低溫等離子體在材料表面改性中的應用

文章出處：本站 | 網(wǎng)站編輯：深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2022-04-11

低溫等離子體是指在直流電弧放電、輝光放電、微波放電、電暈放電、射頻放電等條件下所產(chǎn)生的部分電離氣體，其中由于電子的質(zhì)量遠小于離子的質(zhì)量，故電子溫度可以在幾萬攝氏度到幾十萬攝氏度之間，遠高于離子溫度(離子溫度甚至可與室溫相當)，是一種非平衡等離子體，在低溫等離子體中包含有多種粒子，除了電離所產(chǎn)生的電子和離子以外，還有大量的中性粒子如原子、分子和自由基等。故粒子間的相互作用非常復雜，有電子電子、電子中性粒子、電子離子、離子離子、離子中性分子、中性分子中性分子等，在這樣一個復雜的物理體系中，由于電子、離子、激發(fā)原子、自由基的存在且相互作用，因此常可以完成在普通情況下難以完成的事。從20世紀七八十年代以來，等離子體表面改性開始了蓬勃的發(fā)展，目前已形成一一個獨立的研究方向，主要針對金屬、聚合物，生物功能材料等方面。

近十幾年來，低溫等離子體在金屬材料表面改性中得到了廣泛的應用。它改變了金屬材料的表面力學特性，即材料的磨損、硬度、摩擦、疲勞、耐腐蝕等性能。主要體現(xiàn)在:

(1) 為提高金屬表面抗腐蝕能力，通過對鐵和鋼合金進行離子束滲氮來提高其摩擦和耐腐蝕特性。目前采用等離子源離子注人的方法，它區(qū)別于單能量的氮離子注入法，樣品浸沒在等離子體中并加上高負電壓脈沖。在電場中，這些離子被加速而注人到樣品中;在注人過程中，與常規(guī)束線離子注入相似，用高能離子在材料表面近距離區(qū)域注人。與其不同的是，離子從四面八方同時注人到樣品上而沒有視線限制，因此可以處理形狀較復雜的樣品，且注入粒子的能量范圍寬。

(2) 提高金屬的硬度和磨損特性離子注人金屬表面可以形成金屬固溶體和沉積物，故可提高金屬材料的硬度用氮等離子源離子注人法對奧氏體不繡鋼進行滲氮，結(jié)果與未滲氮的樣品相比，表面硬度增加到了HV14，耐磨損能力增加了1~2個數(shù)量級。

(3) 低溫等離子體在對聚合物材料的表面改性中的應用，聚合物材料由于具有良好的性能而廣泛地應用于包裝、航空、印刷、生物醫(yī)藥、微電子、汽車、紡織等行業(yè)。但日益增長的工業(yè)發(fā)展水平對聚合物材料的表面性能如粘附性、浸潤性、阻燃性、電學性能等提出了更高的要求，利用等離子體對其進行表面改性已經(jīng)引起研究人員的廣泛興趣;聚合物材料的浸潤性與許多領域有關，如印刷、噴涂和染色等。但由于聚合物材料表面自由能低，故而導致浸潤性能不好，用化學的方法來改善其特性不但會損壞聚合物基質(zhì)，而且還會放出大量有毒性的水;同時還需消耗大量的能量，且成本高。而利用低溫等離子體處理則克服了這些缺點，既省水省電又不污染環(huán)境。

低溫等離子體在生物功能材料的表面改性中的應用，也由于低溫等離子體所具有的獨特性能，在最近幾年的生物醫(yī)藥領域中同樣已經(jīng)引起人們越來越多的注意和興趣。

當前，等離子體技術在生物醫(yī)藥領域中又有-個新的應用趨勢，即等離子體化學微圖形技術。用于移植、組織培養(yǎng)或其他用途的人造生物材料必須與所處的生物環(huán)境有生物相容性，提高聚合物材料生物相容性的早期方法是準備含與細胞外介質(zhì)(ECM)相似的氮和氧的功能團的基片。目前，在發(fā)展需粘附細胞的生物相容性表面時，集中在固定ECM蛋白質(zhì)于基片表面上。對于那些不需要粘附細胞，如血細胞的材料表面改性所使用的技術是產(chǎn)生具有高度惰性的表面，如氟化的碳氫化合物，或具有生物活性的分子禁止細胞固著，或產(chǎn)生具有高度親水性的基團等。如果對于整個微圖形表面生物相容性或生物惰性都能得到保證，那么微圖形細胞培養(yǎng)技術可以在生物工程中發(fā)揮極大的作用。