常压等离子体在材料方面的应用

常压等离子体在材料方面的应用

俞茂兰　

长安大学材料科学与工程学院， 陕西西安 ７１００６１　

摘 要 ： 常压等离子处理技术是近年来兴起的一项清洁高效的表面处理技术。 材料本身的多样性决定了材料在工程领域、 科技领域及生活领域应用的多样性 。 常压等离子技术并不改变材料的整体特性而仅改变材料的表面特性 。 该技术不仅可以用于金属材料表面改性， 提高金属材料表面的力学性能， 而且可以用于改善高分子材料的表面粗糙度、 亲水性和接枝率等性能 ； 另外，常压等离子处理技术在生物材料应用方面也具有很高的价值 。

关键词 ： 常压等离子体 ； 表面处理 ； 金属 ； 高分子 ； 生物材料　

中图分类号 ： ０５３６　 文献标识码 ： Ａ　 文章编号 ： １６７１－５５８６ （２０１５） ２８－００２５—０１　

中文科技期刊数据库（文摘版 ） 工程技术   ２０１５年６月

等离子体是物质存在的第四态 ， 广泛存在于自然界中， 如极光、 闪电、 宇宙中的星云等 。 等离子中含有中性分子、 离子 、自由电子和各种激发态的粒子 ， 对外不显电性 。 与传统的低温等离子体相比，常压等离子体具有操作简单 ， 设备成本低 ， 活性粒子含量高 ， 能耗低等优点， 因而被广泛用于等离子体刻蚀 、表面改性 、 环境工程及物品表面灭菌等方面 。

１ 常压等离子技术在金属材料方面的应用　

等离子技术用于金属材料表面改性时 ， 能够有效改善材料表面的耐磨性 、 耐蚀性 ， 从而提高材料的使用性能和使用寿命 。人们可采用多种表面处理技术 ， 如表面渗扩 、 离子喷涂等技术进行表面改性 。　

１． １ 表面渗扩技术

等离子表面渗扩技术Ⅲ是利用低真空气体辉光放电产生的离子轰击待处理金属或合金表面 ， 加热工件至所需的温度 ，使某一种或几种元素渗入工件的表面并向内部扩散， 改变工件表面材料的化学成分和组织结构 ， 赋予工件表面特殊的性能 ，延长工件寿命的表面强化技术。 与常规化学热处理相比， 等离子渗扩技术具有突出的优点， 如 ： 渗层质量好 、表面强化效果突出、工件的变形小、效率高、无污染等 。常压等离子渗扩技术可有效提高零件的耐磨性、 耐蚀性和耐疲劳性能。

１． ２ 喷涂技术

大气等离子喷涂技术是常用的表面处理方式之一， 其优点是极高的喷涂速 （５００ｍ／Ｓ） 与温度 （１５０００Ｋ）。 等离子喷涂有非转移弧和转移弧两个电源， 喷涂时先对非转移弧电路通电，在非转移弧与喷嘴之间形成非转移弧 ， 然后对转移弧电路通电，利用非转移弧引燃转移弧。 转移弧被引燃后 ，产生大量的热量 ，同时填充材料按预先设定的量不断吹入电弧中 ， 随即被融化 ，溶入工件， 冷却后形成所需涂层 。 由于等离子喷涂火焰温度高， 可融化各种材料， 因此在热喷涂中占据重要的地位。 等离子喷涂的涂层平整光滑， 厚度精确可控， 涂层孔隙率低， 可以控制在 １％．１０％ 之间 ， 与基体材料结合强度高， 可达 ６０．７０Ｎ／　

ｌＩｕｎ ２[２］。

２ 常压等离子技术在高分子材料方面的应用

２． １ 增加高分子材料表面的自由基数量

常压等离子处理过程中， 活性粒子撞击表面使分子化学键断裂而产生大量的自由基， 增加了材料表面的活性。 自由基具有反应活性强， 顺磁性， 存在寿命短等特点 。 提高材料表面活性的重要途径之一是增加表面的自由基数量。 等离子处理过程中， 试样表面的自由基浓度受多种因素影响 ， 如等离子输出功率 、 处理时长 、 处理高度、 气流速度以及材料的湿度、 回潮率等 。 材料的湿度 、 回潮率越小， 表面的自由基浓度越高［３］。　

２． ２ 对高分子材料的刻蚀作用　

等离子处理对高分子材料表面具有刻蚀作用 。 刻蚀过程即表面能变化过程， 一般会发生两种相互抗衡的反应 ： 一种是剥离， 即去除材料表面大分子 ； 另一种是再沉积 ， 即等离子聚合作用的成膜反应。 剥离和再沉积能引发刻蚀过程中的清洁、 剥离、 交联和表面化学改性四种效应 [４]。 于伟东等运用等离子刻蚀方法对羊毛、 织物进行表面改性 ， 结果表明这种方法可有效改善羊毛的抗静电性和导电性 ， 提高羊毛纤维的缩绒性和吸湿性 ， 有助于硬挺度和丰满度的改善并增加织物的表面摩擦作用[５]。

３ 常压等离子技术在生物材料方面的应用　

生物医用材料要求具有良好的生物适应性 ， 否则将引起炎症 、 癌症等一系列问题 。 生物适应性又分为血液适应性和组织适应性 。　

低温等离子体具有温度低 、 生物化学活性高等特点， 属于安全 、 简便 、 快速且无毒性残留的灭菌技术 ， 应用前景广泛 。但是关于等离子体灭菌的机理有待进一步研究。 国晋菘等采用电子自旋共振（ＥＳＲ）研究分析等离子体中活性氧（ＲＯＳ）的成分来探究其对金黄色葡萄球菌的生物学效应[6]。 结果表明等离子体能有效灭活金黄色葡萄球菌 ，10分钟的灭菌率达99％。

等离子体中含有大量的活性氧成分， 而活性氧中存在羟自由基和单线态氧两种活性基 团， 可能的杀菌机制为 ： １） ＲＯＳ使 细胞膜脂质过氧化 ， 导致细胞膜破裂 ， 造成真菌死 亡 ； ２） ＲＯＳ透过细胞膜使细胞 ＤＮＡ 链氧化断裂 ， 导致真菌基因不能正常表达 ； ３） ＲＯＳ 导致膜内或胞内蛋白质氧化 ，蛋白和酶失去活性 。刘慧 、李海蓉在研究低温等离子体射频流灭活大肠杆菌时提出热效应 、 外加电场 、 高能粒 子、 活性基是过程中的主导杀菌要素 [７]。

４ 结语

常压等离子技术广泛应用于金属材料 、 高分子材料和生物医用材料 ， 充分显示了其广阔的应用前景 。 但一些关键性问题 ，诸如等离子体的改性机 理、 等离子体中粒子的相互作用规律、适用于多种材料处理的等离子体发生装置等有待进一步研究和开发 。　

参考文献　

［１］朱新河， 严立等 ． 常压等离子体表面渗扩技术研究 ［Ｊ］． 中国　

表 面工程 ， ２００１， ５３ （４） ： ３０． ３３．　

［２]   鲁瑶， 李诗龙 ． 等离子 热喷 涂在粮油食 品机械 上的应用 ［Ｊ］．　

安徽 农业科 学， ２０１５， ４３ （１３） ： ３８３．３８４．　

［３]   孙洁 ． 常压等离子体处理高分子材料诱导自由基及其弓ｌ发　

表 面改性 反应的研究 ［Ｄ］．上海 东华大学， ２０１１．　

［４]   王春霞 ， 常压等离子射流对纺织品表面改性的均匀性和渗　

透性研究 【Ｄ］． 上海 ． 东华大学， ２００８．　

［５]   于伟 东， 张矫崎 ．羊 毛的等离子刻蚀改性探 讨 ［Ｊ］． 高分子材　

料科 学与工程， １９９１ （４） ： ８８． ９２．　

［６]   国晋菘， 潘洁等 ． 大气压低 温等离子体的活性氧成分分析　

及其杀菌效应研究 ［Ｊ］．北京大学学报， ２０１２．４８ （４） ： ５３３．５３７．