低溫等離子體對材料的表面改性

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------低溫等離子體對材料的表面改性張??波冷等離子體對材料的表面改性,通過放電等離子體來優(yōu)化材料的表面結(jié)構(gòu),是一種非常先進(jìn)的材料表面改性方法。冷等離子體的特殊性能可以對金屬、半導(dǎo)體、高分子等材料進(jìn)行表面改性,該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、紡織等工程領(lǐng)域。等離子體是??物質(zhì)的第四態(tài)??,它是由許多可流動的帶電粒子組成的體系。等離

2、子體的狀態(tài)主要取決于它的化學(xué)成分、粒子密度和粒子溫度等物理化學(xué)參量,其中粒子的密度和溫度是等離子體的兩個最基本參量。實驗室中采用氣體放電方式產(chǎn)生的等離子體主要由電子、離子、中性粒子或粒子團(tuán)組成。描述等離子體的密度參數(shù)和溫度參數(shù)主要有:電子溫度Te、電子密度ne、離子溫度Ti、離子密度ni、中性粒子溫度Tg、中性粒子密度ng。在一般情況下,等離子體呈現(xiàn)宏觀電中性,當(dāng)?shù)入x子體處在平衡狀態(tài)時,ne??ni=ng。可以用物理參量電離度??=ne/(ne+ng)來描述等離子體的電離程度,低氣壓放電產(chǎn)生的等離子體是弱電離

3、的等離子體(????1),??=1時,為完全電離等離子體。等離子體按照其組成粒子的能量大小及熱力學(xué)性質(zhì),可分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體中帶電粒子的溫度可達(dá)到絕對溫度幾千萬度到上億度,如太陽上的核聚變及地球上的熱核聚變反應(yīng)等。低溫等離子體又分為熱等離子體(熱力學(xué)平衡)和冷等離子體(非熱力學(xué)平衡),其中熱等離子體中粒子的能量特別高,通常用于需要高——————————————————————————————————————---------------------------------------

4、---------------------------------------------------------溫作業(yè)的領(lǐng)域,如磁流體發(fā)電,等離子體焊接、切割,等離子體冶煉,等離子體噴涂,等離子體制備超細(xì)粉等。實驗室中采用低氣壓放電產(chǎn)生的等離子體,電子溫度Te約為1~10eV(1eV=11600K),而離子溫度Ti只有數(shù)百開爾文,基本上等于中性粒子的溫度,所以這種等離子體稱為冷等離子體。正因為冷等離子體的宏觀溫度與室溫相差無幾,所以有著重要應(yīng)用價值,如用于材料的表面改性以及光源等。對于冷等離子體對高分子材料

5、表面改性的作用機(jī)理,一般認(rèn)為冷等離子體中含有大量電子、離子,激發(fā)態(tài)的分子和原子、自由基及紫外光等活性粒子,這些粒子的能量大多在0~20eV之間,而高分子材料大多是由C、H、O、N四種元素組成,這些分子之間的鍵能也多在l~10eV之間,如C-H(4??3eV)、C-N(2??9eV)、C-C(3??4eV)、C=C(6??leV)等,恰恰在等離子體的能量作用范圍之內(nèi),因而等離子體對高分子材料表面改性十分有效,可改變其表面的化學(xué)組分和化學(xué)結(jié)構(gòu)。冷等離子體對高分子材料的表面改性可分為三類:第一種是非聚合性氣體的等離

6、子體表面處理,這是通過非聚合性氣體(如O2、N2、NH3等)在等離子體的氣氛下使材料表面化學(xué)組分和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化;第二種是聚合性氣體的等離子體聚合,這是用有機(jī)物、有機(jī)硅化合物或金屬有機(jī)化合物等在材料表面生成聚合物薄膜;第三種是等離子體接枝,即在被等離子體激活的材料表面引進(jìn)化學(xué)基團(tuán)?？傊?由于冷等離子體中含有大量電子、離子,激發(fā)態(tài)的原子、分子和自由基等活性粒子,這些活性粒子和材料相互作用使材料表面發(fā)生氧化、還原、裂解、交聯(lián)和聚合等各種物理和化學(xué)反應(yīng),從而優(yōu)化材料表面性能,增加材料—————————————————

7、—————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------表面的吸濕性(或疏水性)、可染性、粘接性、抗靜電性及生物相容性等。冷等離子體發(fā)生裝置與真空紫外光對材料改性的影響冷等離子體裝置,在密封容器中設(shè)置特定的電極形成電場,用真空泵實現(xiàn)一定的真空度,隨著氣體愈來愈稀薄,分子間距及分子或離子的自由運(yùn)動距離也愈來愈長,它們在電場作用下發(fā)生碰撞

8、而形成等離子體;因這時會發(fā)出輝光,故稱為輝光放電。輝光放電時的氣壓大小對材料處理效果有很大影響,其他影響因素還有放電功率、氣體成分、材料類型等。電源作為等離子體發(fā)生裝置的主要部件,功率范圍一般在50~500W之間,根據(jù)電源頻率的不同可分為直流、低頻(50Hz~50kHz)、射頻(指定頻率13??56MHz)、微波(常用2450MHz)。圖1~圖3分別是各種輝光放電裝置示意圖。冷等離子體對材料表面改性