同时,用几+eV到几十kev能量的离子束对其进行轰击,利用沉积原子与轰击离子之间的一系列物理化学作用,在常温下合成各种优质薄膜。为了把该技术推向应用,必须提高处理能力,因此各类宽束离子源就应运而生,而离子源的发展是决定IBED能不能走向生产的关键。材料表面改性用宽束离子源分类与应用:与应用于核技术的离子源不同,对应用于改性技术的离子源则要求大面积均匀区,强流 (特别是在低能及超低能范围),气体及能量的高效率,结构简单,工作稳定且寿命长。

接下来简要以能量高低作为分类依据,介绍几种用于材料表面改性的宽束离子源:

1、高能宽束离子源的研究进展

该类离子源是在空间推进用离子火箭的技术上发展起来的,因此具有特有的高效率、长寿命、稳定、可靠性。只要离子源的放电结构设计得当,产生每个离子所需要的放电功率几乎比同

类核技术用离子源小一个数量级。该型离子源结构简单、工作稳定、成本较低。

它可以方便地改变离子束能量、束流密度(剂量率),在离子束辅助镀膜时有利于控制原子离子到达比,可以控制离子束的发散角从而改变离子对样品的入射角。由于文献查找过程中,高能离子源的相关文献较高能离子源较少,故主要介绍下面的高能注入离子源。

(1)高能注入离子源

高能宽束源是在空间推进用的考夫曼kaufman型离子源的基础上发展起来的。通常考夫曼型离子源的加速能量只是1~3keV,不能用于注入。因此,对放电室的发散磁场进行再设计,避免极间闪络、打火影响放电室放电。使放电电压可提高到120kv。又使发散磁场最佳化、使准阴极与准阳极位置匹配,从而大大提高了放电效率,通常产生每mA离子束只消耗放电功率0.5W。通常离子束流工作在5一15mA的区域内,放电电流只是0.1一0.ZA范围内。但可以对高压离子光学进行了设计,为简化结构采用双栅系统。使高能离子源可拔出离子束能量3~120kev,束流5一70mA,在距离源60cm处的均匀工作区可达25cm直径,均匀性10一20%,最大束流密度可达300μA。

下图是高能宽束气体注入离子源示意图:

图1高能宽束气体注入离子源

2、低能宽束离子源的研究进展

低能宽束离子源是离子束相关装置的核心部件,由于具有可以独立控制离子能量、束流密度、离子入射角度和离子成分等优点,目前广泛应用于现代表面改性、薄膜沉积和微纳米加工等领域。离子源通常根据等离子体的产生方式不同,分为 Kaufman、射频和 ECR 等形式,下面分别介绍上述几种离子源:

(1)Kaufman 离子源

Kaufman 离子源是最早出现、最基本的离子源,原理结构如图2所示,阴极、阳极、栅极、放电室圆筒构成气体放电室, 栅极构成离子光学系统。放电室筒外设置磁铁, 通过磁路使磁力线穿过放电室, 磁力线从阳极向栅极方向发散并布满栅极, 栅极极靴收集磁力线回到磁铁。下图为Kaufman 离子源工作原理图:

图2 Kaufman 离子源工作原理

Kaufman 离子源具有较宽的工作状态, 在 Ar作为工作气体时, 阴极灯丝具有较长寿命和较稳定的工作状态。但是灯丝的消耗会对基片带来污染, 而使用氧气和反应气体时, 兼容性差, 灯丝寿命和稳定性会大大下降, 同时产生的 C、F 沉积构成的绝缘层会导致离子源不能正常工作。

(2)射频( RF) 离子源

射频和微波离子源很好地解决了 Kaufman离子源在使用非惰性气体带来的频繁清洗和兼容性差的问题。射频离子源是将天线引入工作室替代热阴极激励放电, 常用的有电容耦合和感应耦合两种。

①RF- CCP( 电容耦合) 离子源

电容耦合方式是由接地的放电室( 由复合系数很小的材料如石英做成) 和引入的驱动电极作为耦合元件。驱动电极上镀有溅射产额较低的陶瓷材料以减少离子的对阴极材料的溅射。当与电源接通后, 在放电室和驱动电极之间产生高频电场, 自由电子在此作用下做上下往复运动, 并激发放电。由于电子的自由程远大于放电室的尺寸, 因此主要靠它们从管壁上打出的二次电子而获得倍增, 后者成为这种放电的维持者, 而由气体电离所产生的二次电子将起次要作用。电容耦合产生的几百伏的鞘层电压, 会导致放电室内部元件的快速溅射, 同时影响离子轨迹, 使离子束均匀性和准直性变差。

如图3射频电容耦合离子

②RF- ICP( 感应耦合) 离子源

射频ICP 源的发射天线绕在电绝缘的石英放电室外边, 当通过匹配网络将射频功率加到线圈上时, 线圈中就有射频电流通过, 于是产生射频磁通, 并且在放电室内部沿着轴向感应出射频电场, 其中的电子被电场加速, 从而产生等离子体, 同时线圈的能量被耦合到等离子体中。

图4射频感应耦合离子源原理( a) 和结构剖面图( b)

石英放电室外面是水冷的螺旋射频线圈, 低能电子沿着平行放电室壁方向做螺旋线运动, 被感应耦合电场加速, 这样减小了电子损耗, 增加了电离几率。为了保证等离子体的均匀性, 气体被石英扩散器沿周向引入放电室, 由于离子束流密度直接与等离子体密度和电子温度均方根成正比, 根据螺旋射频线圈和射频趋肤效应, 温度较高的电子分布在放电室壁外周,这补偿了因放电室壁处等离子密度的减小, 有利于提高离子束的均匀性和准直性。

(3)电子回旋共振( ECR) 离子源

ECR 离子源:微波能量通过微波输入窗( 由陶瓷或石英制成) 经波导或天线耦合进入放电室, 在窗上表面的永磁系统产生的高强磁场作用下, 放电室内的气体分子的外层电子做回旋运动。

(4)优缺点对比分析:

灯丝寿命短、稳定性差、污染及其与反应气体兼容性差是 Kaufman 离子源的缺点, RF 和ECR 离子源解决了这些问题, 虽然在反应气体工作时也会在放电室内部和栅网上产生碳氟沉积,但可以在工作间隙通入氧气或者一氧化碳等“清洗气体”加以去除。

总结:考夫曼离子源是最早开始应用的离子源, 随着表面技术和微纳米加工的发展, 对宽束离子源的稳定性、气体适用广泛性和大面积均匀性等方面提出了更高的要求, 新一代的离子源包括高能入射离子、ECR、RF- ICP 和无栅网等应运而生,文中对其进行了简要介绍和对比。

参考文献:

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[3] 陈立华,崔保群,蒋渭生,李爱玲.离子源引出系统研究[J]. 中国物理C. 2008(S1)

[4] 尤大伟.制备光学薄膜的离子源技术概述[J]. 真空科学与技术学报. 2009(01)

[5] 陈红,高劲松,宋琦,王彤彤,申振峰,王笑夷,郑宣鸣,范镝. 离子辅助制备碳化硅改性薄膜[J]. 光学精密工程. 2008(03)

[6] 陈长琦,张建国,王君,郭江涛.考夫曼离子源多极磁场结构设计与数值模拟[J]. 真空. 2008(04)

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[10] 许沭华, 任兆杏, 沈克明,等, 射频 ICP 离子源设计研究[J].真空科学与技术. 2002

聚合物表面改性方法

聚合物表面改性方法 摘要:本文综述了聚合物表面改性的多种方法,主要包括有溶液处理法、等离子体处理法、表面接枝法、辐照处理法和新兴的原子力显微探针震荡法,并结合具体聚合物材料有重点的详细介绍了改性方法及其改性机理。 关键词:聚合物;表面改性;应用 聚合物在日常生活及化工领域都有非常广泛的应用,但是由于这些聚合物表面的亲水性和耐磨损性较差,限制了聚合物材料的进一步应用。为了改善这些表面性质,需要对聚合物的表面进行改性。聚合物表面改性是指在不影响材料本体性能的前提下,在材料表面纳米量级范围内进行一定的操作,赋予材料表面某些全新的性质,如亲水性、抗刮伤性等。 聚合物的表面改性方法很多,本文综述了溶液处理方法、等离子体处理法、表面接枝法、辐照处理方法和新兴的原子力显微探针震荡法。下面将结合具体聚合物材料详细介绍各种改性方法。 1溶液处理方法 1.1含氟聚合物 PTFE或Teflon具有优良的耐热性、化学稳定性、电性能以及抗水气的穿透性,所以在化学和电子工业上广泛地应用,但由于难粘结,所以应用上受到局限。为了提高粘结性能,需对表面进行改性,化学改性的方法通常用钠萘四氢呋哺液溶处理它。此处理液的配制是由1mol 的金属钠(23g)一次加到1mol萘(128g)的四氢呋喃(1L工业纯)中去,在装有搅拌及干燥管的三口瓶中反应2h,直至溶液完全变为暗棕色即成[1]。 将氟聚合物在处理液中浸泡几分钟,取出用丙酮洗涤,除去过量的有机物。然后用蒸馏水洗。除去表面上微量的金属。氟聚合物在处理液中浸泡时,要求体系要密封,否则空气中氧和水能与处理液中络合物反应而大大降低处理液的使用寿命。正常情况处理液贮存有效期为2个月。处理后的Teflon与环氧粘结剂粘结,拉剪强度可达1100~2000PSi。处理过的表面为黑色,处理层厚低于4×10-5mm 时,电子衍射实验表明处理过的材料本体结构没有变化,材料的体电阻、面电阻和介电损耗也没有变化,此方法有三个缺点:一、处理件表面发黑,影响有色导线的着色;二、处理件面电阻在高湿条件下略有下降,三、处理过的黑色表面在阳光下长时间照射,粘结性能降低,因此目前都采用低温等离子体技术来处理。 1.2聚烷烯烃 聚乙烯和聚丙烯是这类材料中的大品种,它们表面能低。如聚乙烯表面能只有31×10-7J/cm2。为了提高它们表面活性,有利于粘接,通常需对它们的表面进行改性,其中化学改性方法有用铬酸氧化液处理,此处理液的配方[2]重铬酸钠(或钾)5份,蒸馏水8份,浓硫酸100份,将聚乙烯或聚丙烯室温条件下在处理液中浸泡1~1.5h,66~71℃条件下浸泡1~5min,80~85℃处理几秒钟,此外还有过硫酸铵的氧化处理液[3]。其配方为硫酸铵60~120g,硫酸银(促进剂)0.6g,蒸馏水1000ml,将聚乙烯室温条件下处理20min,70℃处理5min,当用来处理聚丙烯时,处理温度和时间都需增加一些,70℃lh,90℃10min,其中促进剂硫酸银效果不明显,可以去掉,但此处理液有效期短,通常只有lh。这两种处理方法,效果都不错。 1.3聚醚型聚氨酯 Wrobleski D. A.等[4]对聚醚型聚氨酯Tecoflex以化学浸渍和接枝聚合进行表面改性。且用Wilhelmy平衡技术测定接触角,结果表明,经聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和PEG化学浸渍修饰表面,以及用VPHEMA对2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸及其钠盐(AMPS和NaAMPS)光引发表面接枝。其表面能增大,表面更加亲水。化学浸溃使前进和后退接触角降低20和30~40

表面化学改性

表面化学改性 粉体工业是一个重要的基础原料工业,在一些高分子材料工业及高聚物复合材料领域中,粉体常常用作无机矿物填料,不仅降低了材料的生产成本,而且还能提高复合材料的力学性能以及稳定性,甚至可以赋予材料某些特殊的物理化学性能,如耐腐蚀性、绝缘性和阻燃性等。但由于这些无机矿物材料与有机高聚物基质(如塑料、橡胶、树脂等)的界面性质不同,因此当以无机矿物填料作为填充物时,除了需要相关的粒度和粒度分布要求之外,还必须对其表面进行改性,以改善其表面的物理化学特性,使其趋近基体的表面特性,提高其在基体中的分散性,从而提高材料的力学性能及综合性能。 表面改性就是指在保持材料或制品原性能的前提下,赋予其表面新的性能,如亲水性、生物相容性、抗静电性能、染色性能等。表面改性的特点是:1)不必整体改善材料,只需进行表面改性或强化,可以节约材料; 2)可以获得特殊的表面层,如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体,多层结构层等,其性能远非一般整体材料可比; 3)表面层很薄,涂层用料少,为了保证涂层的性能、质量,可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本; 4)不但可以制造性能优异的零部件产品,而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。 表面改性的方法有很多,大体上可以归结为:表面化学反应法、表面接枝法、表面复合化法等。下面本文对表面化学反应法改性做简单介绍,并举例说明几种表面化学改性方法。 所谓无机粉体表面化学改性[1]是指通过无机粉体粒子表面和表面改性剂之间的化学吸附作用或化学反应,改变粒子的表面结构和状态,从而达到表面改性的目的。表面化学改性法是目前最常用的表面改性方法,在无机粉体粒子表面改性技术中占有极其重要的地位。超细无机粉体颗粒比表面积大,表面键态、电子态与粒子内部不同,配位不全等都为用化学方法对无机粉体粒子进行表面改性提供了有利条件。通常,表面改性剂一端为极性基团,能与粉体表面发生化学反应而连接在一起,另一端的非极性基团能与基体形成物理缠绕或是发生化学反应,从而改变无机粉体的分散性,改善制品的性能。表面化学改性方法包括表面沉积

聚合物表面改性方法综述

聚合物表面改性方法综述 连建伟 (中国林业科学研究院林产化学工业研究所) 摘要:本文综述了聚合物表面改性的多种方法,主要包括有溶液处理法、等离子体处理法、表面接枝法、辐照处理法和新兴的原子力显微探针震荡法,并结合具体聚合物材料有重点的详细介绍了改性方法及其改性机理。 关键词:聚合物;表面改性;应用 聚合物在日常生活及化工领域都有非常广泛的应用,但是由于这些聚合物表面的亲水性和耐磨损性较差,限制了聚合物材料的进一步应用。为了改善这些表面性质,需要对聚合物的表面进行改性。聚合物表面改性是指在不影响材料本体性能的前提下,在材料表面纳米量级范围内进行一定的操作,赋予材料表面某些全新的性质,如亲水性、抗刮伤性等。 聚合物的表面改性方法很多,本文综述了溶液处理方法、等离子体处理法、表面接枝法、辐照处理方法和新兴的原子力显微探针震荡法。下面将结合具体聚合物材料详细介绍各种改性方法。 1溶液处理方法 1.1含氟聚合物 PTFE或Teflon具有优良的耐热性、化学稳定性、电性能以及抗水气的穿透性,所以在化学和电子工业上广泛地应用,但由于难粘结,所以应用上受到局限。为了提高粘结性能,需对表面进行改性,化学改性的方法通常用钠萘四氢呋哺液溶处理它。此处理液的配制是由 1mol的金属钠(23g)一次加到1mol萘(128g)的四氢呋喃(1L工业纯)中去,在装有搅拌及干燥管的三口瓶中反应2h,直至溶液完全变为暗棕色即成[1]。 将氟聚合物在处理液中浸泡几分钟,取出用丙酮洗涤,除去过量的有机物。然后用蒸馏水洗。除去表面上微量的金属。氟聚合物在处理液中浸泡时,要求体系要密封,否则空气中氧和水能与处理液中络合物反应而大大降低处理液的使用寿命。正常情况处理液贮存有效期为2个月。处理后的Teflon与环氧粘结剂粘结,拉剪强度可达1100~2000PSi。处理过的表面为黑色,处理层厚低于4×10-5mm 时,电子衍射实验表明处理过的材料本体结构没有变化,材料的体电阻、面电阻和介电损耗也没有变化,此方法有三个缺点:一、处理件表面发黑,影响有色导线的着色;二、处理件面电阻在高湿条件下略有下降,三、处理过的黑色表面在阳光下长时间照射,粘结性能降低,因此目前都采用低温等离子体技术来处理。 1.2聚烷烯烃 聚乙烯和聚丙烯是这类材料中的大品种,它们表面能低。如聚乙烯表面能只有 31×10-7J/cm2。为了提高它们表面活性,有利于粘接,通常需对它们的表面进行改性,其中化学改性方法有用铬酸氧化液处理,此处理液的配方[2]重铬酸钠(或钾)5份,蒸馏水8份,浓

表面改性技术在陶瓷材料中的应用

表面改性技术在陶瓷材料中的应用 引言: 材料表面处理是材料表面改性和新材料制备的重要手段,材料表面改性是目前材料科学最活跃的领域之一。传统的表面改性技术,方法有渗氮、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积、离子束溅射沉积等。随着人们对材料表面重要性认识的提高,在传统的表面改性技术和方法的基础上,研究了许多用于改善材料表面性能的技术,主要包括两个方面:利用激光束或离子束的高能量在短时间内加热和熔化表面区域,从而形成一些异常的亚稳表面;离子注入或离子束混合技术把原子直接引进表面层中。陶瓷材料多具有离子键和共价键结构,键能高,原子间结合力强,表面自由能低,原子间距小,堆积致密,无自由电子运动。这些特性赋予了陶瓷材料高熔点、高硬度、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热性能、热导率低、热膨胀系数小、摩擦系数小、无延展性等鲜明的特性。但陶瓷材料同样具有一些致命的弱点,如:塑性变形差,抗热震和抗疲劳性能差,对应力集中和裂纹敏感、质脆以及在高温环境中其强度、抗氧化性能等明显降低等。 正文: 一、陶瓷材料表面改性技术的应用 1.不同添加剂对陶瓷材料性能的影响。 由于陶瓷材料的耐高温特性经常被应用到高温环境中,特别是高温结构 陶瓷,其高温抗氧化性受到人们的关注。Si 3N 4 是一种强共价结合陶瓷,具有高 硬度、高强度、耐磨和耐腐蚀性好的性能。但是没有添加剂的Si 3N 4 几乎不 能烧结,陶瓷材料的高温强度强烈地受材料组成和显微结构的影响,而材料的显微结构特别是晶界相组成是受添加剂影响的,晶界相的组成对高温力学性能的影响极其敏感。对致密氮化硅而言,坯体中的物质传递对材料的氧化起着决定性作用,一般认为,在测试条件下,具有抛物线规律的氮化硅材料,其决定氧化的主要因素取决于晶界的添加剂离子和杂质离子的扩散速率,不同的添加剂对氮化硅陶瓷的氧化行为影响有所不同[1,2,3]。 2.离子注入技术。 离子注入就是用离子化粒子,经过加速和分离的高能量离子束作用于材料表面,使之产生一定厚度的注入层而改变其表面特性。可根据需要选择要注入的元素,并根据工艺条件控制注入元素的浓度分布和注入深度,形成所需要的过饱和固溶体、亚稳相和各种平衡相,以及一般冶金方法无法得到的合金相或金属间化合物,可直接获得马氏体硬化表面,得到所需要的表面结构和性能由于形成的改性表面不受热力学条件的限制(相平衡、固溶度),所以具有独特的优点。离子注入表面处理技术有:金属蒸汽真空弧离子源离子注入,等离子源注入等。在相同的条件下,重离子比轻离子有更强烈的辐射硬化,因此其对抗弯强度的增加更显著;由于单晶的表面缺陷少所以增加效果 更好]7,6[。

离子束加工原理特点及其应用研究

本科课程论文 题目离子束加工原理特点及其应用研 究 学院 专业机械设计制造及其自动化 年级2012 学号 姓名 指导教师 成绩

2014年12 月10 日 目录 1 前言 (1) 2 离子束加工的原理 (2) 3 离子束加工的优缺点 (3) 3.1离子束加工的优点 (3) 3.1.1加工精度高 (3) 3.1.2污染少、无氧化 (3) 3.1.3对材料影响小 (3) 3.2离子束加工的缺点 (3) 4 离子束加工的分类 (3) 4.1离子蚀刻 (3) 4.2离子溅射沉积 (3) 4.3离子镀 (4) 4.4离子注入 (4) 5离子束加工的主要应用 (4) 5.1刻蚀加工的定义及具体应用领域 (4) 5.1.1刻蚀加工的定义 (4) 5.1.2刻蚀加工的应用领域 (4) 5.2离子镀膜加工的定义及具体应用 (4) 5.2.1离子镀膜加工的定义 (4) 5.2.2离子镀膜加工的具体应用 (5) 5.3离子注入加工的定义及具体应用 (5) 6离子束加工应用现状 (5)

7结语 (5) 参考文献 (6)

离子束加工原理特点及其应用研究 摘要:本文分析离子束加工的原理特点,阐述了离子束加工作为加工精度最高的特种加工方法在微电子学领域中特别是纳米加工的重要性。离子束加工按照其所利用的物理效应和达到的目的不同,可以分为四类,即离子蚀刻、离子溅射沉积和离子镀,离子注入。离子束加工作为最近几年才发展起来的特种加工方法,极大的拓宽了人类对微细材料领域的探索;但是离子束加工的潜力还有待继续挖掘;目前因为加工设备费用贵,成本搞,加工效率低,一些技术还处于研发阶段等问题,离子束加工还未能普及。但我们相信未来离子束加工必将被广泛应用,为人类发展带来更多的贡献。 关键词:离子束加工原理分类现状 1 前言 特种加工是现代先进制造工程技术中较为重要和实用的新技术之一,而且获得了较为广泛的应用,它是我国从制造大国过渡到制造强国的重要技术手段之一。经过最近十几年的迅猛发展,各种特种加工方法在生产中的应用日益广泛,无论是在国内还是国外电加工机床年产量的年平均增长率均打打高于金属切削机床的增长率。作为近年来获得较大发展的新兴特种加工方式,离子加工极高的加工精度和加工质量在精密微细加工方面,尤其是在微电子学领域中得到了较多的应用,比如亚微米加工和纳米

无机分体表面改性方法综述

无机粉体表面改性方法综述 唐亚峰 (南华大学化学化工学院无机非金属材料系湖南衡阳) 摘要:表面改性是无机粉体的主要加工技术之一,表面改性对提高无机粉体的应用性能起着关键的作用。改性后的无机粉体分散性提高,同时也改善了粉体和有机高聚物的相容性。本文介绍了无机粉体表面改性的机理、传统的几类改性方法以及两种新型改性方法,并对无机粉体表面改性方法进行展望。 关键词:无机粉体;表面改性;改性方法;新型方法; 前言 无机粉体具有很高的应用性能和应用价值,添加到聚合物材料当中不仅能降低其生产成本,还提高了复合材料的力学性能和综合性能,甚至赋予其绝缘、阻燃等特殊的物理化学性质。 无机粉体一般为微米或纳米级颗粒,由于其粒径小、比表面积大、表面能高,容易发生团聚,难以在复合材料中均匀分散,影响添加效果。无机粉体的表面性质和聚合物有机体系相差甚远,这也使得无机粉体不能很好的分散到材料中。因此,当无机粉体添加到高聚物复合材料时,首先要对无机粉体进行表面改性,使其粒子表面有机化,改善其亲油性和与基体的相容性,增强界面结合能力,从而发挥无机粉体的功能[1]。 本文介绍了无机粉体表面改性的机理、传统的几类改性方法以及两种新型的改性的方法,并分析了这些方法各自的优缺点。最后对无机粉体表面改性方法进行了展望。 1 无机粉体表面改性的机理 由于无机矿物材料是极性或强极性的亲水矿物,而有机高聚物基质具有非极性的疏水表面,彼此相容性差,通常无机矿物材料难以在有机基体中均匀分散,因此如果过多地或者直接将无机矿物材料填充到有机基体中,容易导致复合材料的某些力学性能下降甚至出现脆化等问题。无机粉体表面改性是利用粉体表面的活性基团或电性与某些带有两性基团的小分子或高分子化合物( 表面改性剂) 进行复合改性,使其表面性质由疏水性变为亲水性或由亲水性变为疏水性,从而改善粉体粒子表面的浸润性,增强粉体粒子在介质中的界面相容性,使粒子容易分散在水中或有机化合物中。粉体表面改性是材料制备工程的重要手段,也是新材

高能粒子束表面改性技术研究与发展

高能粒子束表面改性技术研究与发展 昆明理工大学材料111班解开书 【摘要】主要叙述了高能粒子束表面改性技术中的离子束表面改性技术的基本原理、工艺特点、发展趋势及其存在的问题和解决途径。 关键词:高能粒子束;表面改性;研究与进展 前言 高能粒子束表面改性是通过高能量密度的束流改变材料表面的成分或组织结构的表面处理技术。由于高能粒子束的功率密度可以达到108W/cm2以上,甚至可超过109W/cm2,因此在极短的作用周期下,材料表面就能达到其他表面技术所无法达到的效果。高能粒子束表面改性技术具备以下一些特点: (1)能量密度可以在很大范围内进行调节,并可精确控制; (2)高能粒子束表面改性技术可以方便地与传统的表面改性技术结合起来,从而弥补甚至消除各自的局限性; (3)利用高能粒子束可以对材料表面进行超高速加热和超高速冷却,其冷却速度可达104℃/S,从而实现新型超细、超薄、超纯材料的合成和金属复合材料的制备。 1高能离子束表面改性技术的研究及其应用 1.1 离子束表面改性研究现状 20世纪70年代中期,离子注入技术进入到半导体材料的表面改性,采用离子注入精细掺杂取代热扩散工艺,使半导体从单个晶体管加工发展为平面集成电路加工。20世纪80年代初,离子束混合的出现,对离子束冶金学的发展做出了巨大的贡献。80年代中期,金属 蒸发真空弧离子源(M EV VA)和其他金属离子源的问世,为离子束材料改性提供了强金属离子束。与此同时,为克服注入层浅的问题,开始研究离子束辅助沉积技术(IBAD),又称离子束增强沉积技术(IBED)。20世纪末发展起来的称为“等离子体注入”技术(PSII-PIasm a Source Ion Implantation)克服了常规注入的缺点,可对成批工件同时进行全方位的离子注入而引起人们的关注,由于工件是直接“浸泡”在被注入元素的等离子体内,也有人称之为“等离子体浸没离子注入”(PI II-Plasma Source Ion Implantation)。PSII技术发 展很快,该技术的奠基人之一CONRAD J R已取得大量基础研究和应用成果。 自20世纪70年代以来,许多国家对离子注入材料改性的研究和应用都给予了相当的重视,一些大学、科研机构和公司都相继成立了专门从事这方面工作的研究中心或实验室,如美国的斯坦福大学,英国的哈威尔原子能研究中心以及日本的RIK EN物理化学研究所等。我国离子注入改性技术的研究,早期也和国外一样主要集中在半导体的研究和应用方面,从20世纪70年代至今逐渐把该技术应用于其他领域,特别是在优化材料表面的摩擦学特性方面的研究和应用得到了不断发展。目前,除了北京师范大学、清华大学、四川联合大学原子能研究所、中国原子能研究所等有专门的研究中心外,还在上海冶金研究所建立了中国科学院离子束开放实验室,在大连理工大学建立了国家激光束、电子束、离子束开放研究室。但是由于高性能离子束装置的研制和建立都比较缓慢,因而,无论在基础研究或应用方面与国外相比都还存在一定的差距。

表面改性技术

先进制造技术课程论文 论文题目:[高速齿轮表面改性工艺方法研究] 系部:机械工程系 专业:机械制造与制动化 班级:机制103 学生姓名: 学号:100114314 2012年10 月10 日 摘要 齿轮表面改性技术对于齿面强化,延长齿轮的使用寿命和发展新型齿轮加工技术具有重要的意义.齿轮传动具有传动比准确,传递运动工作可靠,传动平稳效

率高,机构紧凑,使用寿命长等优点,在许多行业得到广泛使用.齿轮工作时的运动和受力情况非常复杂,由此产生的损伤形式多样,比较常见且对其能影响较严重的损伤有3种:断齿、破坏性胶合和破坏性点蚀_l .因此,要求齿轮的整体具有高的弯曲疲劳强度,心部要求高的强度和冲击韧性,齿面要求高硬度、高耐磨性和一定的耐腐蚀性.德国权威机构曾对涉及各行各业的齿轮传动失效实例进行过调查研究,发现因齿轮表面失效而引起的齿轮传动副失的数量约占所调查对象总数的.因此,提高齿轮表面强度已成为提高齿轮传动副的可靠性和延长其使用寿命的有效途径.为了达到这一目的,必须对齿轮进行表面强化处理.除采用常规表面热处理手段外,日益成熟的各种表面强化新技术也获得了广泛应用.目前,齿轮表面强化处理技术主要有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属、激光表面强化、热喷涂等 关键字:齿轮表面改性现代表面技术 一、表面改性技术: 表面技术是指采用某种工艺手段使材料表面获得与其基体材料的组织结构、性能不同的一种技术。材料经表面改性处理后,既能发挥基体材料的力学性能,又能使材料表面获得各种特殊性能(如耐磨,耐高温,合适的射线吸收、辐射和反射能力,超导性能,润滑,绝缘,储氢等) 表面改性技术可以掩盖基体材料表面的缺陷,延长材料和构件的使用寿命,节约稀、贵材料,节约能源,改善环境,并对各种高薪技术的发展具有重要作用。表面改性技术的研究和应用已有多年。70年代中期以来,国际上出现了表面改性热,表面改性技术越来越受到人们的重视。 表面改性的特点是: (1)不必整体改善材料,只需进行表面改性或强化,可以节约材料。 (2)可以获得特殊的表面层,如果超细晶粒、非晶态、过饱和固溶体,多层结构层等,其性能远非一般整体材料可比。 (3)表面层很薄,涂层用料少,为了保证涂层的性能、质量,可以采用贵重稀缺元素而不会显著增加成本。 (4)不但可以制造性能优异的零部件产品,而且可以用于修复已经损坏、失效的零件。 表面改性技术应用:表面改性技术广泛应用于机械工业、国防工业及航空航天领域,通过表面改性可以使材料性能提高,产品质量提高,降低企业成本。表面技术的应用,在提高零部件的使用寿命和可靠性,提高产品质量,增加产品的竞争力,以及节约材料,节约能源,促进高科技技术的发展等方面都有着十分重要的意义。 二、一般传统齿轮的处理方式 1、金属表面形变强化 喷丸强化是当前国内外广泛应用的一种应用广泛的表面强化方法,即利用高速弹丸强烈冲击零件表面,使之产生形变硬化层并引进残余压应力。 喷丸强化原理: (1)形成形变硬化层,在此层内产生两种变化:

材料表面改性方法

材料表面改性方法 材料表面改性是指不改变材料整体(基体)特性,仅改变材料近表面层的物理、化学特性的表面处理手段,材料表面改性也可以称为材料表面强化处理。 现代材料表面改性目的:是把材料表面与基体看作为一个统一的系统进行设计与改性,以最经济、最有效的方法改变材料近表面层的形态、化学成份和组织结构,赋予新的复合性能,以新型的功能,实现新的工程应用。现代材料表面改性技术就是应用物理、化学、电子学、机械学、材料学的知识,对产品或材料进行处理,赋予材料表面减磨、耐磨、耐蚀、耐热、隔热、抗氧化、防辐射以及声光电磁热等特殊功能的技术。 分类: 1、传统的表面改性技术: 表面热处理:通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容,其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布,以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。 表面渗碳:面渗碳处理:将含碳(0.1~0.25)的钢放到碳势高的环境介质中,通过让活性高的碳原子扩散到钢的内部,形成一定厚度的碳含量较高的渗碳层,再经过淬火\回火,使工件的表面层得到碳含量高的M,而心部因碳含量保持原始浓度而得到碳含量低的M,M的硬度主要与其碳含量有关,故经渗碳处理和后续热处理可使工件获得外硬内韧的性能. 2、60年代以来:传统的淬火已由火焰加热发展为高频加热 高频加热设备是采用磁场感应涡流加热原理,利用电流通过线圈产生磁场,当磁场内磁力线通过金属材质时,使锅炉体本身自行高速发热,然后再加热物质,并且能在短时间内达到令人满意的温度。 3、70年代以来: 化学镀:是指在不用外加电流的情况下,在同一溶液中使用还原剂使金属离子在具有催化活性的表面上沉积出金属镀层的方法。 4、近30年来: 热喷涂:热喷涂是指一系列过程,在这些过程中,细微而分散的金属或非金属的涂层材料,以一种熔化或半熔化状态,沉积到一种经过制备

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.

离子束加工原理

离子束加工原理 离子束加工(ion beam machining,IBM)是在真空条件下利用离子源(离子枪)产生的离子经加速聚焦形成高能的离子束流投射到工件表面,使材料变形、破坏、分离以达到加工目的。 因为离子带正电荷且质量是电子的千万倍,且加速到较高速度时,具有比电子束大得多的撞击动能,因此,离子束撞击工件将引起变形、分离、破坏等机械作用,而不像电子束是通过热效应进行加工。 2.离子束加工特点 加工精度高。因离子束流密度和能量可得到精确控制。 在较高真空度下进行加工,环境污染少。特别适合加工高纯度的半导体材料及易氧化的金属材料。 加工应力小,变形极微小,加工表面质量高,适合于各种材料和低刚度零件的加工。 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1)离子刻蚀 3.离子束加工的应用范围 离子束加工方式包括离子蚀刻、离子镀膜及离子溅射沉积和离子注入等。 1)离子刻蚀 当所带能量为0.1~5keV、直径为十分之几纳米的的氩离子轰击工件表面时,此高能离子所传递的能量超过工件表面原子或分子间键合力时,材料表面的原子或分子被逐个溅射出来,以达到加工目的 这种加工本质上属于一种原子尺度的切削加工,通常又称为离子铣削。 离子束刻蚀可用于加工空气轴承的沟槽、打孔、加工极薄材料及超高精度非球面透镜,还可用于刻蚀集成电路等高精度图形。 2)离子溅射沉积 采用能量为0.1~5keV的氩离子轰击某种材料制成的靶材,将靶材原子击出并令其沉积到工件表面上并形成一层薄膜。 实际上此法为一种镀膜工艺。 3)离子镀膜 离子镀膜一方面是把靶材射出的原子向工件表面沉积,另一方面还有高速中性粒子打击工件表面以增强镀层与基材之间的结合力(可达10~20MPa), 此法适应性强、膜层均匀致密、韧性好、沉积速度快,目前已获得广泛应用。4)离子注入 用5~500keV能量的离子束,直接轰击工件表面,由于离子能量相当大,可使离子钻进被加工工件材料表面层,改变其表面层的化学成分,从而改变工件表面层的机械物理性能。 此法不受温度及注入何种元素及粒量限制,可根据不同需求注入不同离子(如

表面改性方法

镁合金表面熔覆改性技术 Surface Overlaying Modification Technology of Magnesium Alloys 摘要评述了镁合金表面熔覆改性技术的国内外发展概况,着重介绍了热喷涂、激光熔覆及热喷涂+激光重熔复合熔覆3种处理工艺和熔覆涂层材料,提出采用热喷涂+激光熔覆合法熔覆工艺、镁合金表面熔覆非晶合金以及熔覆高熔点涂层是提高镁合金表面性能的有效方法,具有良好的应用前景。 关键字:镁合金表面改性研究进展 Abstract:Recent developments of the application of surfacing overlaying modification technology of magnesium alloys are reviewed. The main treatment processes including thermal spraying, laser cladding and a two-step composite method, thermal spraying firstly then laser cladding, are introduced emphatically. Moreover, coating materials for surface modification of magnesium alloy are also summarized. It's pointed out that the composite technology of thermal spraying firstly then laser cladding, overlaying amorphous alloys coating and high melting point materials coating are effective methods of enhancing surface performance of magnesium alloys, which have good application prospects and are worth further studying. Key words magnesium alloys, surface modification, research progresses 1 序言 镁合金因密度低.比强度、比刚度高.电磁屏蔽性好.减震性好.以及优良的切削加工性能.在航空、汽车和电子通讯等行业中得到广泛的应用。但是镁的化学稳定性低.电极电位很负(-2.34V)耐蚀性差.月_镁合金的耐磨性、硬度及耐高温性能也较差.在某种程度上制约了镁合金材料的广泛应用。因此.如何提高镁合金的耐磨、耐腐蚀及耐热等综合性能已成为当今镁合金材料研究、发展的重要课题。有效的途径之一是对镁合金表而进行表而改性处理.在基体材料的表而形成相应的保护层。 日前,镁合金表而处理上要有化学转化、阳极氧化、表而渗层、表而电镀等方法这些方法都存在一些局限性.要么对环境有较人污染.要么所制得的涂层厚度、致密性有限而不能够有效保护。然而采用表而熔覆改性处理.如热喷涂、激光熔覆等方法.就可以克服以上不足.既环保又满足使用性能。本文综述了近年来国内外镁合金表而熔覆改性处理技术和熔覆涂层材料的发展概况。 2 镁合金表面熔覆工艺 2.1 热喷涂工艺 热喷涂技术几乎适用各种材料对零件表而的喷涂.对零件的尺寸大小及形

活性炭表面化学改性及应用研究进展

第8卷 第19期 2008年10月167121819(2008)1925463205  科 学 技 术 与 工 程 Science Technol ogy and Engineering  Vol 18 No 119 Oct . 2008 Ζ 2008 Sci 1Tech 1Engng 1 化工技术 活性炭表面化学改性及应用研究进展 陈孝云 林秀兰 魏起华 林金春 欧水丽 (福建农林大学材料工程学院,福州350002) 摘 要 活性炭表面官能团的种类与数量决定了活性炭的表面化学性质,而化学性质决定了活性炭的化学吸附特性。通过改变活性炭表面官能团的种类与数量、消除某些基团或者负载增加活性中心,可以改善活性炭对特定吸附质的吸附能力。论述了活性炭表面化学性质的氧化、还原、酸碱、等离子体、金属负载和电化学等改性及其应用研究进展。关键词 活性炭 吸附 表面化学改性 表面化学性质中图法分类号 T Q42411; 文献标志码 A 2008年5月27日收到国家自然科学基金(30571461)、福建省科技 厅星火计划项目(3182)、福建省自然科学基金(2008J0225)、青年教师基金(08B20)资助 第一作者简介:陈孝云,男,硕士,讲师,研究方向:离子液体和炭材料。E 2mail:chenxy_dicp@1261com 。 活性炭因孔隙结构发达、比表面积大、表面官能团丰富、灰分含量低、化学性质(耐酸、耐碱、耐热)稳定、机械强度高、不溶于水和有机溶剂、可再生重复利用等优点,被广泛用于治理水体、空气、土壤等环境中有机、无机、细菌及尘埃等污染物 [1—3] 。 但由于活性炭品种少、技术含量低、缺少功能化高品质专用活性炭,制约我国活性炭行业迈向更高层次的应用 [3—5] 。将活性炭改性处理,研制出对污染物高效、深度净化的功能活性炭,是降低活性炭使用成本、扩大其使用范围、提高其利用效率的有效途径,是活性炭行业未来发展方向 [4,6] 。活性炭改性主要是通过一些物理、化学处理,改变其孔隙结构(如孔容、孔径大小与分布等);改变活性炭表面的酸、碱性;或者在活性炭表面引入或去除某些官能团使活性炭具有某种特殊的吸附性能和催化特性 [7—10] 。此外,采用不同的活化方法或不同的活化 剂也可以实现制备不同孔径分布及不同表面化学特性的活性炭 [11] 。目前,针对活性炭表面化学性质 改性的方法主要有氧化改性、还原改性、酸碱改性、等 离子体改性、金属负载改性和电化学改性等[8—15] 。 1 活性炭表面化学性质 活性炭的吸附特性不但取决于它的孔隙结构,而且取决于其表面化学性质,表面化学性质决定了活性炭的化学吸附 [9] 。化学性质主要由表面的化 学官能团的种类与数量、表面杂原子和化合物确定,不同的表面官能团、杂原子和化合物对不同的吸附质的吸附有明显差别 [16] 。因此对活性炭表面 化学结构进行化学改性,使其吸附具有更高的选择性具有重要的意义。活性炭表面官能团一般分为含氧官能团(图1)和含氮官能团(图2);含氧官能团主要有羧基、酚羟基、羰基、内酯基及环式过氧基等,含氮官能团可能存在形式有两类酰胺基、酞亚胺基、乳胺基,类吡咯基、类吡嘧啶基等 [11—13] 。 图1 活性炭表面含氧官能团

表面改性技术综述

表面改性技术综述 表面改性是指采用某种工艺和手段使材料获得与其基体材料的组织结构性能不同的一种技术。材料经过改性处理之后,既能发挥材料基体的力学性能,又能使材料表面获得各种特殊性能,如耐磨,耐腐蚀,耐高温,合适的射线吸收等。 金属表面改性技术在冶金、机械、电子、建筑、轻工、仪表等各个工业部门乃至农业和人们日常生活中都有着广泛的用途, 其种类繁多。除常用的喷丸强化、表面热处理等传统技术外, 近些年还快速发展了激光、电子和离子等高能束表面处理技术。今后, 随着物理学、材料学等相关学科的迅速发展, 还将不断涌现出新的表面改性技术。尤其是复合表面技术的发展, 有可能获得意想不到的效果。金属表面改性技术的飞速发展和不断创新, 将进一步推动其在工农业生产中的应用, 带来显著的经济效益。 传统的表面改性技术有:表面形变强化、表面热处理、表面化学热处理、离子束表面扩渗处理、高能束表面处理、离子注入表面改性等。 1、喷丸强化 喷丸处理是在受喷材料再结晶温度以下进行的一种冷加工方法, 是将弹丸在很高速度下撞击受喷工件表面而完成的。喷丸可应用于表面清理、光整加工、喷丸成型、喷丸校正、喷丸强化等方面。喷丸强化又称受控喷丸, 不同于一般的喷丸工艺, 要求喷丸过程中严格控制工艺参数, 使工件在受喷后具有预期的表面形貌、表层组织结构和残余应力场, 从而大幅度提高疲劳强度和抗应力腐蚀能力。实施喷丸时, 弹丸由专用的喷丸机籍助压缩空气、高压水流或叶轮, 高速射向零件受喷部位。常用弹丸有球形铸铁丸、铸钢丸和其它非金属材料制成的弹丸。喷丸强化的效果用喷丸强度来表示, 与弹丸种类和形状、碰撞速度和密度、喷射方位和距离、喷丸时间等因素有关。表面喷丸提高金属材料疲劳强度的机理比较复杂, 涉及到塑性变形层(通常为011~018mm 厚) 的组织结构变化(如位错密度、亚晶粒尺寸) 和残余应力的变化。因此, 只有合理控制表面变形层内的变化, 才可能获得预期的喷丸强化效果。 早在20 世纪20 年代, 喷丸强化就应用于汽车工业。目前已成为机械制造等工业部门的一种重要的表面技术, 应用广泛。涉及的材料除普通钢外,还有高强度钢和各种有色金属; 涉及的零件类型有弹簧、轴、齿轮、连杆、叶片、涡轮盘和飞机起落架组成件等。 2、传统表面热处理改性 传统的表面热处理技术可分为表面淬火和化学热处理两大类。它主要用来提高钢件的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。在机械设备中, 许多零件(如齿轮轴、活塞销、曲轴等) 是在冲击载荷及表面磨损条件下工作的。这类零件表面应具有高的硬度和耐磨性, 而心部应具有足够的塑性和韧性。因此, 为满足其使用性能要求, 应进行表面热处理。 ○1表面淬火 表面淬火是把零件的表层迅速加热到淬火温度后快冷, 使零件表面层获得淬火马氏体而心部仍保持未淬火状态的一种淬火方法。表面淬火的目的是使零件获得高硬度的表层, 以提高工件的耐磨性和疲劳性能, 而心部仍具有较好的韧性。其设备简单、方法简便, 广泛用于钢铁零件。根据加热方法的不同, 可分之为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。火焰加热表面淬火的淬透层一般为2 -6mm。其特点是设备简单, 但加热温度高及淬硬层不易控制, 淬火质量不稳定, 使用上有局限性。感应加热表面淬火的特点是: 加热速度快, 零件变形小, 生产效率高, 淬火后表面能获得优良的机械性能; 淬透层易控制, 淬火操作易实现机械化。但设备较贵, 形状复杂零件的感应器不易制造, 不宜单件生产。 ○2化学热处理 化学热处理是将金属零件放在某种介质中加热、保温、冷却, 使介质中的某些元素渗入

材料表面技术16

1.表面技术概念:广义:是直接与各种表面现象或过程有关的,是能为人类造福或被人类利用的技术;通过物理、化学或机械以及复合方法,使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态,从而赋予表面与基体不同的性能; 通过物理、化学或机械以及复合方法,使金属表面具有与基体不同的组织结构、化学成分和物理状态,从而赋予表面与基体不同的性能; 2.按照作用原理分类(matton分类): (1)原子沉积:以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度沉积在基体表面上,如电镀,化学镀,PVD,CVD等; (2)颗粒沉积:以宏观尺度形态在基体上形成覆盖层,如热喷涂,冷喷涂,或搪瓷涂层;(3)整体覆盖:沉积材料同一时间整体涂覆在基体上,如热浸镀,涂装,堆焊和包箔等;(4)表面改性:用物理、化学、机械等方法改变材料表面形貌,化学成分,组织结构和应力状态灯,如喷丸,喷砂,化学热处理; 3.基体表面预处理: 概念:用物理、化学方法除去基体表面的油污,氧化皮及其它污染物,使基体表面呈现出一定的粗糙度和清洁度; 前处理包括:(1)表面整平:使表面平整,光滑,达到要求的粗糙度,抛光,磨光,滚光;(2)除油(脱脂):有机除油,化学法,电化学法; (3)除锈(酸洗):化学、电化学; (4)弱腐蚀(活化):电镀、化学镀,除去表面钝化膜,露出新鲜晶格组织稀酸稀碱中处理; 4.喷砂:定义:利用压缩空气把磨料高速喷到零件表面,对其清理的方法。钢砂,石英砂,氧化铝,碳化硅; 应用范围:(1)可清除热处理件(锻件、铸件)表面氧化皮,型砂; (2)可除去工件表面毛刺,锈蚀,油污; (3)对于不宜用酸洗除氧化皮工件,可用喷砂代替; (4)对于某些表面技术,如热喷涂,涂装,可用喷砂产生一定粗糙度,产生“锚固效应”;喷丸:与喷砂原理和设备类似,只是采用的磨料不同, 应用范围:①是零件产生压应力,从而提高零件的疲劳强度和抗应力及抗腐蚀能力。②代替一般冷热成型工艺,可对大型薄壁铝制零件进行成型加工,这样可避免零件表面残留的张应力而形成有利的压应力。③对扭曲的薄壁零件进行校正,经喷丸后的零件使用温度不能太高,以防消除喷丸产生的压应力,使用温度范围因材料而定,一般钢铁件为260-290℃,铝零件为170℃。 5.覆盖能力:使工件最凹处沉积上金属的能力; 均镀(分散)能力:使金属镀层厚度均匀分布的能力; 分散能力好,深度能力肯定好;深度能力好,均镀能力不一定好; 电流效率:电极上实际析出(溶解)物质的质量与理论计算得到的析出(溶解)物质的质量的比; 6.电镀:指在含有欲镀金属的盐类溶液中,以被镀基体金属为阴极,通过电解作用,使镀液中欲镀金属的阳离子在基体金属表面沉积出来,形成镀层的一种表面加工方法; 使电镀分散能力强措施:工件形状越简单越好,加入络合剂,提高溶液导电性,加入导电盐,离阳极距离远一些,可以使镀层分散能力更好; 7.阴极极化:当电流通过电极时,电极电位会偏离平衡电极电位,随电流密度增加电极电位不断变负,即阴极极化; 电化学极化:由于阴极上电化学反应速度小于外电源供给电极电子的速度,从而使电极电位向负的方向移动而引起的极化作用;

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