离子注入高分子材料表面改性
摘要叙述了离子注入对高分子材料进行表面改性的新工艺。其技术原理和特点, 并着重介绍了其在高分子材料表面改性中的应用，综述了国内目前在这方面的研究现状及试验结果及发展前景。
关键词离子注入高分子材料表面改性
1．前言
近几十年来, 随着高科技的迅猛发展, 对各类材料的表面性能提出越来越高的要求。因此, 采用新技术、新工艺改善材料的表面性能就越显重要- 离子注入能在不改变材料基本性能的情况下, 有选择地改善材料表面的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等- 目前世界上许多国家都有专门从事离子注入研究的队伍。据了解, 英国Rolls-Roycc股份有限公司为了解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损, 曾比较了46种不同的表面处理工艺, 最后选择了3种, 其中之一就是离子注入新工艺。由此可见, 离子注入技术将会受到人们更加广泛的重视, 它将在我国社会主义现代化建设中发挥越来越大的作用。
2．离子注入的原理
离子注入对高分子材料的改性是通过离子注入使材料的结晶、组分以及分子空间位置的变化来实现的。当带能离子射到高分子表面时,会与材料原子和电子发生一系列的碰撞作用,与电子的碰撞是非弹性碰撞,与原子的碰撞是弹性碰撞。无论在哪种碰撞过程中,载能离子每经一次碰撞,就将部分能量传递给原子或电子,同时相应减少离子本身的能量,直到经多次碰撞后入射离子的能量几乎耗尽,它才在材料中作为一种杂质原子停留下来。此外,被撞的晶格节点上的原子,如果接受的能量足以使其克服周围原子对它的束缚就会发生离位,并以一定能量在材料晶格中飞行。此时,它同样能使别的原子离位。可以想像,一个入射离子可以产生出一系列的碰撞,产生一系列的离位原子,这种原子与原子、原子与电子的碰撞就是注入离子与高分子材料相互作用的基本物理过程。
离子在加速器中获得一定的能量并藉此进入样品表面以下一定深度, 在靠近表面处形成一层组成和结构都不同于体相的注入层。由于离子的注入深度h 和离子能量的平方根E1/ 2成正比, 所以在不同加速器中得到的表面改性层是不一样的。影响离子注入改性效果的另外一个重要因素是离子注入量, 只有在恰当的离子注入量的时候才会使表面硬度和耐磨性得到最好的改善。
在离子注入技术中由于注入离子在基体中与基体原子相混合，属于非包覆处理, 因此离子注入技术的应用不受材料固溶度的限制。另外, 离子注入过程是在较低温度下进行的, 被注入材料不会发生热变形,可保持原有的尺寸精度和表面粗糙度等。由于这些突出的优点, 近年来, 人们不断将离子注入技术用在
高分子表面改性方面, 克服材料的种种不足, 尤其是离子注入技术能够在高分子的表面引起交联反应, 使表面硬度增大, 从而起到了改进高分子摩擦性能的作用。
3．离子注入改性高分子材料的优点
离子注入(Ion implontation)是一种利用物理方法控制分子聚集状态进行表面改性的有效手段, 通过离子注入高分子材料，不仅能提高材料表面机械性能，而且可以改善高分子材料的导电性能、光学特性和磁学性能等。
离子注入材料表面改性是一种新技术、新工艺、新方法，有其无可比拟的优越性, 主要有如下几方面：
(1)离子注入是借助于电场力将添加物以离子形式注入到基体材料中,离子进入固体的过程是一个非平衡过程,原则上可以将任何元素引入到固体中,而不受固溶度和热平衡的限制。注入离子在基体中进行原子级混合可以形成固溶体,新型高分子材料,获得用其它方法所不能得到的新材料。
(2)注入离子在基体中与基体原子混合,无明显界面,属于无界面高分子合金材料。
(3)离子注入一般在常温(或低温)下及真空中进行,整个过程是洁净的,没有环境污染,被注入高分子材料或器件不会变形,其表面不会产生氧化脱碳,能保持原有的尺寸精度及表面粗糙度。
(4)离子注入高分子是采用物理方法达到化学目的的手段,它可以进行任意元素的掺杂,且注入离子的能量和剂量可任意选择,不受化学方法中某些条件的限制,因而可迅速改变材料的组分与结构,导致材料化学与物理性能的改变。
(5)离子注入高分子技术控制的是电参量,人们可以自由地支配两个独立参量,从而能精确地控制掺杂的深度和浓度的分布,且掺杂均匀性好,重复性高,有利于大规模生产。
4．离子注入对高分子材料性能的影响
4.1结构的变化
由离子束轰击所引起的结构变化是物理、化学、力学等性能改变的基础。据最新的研究表明,当高分子受到高能离子的注入后, 高分子中的大分子链发生3个主要的变化, 即链的断裂、不饱和键的形成以及链与链之间的相互交联。在不
同离子注入剂量下, 这3 种变化所占的比例是不一样的。随着注入离子质量的增加, 大的原子核与高分子链节间的碰撞比例升高, 引起链断裂的比例升高; 随着注入离子能量及剂量的增加, 单位距离离子传递的能量增加, 这有利于链与链之间形成交联网状结构。对这3种变化来说, 链的断裂使得分子间作用力降低,引起高分子材料的老化, 力学与电学性能会极大地降低。而不饱和链及链链间交联的形成才是其电导率升高以及硬度增加的直接原因。
4.2 电学性能
高分子的导电性一般都很弱, 源于高分子的共价键结构使得自由电子数目非常少和高分子中链与链之间存在的间隙, 这使得自由电子不能够自由穿流。而在高能离子注入后的高分子中, 由于结构的变化有不饱和键形成, Π电子的大量存在, 使得载流子数得到极大的提高, 加上交联网络结构的形成, 使Π电子的流动能力得到了增强, 高分子中形成大的Π电子共轭体系, 电子能够自由地进行流动。
在对聚酰亚胺进行离子注入剂量2000nm- 2后，电阻值降低了3.33×1019倍。对其它一些高分子进行类似的注入时, 在适当的注入剂量及工艺条件下, 导电性能也得到大幅度的提高。
4.3 力学性能
高分子经过高能离子注入, 力学性能发生巨大的变化。下表列出一些常见的高分子材料在一定流量的离子注入后硬度的变化情况。
由表中数据可以看出, 经过高能离子注入的材料, 硬度都得到了不同程度的提高。在对这些改性后的材料用GPC (凝胶色谱)进行分析后, 均发现交联的大分子在结构中占很大的比例, 所以交联网状结构对材料的硬度起着决定性的作用。但是, 至今交联密度与硬度间的关系尚未建立, 这将成为未来研究的热点。
在球盘式磨损实验机上用滚珠钢球或尼龙球对这类表面改性的高聚物材料做耐磨性能的实验, 发现在硬度得到提高的同时, 材料表面耐磨性也有了很好的改善。而且在不同的注入条件下, 耐磨性提高的程度不同。实验表明, 最佳耐磨值并不是在最高的注入能量及剂量下, 而是在中等条件下获得。原因在于, 过高的能量和剂量极易使高分子表面局部交联程度过高, 在摩擦过程中已交联区和未交联区在边界上首先发生开裂, 而且交联程度过高又易造成表面的脆化, 这都使得耐磨值降低。同时, 由于各种不同离子的质量不一样, 其注入效果也不同。最新的研究发现, 多种离子的混合注入达到的耐磨效果要远远好于单一离子的注入, 这与不同离子注入层深度有着很大的关系。
4.4 对高分子材料生物相容性能的影响
随着材料科学、医学修复等科技的不断进步, 具备生物相容性的高分子材料在生物医学领域发挥着越来越重要的作用。理想的生物医学材料应当满足如下要求: 良好的生物相容性, 良好的抗凝血性,合适表面亲水性能, 较强的细胞特异性识别能力, 较强的消除非特异性识别能力,易于加工。而目前使用的各种生物医学材料还不能完全满足以上要求。研究表明,可以从两条途径着手来改善生物医学材料的性能, 一条途径是从材料的本体入手, 另一途径是从材料的表面入手。因为与人体直接接触的是材料的表面, 而且研发新的本体材料难度较大, 因此利用表面工程的方法对生物医学材料进行表面改性是目前最经济有效的手段。在生物医学材料表面改性的各种表面处理技术中, 离子注入是最成功的一种。
在神经修复领域, 人们用聚二甲基硅氧烷(PDM S)材料做成细管, 引导神经元的轴突在细管内自发生长,达到神经再生的目的。研究表明,负碳离子注入可显著改变PDMS细管内壁吸附蛋白质的能力, 从而改变神经在细管内的生长能力。
生物细胞附着在高分子材料表面上主要是因为细胞外基质与材料表面之间的相互作用。研究表明, 细胞外基质在聚苯乙烯、硅橡胶(PDM S)、聚赖氨酸材料上具有不同的附着能力, 且此附着能力可以被负碳离子注入改性。
5. 总结
离子注入技术是一种用物理方法对分子聚集状态进行表面改性的有效手段, 其最大优点是可以不受基底材料固溶度的限制而任意注入所需要的各种离子。高分子材料由于具有独特的性能已经在许多重要领域获得了广泛的应用, 但是其硬度低、耐磨性差等缺点又限制了高分子材料的更进一步应用。将离子注入技术应用于高分子材料可以使高分子表面断链、交联,提高高分子表面的电导率、硬度、耐磨性、介电特性、光电导特性、生物相容性能, 使得高分子材料的应用领域大大扩展。离子注入应用于高分子材料表面改性还是一门新兴的学科, 还有更多的领域有待发掘和探索, 随着研究的不断深入, 可以预期离子注入将在高分子表面改性领域发挥越来越重要的作用。
参考文献
【1】王贻华, 胡正琼. 离子注入与分析基础【M】. 北京：航空工业出版社，1992.
【2】张通和, 吴瑜光. 离子注入表面优化技术[M]. 北京：冶金工业出版社，1993
【3】王茗，史庆南，陈勇军. 离子注入材料表面改性的研究进展【J】. 云南冶金，2003（2）：54-56
【4】贾新云. 离子注入法改善高温钛合金抗氧化性能研究【D】. 2001
【5】郑建邦，王辉. 低能离子注入对聚苯胺薄膜的改性研究【J】.真空科学与技术，2000，20（3）：197-199
【6】吴洪才，席保锋，屠德民. 离子注入高分子薄膜电导机理的研究【J】.西安交通大学学报，1991，25（4）：85-92
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
离子注入高分子材料表面改性
摘要叙述了离子注入对高分子材料进行表面改性的新工艺。其技术原理和特点, 并着重介绍了其在高分子材料表面改性中的应用，综述了国内目前在这方面的研究现状及试验结果及发展前景。 关键词离子注入高分子材料表面改性
1．前言 近几十年来, 随着高科技的迅猛发展, 对各类材料的表面性能提出越来越高的要求。因此, 采用新技术、新工艺改善材料的表面性能就越显重要- 离子注入能在不改变材料基本性能的情况下, 有选择地改善材料表面的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和抗疲劳性等- 目前世界上许多国家都有专门从事离子注入研究的队伍。据了解, 英国Rolls-Roycc股份有限公司为了解决飞机发动机叶片材料的微粒磨损, 曾比较了46种不同的表面处理工艺, 最后选择了3种, 其中之一就是离子注入新工艺。由此可见, 离子注入技术将会受到人们更加广泛的重视, 它将在我国社会主义现代化建设中发挥越来越大的作用。 2．离子注入的原理 离子注入对高分子材料的改性是通过离子注入使材料的结晶、组分以及分子空间位置的变化来实现的。当带能离子射到高分子表面时,会与材料原子和电子发生一系列的碰撞作用,与电子的碰撞是非弹性碰撞,与原子的碰撞是弹性碰撞。无论在哪种碰撞过程中,载能离子每经一次碰撞,就将部分能量传递给原子或电子,同时相应减少离子本身的能量,直到经多次碰撞后入射离子的能量几乎耗尽,它才在材料中作为一种杂质原子停留下来。此外,被撞的晶格节点上的原子,如果接受的能量足以使其克服周围原子对它的束缚就会发生离位,并以一定能量在材料晶格中飞行。此时,它同样能使别的原子离位。可以想像,一个入射离子可以产生出一系列的碰撞,产生一系列的离位原子,这种原子与原子、原子与电子的碰撞就是注入离子与高分子材料相互作用的基本物理过程。 离子在加速器中获得一定的能量并藉此进入样品表面以下一定深度, 在靠近表面处形成一层组成和结构都不同于体相的注入层。由于离子的注入深度h 和离子能量的平方根E1/ 2成正比, 所以在不同加速器中得到的表面改性层是不一样的。影响离子注入改性效果的另外一个重要因素是离子注入量, 只有在恰当的离子注入量的时候才会使表面硬度和耐磨性得到最好的改善。 在离子注入技术中由于注入离子在基体中与基体原子相混合，属于非包覆处理, 因此离子注入技术的应用不受材料固溶度的限制。另外, 离子注入过程是在较低温度下进行的, 被注入材料不会发生热变形,可保持原有的尺寸精度和表面粗糙度等。由于这些突出的优点, 近年来, 人们不断将离子注入技术用在
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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。
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
离子注入金属表面改性技术
摘要本文综述了金属表面改性离子注入法的机理、特点和应用。并介绍了等离子体浸没式离子注入（PIII）方法，及其相对于传统方法的特点。 Abstract Mechanism, characteristics and application of ion implantation for surface modification of metals are reviewed in this paper. Besides, a promising ion implantation technique—plasma immersion ion implantation(PIII)—is introduced. Especially, its advantages, relative to conventional techniques, are discussed. 关键词金属表面改性离子注入等离子体浸没式离子注入 Keywords surface modification of metal, plasma immersion ion implantation(PIII), ion implantation 前言 金属材料的表面性能在生产中起到至关重要的作用，特别是有的工作环境要求材料高负荷、高转速、高寿命、耐高温、低损耗。离子注入技术应运而生。近几十年来，离子注入在金属和半导体材料的研究、应用发展迅速，并在向绝缘材料和聚合物领域扩展。注人原子原则上可以是元素周期表中的任何元素；被注人基体原则上可以是任何材料；离子注人将引起金属表层的成分和结构的变化以及原子环境和电子组态等微观状态的扰动，因此导致金属各种物理、化学、机械性能的变化。得到理想的材料表面性能。 离子注入金属表面改性的机理 高速离子注入金属后，与金属中的原子、电子发生碰撞。如果晶格原子从碰撞中获得足够的能量，则被撞击原子将越过势垒而离开晶格位置进入原子间隙成为间隙原子；如果反冲原子获得的反冲能量远远超过移位阀功，它会继续与晶格原子碰撞，产生新的反冲原子，发生“级联碰撞”。在级联碰撞中，金属原来的晶格位置上会出现许多“空位”，形成辐射损伤；离子注入金属表面后，有助于析出金属化合物和合金相、形成离散强化相、位错网；灵活地引入各种强化因子，即掺杂强化和固溶强化。 离子注入技术的特点 离子注入技术主要有以下几个特点： 1)进入金属晶格的离子浓度不受热力学平衡条件的限制； 2)注入是无热过程，可在室温或地温下进行；不引起金属热变形； 3)注入离子在基体中与基体原子混合，没有明显的界面，注入层不会像镀 层或涂层那样发生脱落现象； 4)可以进行新材料的开发；注入离子在基体中进行原子级混合，可以形成 固溶体、化合物或新型合金。
离子注入技术的发展和在材料方面的应用
离子注入技术的发展 及其在材料方面的应用
摘要 离子注入是一项新兴的材料表面改性技术。它可以使材料表面的机械、物理、化学、电学等性能发生变化。有效地提高材料表面的硬度以及耐磨擦、耐磨损、抗腐蚀、抗疲劳等能力，延长材料使用寿命，增加经济收益。本文介绍了离子注入的基本原理以及技术特点，描述了离子注入在金属材料表面改性、半导体材料以及超导方面的技术应用，并展望了离子注入的应用前景。 关键词：离子注入；材料；表面改性；半导体；超导
一、绪论 离子注入技术于七十年代初首先成功地应用于半导体工业，成为制备大规模集成电路必不可少的手段之一。八十年代起人们把离子注入技术开始用于金属材料的表面改性。由于该项技术本身的独特优点、良好的改性效果以及潜在的巨大经济效益，近年来吸引了愈来愈多的研究者开始从事该项技术的开发研究。日前，随着应用围的日益扩大和理论研究的不断深入，离子注入技术日趋成熟。 近年来离子注入的方式也更加多样化，除了常规离子注入外，由此派生出的其它注入方法有：反冲注入、动态反冲注入、离子束混合等。注入方式的多样化完善了注入实验手段，使人们对各种具体情况可以选择恰当的注入方式，以满足不同的要求。 在实际应用中，很多方面都需要固体材料有较好的表面性能，如耐腐蚀性，抗磨损性，较高的硬度和抗氧化性等，而这些性能都直接与固体材料表面成分，结构组态，化台物相等有关，离于注入技术是最重要的手段之一。 离子注入技术应用于金属材料的改性，从碳素工具钢、硬质合金刚到人造或天然金刚石制造的量具、刃具、刀具、模具和工件等，通过表面改性，可提高使用寿命。经离子注入后，材料(或工件)韵表面硬度、耐磨损性能、抗腐蚀能力及使用寿命等，一般可提高几倍到十几倍。目前，离子注入已经发展成为一门核技术与金属学之间新兴的边缘学科——“离子注入冶金学” (Ion Implantation Metallurgy)。各发达国家都十分关注这门学科的发展和应用。 二、关于离子注入的简单介绍 （一）离子注入的定义 离子注入是利用某些杂质原子经离化后形成带电杂质离子，离子经过一定的电场加速，直接轰击靶材料实现掺杂或其他作用。一般的说,离子能量在1－5KeV 的称为离子镀；0.1-50KeV称作离子溅射；一般称10－几百KeV的称为离子注入。注入到材料中的离子具有很高的能量，足以使注入层的化学组分和原子结构发生变化，这样使得材料表面的机械、物理、化学、电学等性能也随之改变．从而达到材料表面改性的目的。 简单地说，离子注入的过程，就是在真空系统中，用经过加速的，要掺杂的原子的离子照射（注入）固体材料，从而在所选择的（即被注入的）区域形成一
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
第七章 聚合物的表面改性技术介绍
第七章聚合物的表面改性 聚合物表面改性原因：①聚合物表面能低②聚合物表面具有化学惰性难以润湿和粘合③聚合物表面污染及存在弱边界层聚合物表面改性的目的：①改变表面化学组成，引进带有反应性的功能团②清除杂质或弱边界层③改变界面的物理形态④提高表面能，改进聚合物表面的润湿性和黏结性⑤设计界面过渡层 第七章聚合物的表面改性 聚合物的表面改性的方法：电晕、火焰、化学改性、等离子改性、辐照、光化学改性等。这些方法一般只引起10-8～10-4m 厚表面层的物理或化学变化，不影响其整体性质。 7-1 电晕放电处理 电晕放电是聚烯烃薄膜中最常用的表面处理方法。因为聚烯烃，聚丙烯等烯烃是非极性是非极性材料，有高度结晶性，其表面的印刷、粘接、涂层非常困难。电晕放电处理装置如图 7-1 电晕放电处理 原理：塑料薄膜在电极和感应辊之间通过。当施加高压电时，局部发光放电，产生电子、正离子、负离子等高能离子。电子的冲突电离作用使电子、离子增殖，产生的正离子、光子又发生二次电离而持续放电，结果在阳极和阴极之间产生电晕。这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合物表面产生自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可形成各种极性基团，因而改善了聚合物的黏结性和润湿性。 7-1 电晕放电处理 7-1 电晕放电处理 以上两图表明： 1.电晕处理后低密度聚乙烯（LDPE）表面张力的变化：开始表面张力随电晕处理的电流增大而显著提高，当电流超过100 mA 后，表面张力增加速度趋缓2.电晕处理后低密度聚乙烯（LDPE）剥夺力的影响（变化同上） 7-2 火焰处理和热处理 一、火焰处理：1.定义：用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行瞬时高温燃烧，使其表面发生氧化反应而达到处理的目的。 2.常用可燃气体：采用焦炉煤气或甲烷、丙烷、丁烷、天然气和一定比例的空气或氧气。即焦炉煤气甲烷、丙烷、丁烷、天然气 7-2 火焰处理和热处理 3.常用火焰处理来提高其表面性能的物质（粘接性）聚乙烯、聚丙烯的薄膜、薄片吹塑的瓶、罐、桶等 4.例如：用聚丙烯制作汽车保险杠，用火焰处理来提高其表面的可漆性。 5.原理：火焰燃烧的温度可达1000-2700oC，处理的时间极短（0.01～0.1s内）（以避免工件受高温影响而发生变形、软化甚至熔化） 7-2 火焰处理和热处理 火焰中含有许多激活的自由基、离子、电子和中子，如激发态的O﹑NO﹑OH和NH，可夺取聚合物表面的氢，随后按自由基机理进行表面氧化反应，使聚合物表面生成羰基、羧基、羟基等含氧活性基团和不饱和双键，从而提高聚合物的表面活性。二、热处理1.定义：7-2 火焰处理和热处理 把聚合物暴露在热空气中进行氧化反应，使其表面引进羰基、羧基以及某些胺基和过氧化物，从而获得可润湿性和黏结性。2.热处理的温度只有几百（<500oC）摄氏度，远低于火焰处理的温度，因而处理时间较长。 7-3 化学处理 指用化学试剂浸洗聚合物使其表面发生化学和物理变化的方法。优点：工艺简单，设备投资小，因而应用广泛。一、含氟聚合物1.如聚四氟乙烯（PTFE ）、氟化乙烯-丙烯共聚物（FEP ）和聚三氟乙烯( PTFE ）等
离子注入简介
离子注入简介 我们设想在真空中有一束离子束射向一块固体材料时会发生哪些现象呢？离子束把固体材料的原子或分子撞出固体材料表面，这个现象叫做溅射；而当离子束射到固体材料时，从固体材料表面弹了回来，或者穿出固体材料而去，这些现象叫做散射；另外有一种现象是，离子束射到固体材料以后，受到固体材料的抵抗而速度慢慢减低下来，并最终停留在固体材料中，这一现象就叫做离子注入。 离子注入技术又是近30年来在国际上蓬勃发展和广泛应用的一种材料表面改性高新技术。其基本原理是：用能量为100keV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料中的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互作用，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。此项高新技术由于其独特而突出的优点，已经在半导体材料掺杂，金属、陶瓷、高分子聚合物等的表面改性上获得了极为广泛的应用，取得了巨大的经济效益和社会效益。作为一种材料表面工程技术，离子注入技术具有以下一些其它常规表面处理技术难以达到的独特优点：(1)它是一种纯净的无公害的表面处理技术；(2)无需热激活，无需在高温环境下进行，因而不会改变工件的外形尺寸和表面光洁度；(3)离子注入层由离子束与基体表面发生一系列物理和化学相互作用而形成的一个新表面层，它与基体之间不存在剥落问题；(4)离子注入后无需再进行机械加工和热处理。 离子注入机是由于半导体材料的掺杂需要而于上世纪60年代问世。虽然有一些不同的类型，但它们一般都由以下几个主要部分组成：(1)离子源，用于产生和引出某种元素的离子束，这是离子注入机的源头；(2)加速器，对离子源引出的离子束进行加速，使其达到所需的能量；(3)离子束的质量分析(离子种类的选择)；(4)离子束的约束与控制； (5)靶室；(6)真空系统。 非半导体材料离子注入表面改性研究对离子注入机提出了一些新的要求。大家知道，半导体材料的离子注入所需的剂量(即单位面积上打进去了多少离子，单位是：离子／平方厘米)比较低，而所要求的纯度很高。非半导体材料离子注入表面改性研究所需的剂量很高(比半导体材料离子注入高1000倍以上)，而纯度不要求像半导体那么高。 在非半导体材料离子注入表面改性研究的初始阶段，主要是沿用半导体离子注入机所产生的氮离子束来进行。这主要是因为氮等气体离子在适用于半导体离子注入的设备上容易获得比较高的离子束流。氮离子注入在金属、硬质合金、陶瓷和高分子聚合物等的表面改性的研究与应用中取得了引人注目的成功。因此这个阶段被称为氮离子注入阶段。 金属离子注入是新一代的材料表面处理高技术。它利用具有很高能量的某种金属元素的离子束打入固体材料所引起的一系列物理的与化学的变化，来改善固体材料的某些表面性能。研究结果表明，金属离子注入在非半导体材料离子注入表面改性研究与应用
聚合物表界面改性方法
聚合物表界面改性方法概述 摘要：聚合物由于表面能低、表面具有化学惰性、难以润湿和粘合、聚合物表面污染及存在弱边界层，所以要使用一定的方法金星表面改性，提高整体性能。聚合物表面改性通常需要改变表面化学组成，引进带有反应性的功能团；清除杂质或弱边界层；改变界面的物理形态，提高表面能；改进聚合物表面的润湿性和黏结性；设计界面过渡层等。 关键词：聚合物；表面改性；研究进展，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，本文综述了常见的改性及最新的研究进展。下面将结合具体聚合物材料详细介绍各种改性方法。 这些方法一般只引起10-8～10-4m厚表面层的物理或化学变化，不影响其整体性质。 一、电晕放电处理 电晕放电是聚烯烃薄膜中最常用的表面处理方法。因为聚烯烃，聚丙烯等烯烃是非极性是非极性材料，有高度结晶性，其表面的印刷、粘接、涂层非常困难。 原理：塑料薄膜在电极和感应辊之间通过。当施加高压电时，局部发光放电，产生电子、正离子、负离子等高能离子。电子的冲突电离作用使电子、离子增殖，产生的正离子、光子又发生二次电离而持续放电，结果在阳极和阴极之间产生电晕。这些高能粒子与聚合物表面作用，使聚合物表面产生自由基和离子，在空气中氧的作用下，聚合物表面可形成各种极性基团，因而改善了聚合物的黏结性和润湿性。 二、火焰处理和热处理 ⒈火焰处理 ①定义：用可燃性气体的热氧化焰对聚合物表面进行瞬时高温燃烧，使其表
高分子材料与工程_就业前景和社会需求
材料工程类属于理工科类，是研究有机及生物高分子材料的制备、结构、性能和加工应用的 高新技术专业。材料工程科学的形成可以追溯到19世纪30年代，但直到20世纪70年代， 才得到全面的发展。目前高分子材料已被广泛应用于生活、生产、科研和国防等各个领域， 成为我国科学研究的一个重点领域。学生毕业后可以到高分子材料及高分子复合材料成型加工、高分子合成、化学纤维、新型建筑装饰材料、现代喷涂与包装材料、汽车、家用电器、电子电气、航天航空等企业从事设计、新产品开发、生产管理、市场经营及贸易部门工作，也可以到高等学校、科研单位从事科学研究与教学工作，还可以到政府部门从事行政管理、质量监督等工作。 由于高分子材料发展十分迅速，所以申请这个专业的人数也稍微偏多，竞争相对激烈。在就业方面可以从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作，就业前景很不错。所以美国大学的录取要求相对别的专业都会有所提高。 高分子材料与工程专业就业前景 当今,高分子材料又向着尖端领域发展，新的特殊性能高分子功能材料不断出现， 前 景十分的广阔?市场对高分子人才的需求也日益增加，无论是在日常化工，还是在高精尖端科技,高分子人才都备受欢迎，高分子材料专业的社会需求一直处于化学、材料类专业的前列?随着国际国内对环境保护的重视，印刷包装领域也在不断改进材料，如环保型印刷材料、环保型包装材料和新型数字印刷材料等都是产业发展方向，相信经过四年的学习，在印刷包装材料领域一定大有可为?高分子材料与工程专业就业前景广阔，高分子材料人才可以在绝大多数 工业领域取得发展，因为需要高分子材料的行业多得超乎你的想像?学任何专业，如果立志于毕业后干本行业，专业课是必须要学好的，另外英语也能成为你的一把利器? 高分子材料与工程专业就业前景之课程介绍 高等数学、大学物理、计算机文化基础及语言、近代化学基础（包括无机、有机、分析化学等）、物理化学、仪器分析、工程力学、高分子化学和物理、材料科学与工程基础、工程制图、化工原理、高分子材料成型加工基础、高分子材料成型机械及模具基础、聚合物 共混改性原理、机械设计基础、机械原理及计算机设计、高分子材料加工新技术、模具工程设计、模具CAD/CAE、聚合物成型机械等. 高分子材料与工程专业就业前景之培养目标 本专业培养德、智、体全面发展，掌握高分子材料合成、加工的基本原理，能在高分子材料的合成、共混改性和加工成型等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生 产及经营管理、教学等方面工作，并具有开拓创新精神和竞争能力的高级工程技术人才?高分子材料与工程专业就业前景之就业方向 本专业毕业生的择业面很宽，适应能力强.适合于高分子材料合成与加工、复合材料、橡胶、塑料及纤维制品等的生产企业以及研究单位的新产品研发、生产和管理工作，以及高 等院校的教学和科研.主要面向化工、建材、汽车、石油化工、航天航空、电子、家电、包装以及造船等行业. 高分子材料与工程专业就业前景之市场需求 高分子材料与工程专业为当今国内应用广泛，是研究天然及生物有机高分子材料的 设计、合成、制备以及组成、结构、性能和加工应用的充满活力的材料类学科，其工业和研究体系已经成为国民经济发展的支柱产业.高分子材料与工程专业就业前景是众多专业发 展前景好的专业之一.近年来本科毕业生读研比例均在65%以上，一次就业率均超过95%，毕业生深受国内各行业的青睐；学院注重国际化人才培养，除每年招收部分优秀学生进入学校英才班学习，与国际著名大学进行联合培养以外，还与国外多个知名高校合作，选送优秀本科生 进行联合培养；专业拥有高分子化学实验室、高分子物理实验室、功能高分子实验室和多家企业联合
SiO2表面改性机理及其对高分子材料性能的影响
SiO2表面改性机理及其对高分子材料性能的影响 (高材11201：瞿启凡；指导老师:肖伟) 该文简要介绍了表面改性机理!对其作为填料改性高分子材料的研究进行了梳理!针对橡胶、塑料、涂料及胶黏剂等进行了一一阐述!并对未来研究内容及方向做出展望。 关键词：刚性SiO2，表面改性，填充，高分子材料 高分子材料具有结构独特易于改性和加工的特点，具有其他材料无可比拟不可取代的许多优异性能。促使其在国民经济建设、国防及科学技术应用等领域具有不可替代的优势，已逐渐发展成为人们生产生活中不可或缺的材料之一。然而，随着时代的发展和科学技术的进步，对高分子材料性能方面提出了更高要求。因此，对高分子材料性能方面的改良研究越来越多，如通过调整高分子材料内在分子结构与其他有机高分子材料进行共混以及采用无机刚性粉体SiO2作为添加剂等手段。其中，通过采用刚性无机材料（如炭黑黏土等）作为添加剂，可以在很大程度上提高高分子材料性能，已成为学者们争相研究的热点。 刚性无机材料具有很高化学稳定性和热稳定性、无毒、无刺激、使用安全、在自然界中分布广泛、对高分子材料改性有着重要作用，但无机刚性粉体SiO2颗粒表面具有很强极性，是典型亲水性材料，与亲油高分子材料物性间存在巨大差异，难以在有机基体中均匀分散，另外作为添加剂颗粒尺寸通常较小甚至为纳米颗粒，颗粒表面氢键的存在极大表面能使其极易发生团聚，以聚集体形式存在，分散效果差。苏瑞彩也从内外表面原子所受力场不同的角度分析了团聚机理，即处于晶体内部原子受力受到来自周围对称价键力和稍远原子的范德华力、受力对称，价键饱和，而表面原子受力来自其临近内部原子的非对称价键力和其他原子的远程范德华力，受力不对称，价键不饱和，易与外界原子键合形成大颗粒团聚体。的这些特性使其极不易分散。因此，要发挥无机刚性粉体SiO2独特作用，必须改善其在高分子材料基体中的分散效果，改善与高分子材料的亲和性、相容性，提高其加工流动性，增强两相间界面结合力，以此来增加其填充量，提高高分子材料性能。 1.SiO2表面改性机理 SiO2表面亲水疏油，在有机质中难以均匀分散，与有机体间结合力差，因此使用前必须对其进行表面改性。SiO2颗粒表面含有大量羟基基团使其呈现为亲水性。该结果已经被大量文献中未改性SiO2红外光谱分析结果中验证。 针对SiO2颗粒表面特性，其在液相中改性机理有3种"即静电作用机理、吸附层媒介作用机理以及化学键键合作用机理! 1.1静电作用机理和吸附层媒介机理 静电作用机理即利用化学键—离子键形成的本质，利用SiO2 颗粒表面具有羟基基团，根据相反电荷在颗粒表面的相互吸引作用完成包覆。其本质是利用静电作用，阴阳离子之间可以作用在任何方向上，方向性差!
离子束技术及其应用
离子束技术及其应用 合肥研飞电器科技有限公司 一．离子束技术简介 1．离子源构成及原理 如图1所示，在一个真空腔体中,用气体放电产生一团等离子体，再用多孔（缝）引出电极将等离子体中的离子引出并加速形成离子束。 图1 离子源构成原理示意图。 图2 单孔引出电极构成原理示意图。 2．离子束的品质因素 引出电极的单孔构成原理如图2所示，它决定了离子束的品质因数，即导流系数（设计最佳化）、能耗、运行气压和气体效率。其中导流系数由下式决定： 202302 max 294??? ??==d D M eZ V D J P c πεπ (A/V 3/2) 3．离子源的分类 主要按等离子体产生的方法来分： ● 有极放电，主要包括：考夫曼、潘宁、佛里曼(Freeman)、双压缩、双潘宁、射频容性耦合离子源； ● 无极放电，主要包括：微波ECR 、射频感性耦合（ICP ）离子源； ● 其它离子源，例如：束—等离子体离子源。
二． 离子束辅助沉积薄膜技术 1．离子束辅助的重要性 A ．新的挑战: 随着有机光学元件基片材料的采用和光纤通信工业应用中提出了更高的技术要求，以及提供相应的多层光学涂层薄膜，越来越需要发展新工艺。 B ．蒸发镀的局限性: 虽然蒸发镀是光学涂层的主要制备方法，但它不能满足更高的致密性要求、改善机械性能和产品的快速生产等方面的要求。 2．离子辅助沉积 众所周知，引入离子辅助沉积，在一定程度上能够改善热蒸发沉积薄膜的持久性和稳定性方面的性能。这种工艺的功能已经在材料等许多领域被证明，当然它不一定能满足一些涂层应用的特殊要求。市场上可以买到的离子源仅能提供低的离子流和窄的束径，限制了可应用的基片面积。 3．该应用离子束的特点： 离子能量低（100eV －1000eV ）； 大流强（数mA/cm 2）； 要求流强受离子能量影响小； 高真空（～10 -5乇）； 离化率、电效率、气体效率高； 杂质量低； 寿命长（抗氧化）、操作容易、维护方便。 4．新型ICP 离子源的研制 A.前 言 ● 离子源广泛应用于材料改性、刻蚀和薄膜沉积领域； ● 射频感应耦合等离子体（RF ICP ）源结构简单、能产生高密度的纯净等离图4 离子辅助电子束蒸发镀 膜装置示意图
聚合物表面改性方法综述
聚合物表面改性方法综述 摘要：聚合物表面改性的方法很多，本文主要对溶液处理法、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进行综述。前几种方法都是化学处理法, 在基底上形成的新的极性表面层与体相结合一体, 非常牢固；最后一种方法为物理过程, 能够精确控制改性区域, 对于改善材料表面微摩擦性能有重要作用。 关键词：聚合物；表面改性；化学处理法；物理过程 在当今的社会中，材料是人类赖以生存和发展的重要物质，是现代工业和高科技发展的基础和关键。由于材料单体的种类有限，而且材料单体的单一的某的些性能比较差，不符合人们所求，所以要对其材料经行改性。 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。 1溶液处理方法 1．1溶液氧化法 溶液氧化法是一种应用时间较长的处理方法, 由于其简便易行, 可以处理形状复杂的 部件, 且条件易于控制, 一直受到广泛关注。溶液氧化法对聚合物表面改性影响较大的因素主要是化学氧化剂的种类及配方、处理时间、处理温度。常用的氧化体系有: 氯酸- 硫酸系、高锰酸- 硫酸系、无水铬酸- 四氯乙烷系、铬酸- 醋酸系、重铬酸- 硫酸系及硫代硫酸铵- 硝酸银系等, 其中以后两种体系最为常用。溶液氧化法处理聚乙烯表面是一个典型的氧化反应, 反应的温度和时间对氧化处理有很大的影响, 王博等系统的研究了用重铬酸钾- 浓硫酸、高锰酸钾-浓硫酸体系处理市售农用聚乙烯薄膜表面时温度和时间对表面性质的影响[ 1]。实验发现, 当氧化体系温度低于30 o C时, 氧化处理基本不能发生, 温度升高,对制备氧化深度大 的产品有利, 但是过高的温度会使聚乙烯表面萎缩变形, 最适宜的温度为45~ 60 o C。当氧化时间少于30 min 时, 氧化程度很小, 几乎观察不到, 当氧化时间超过30 min 后, 氧化作用 明显加强。进一步的研究表明, 合适的氧化时间为45 min左右。由此可见, 表面氧化处理效 果和氧化时间、氧化温度之间有一种平衡关系。只有在一定的时间和温度范围内才能得到最佳的效果。 1．2溶剂浸渍法 溶剂浸渍法是用适当的溶剂处理聚合物表面, 溶剂与聚合物表面发生溶解、吸附和化学反应等作用,从而达到除污、增加粗糙度及提高表面极性等效果。聚碳酸酯在1, 6- 己二胺水溶液或N, N - 二甲基- 1,3- 丙二胺水溶液中进行处理时, 会发生某种化学反应, 使表面活化。聚乙烯在进行溶液氧化处理之前,可选用适当的溶剂, 如CCl4 对聚乙烯进行预浸渍。这样可 以除掉聚合物弱的边界层, 在制品表面形成凹凸不平的孔穴, 增加表面粗糙程度, 使氧化液 与制品表面接触面积增加, 从而提高氧化处理效果。 1.3水解法
离子束表面处理技术
离子束表面处理技术 离子束加工是利用离子束对材料进行成形或表面改性的加工方法，是一种原子级的加工技术。离子注入、离子沉积和强脉冲离子束材料改性等离子束加工工艺已在工业中获得大量应用。目前，正在研究开发一些新的离子束加工工艺。 关键词：离子束加工离子注入表面处理 Ion beam machining is the use of ion beam surface modification of materials forming or processing methods and it is an “atomiclevel” process technology. Ion implantation. Ion beam deposition. and Intense pulsed ion beam materials modification have been applied in dustry .some newer ion beam process technologies are being studied and developed. Keywords: Ion beam machining Ion implantation Surface Treatment 离子束加工技术是70年代发展起来的一种特种加工，具有加工精度高，易精确控制，污染少，加工应力、变形极小等特点。目前，离子束材料表面改性技术的研究和推广应用已经取得了巨大的成就，其标志之一就是离子注入微细加工技术的发展。离子注入微细加工技术已经成为超大规模集成电路微细加工的关键技术，推动了现代电子技术工业的飞速发展。 离子材料改性的工程问题是离子注入引起材料表面成分、微观结构变化和新的化合物析出，由此引起材料表面（硬度）、摩擦学特性和化学特性的变化。离子束可控地形成材料表面成分的改变、结构变化和温升效应是离子束材料改性的三把利剑。其构筑的工艺特性远超于其他工艺。因此，离子束表面处理有着诱人的研究和应用前景。 1.离子注入 离子注入是指离子从离子源中引出的离子经过加速管加速电位的加速获得很高的能量（动能），而后进入磁分析器使离子纯化，分析出的离子再加速，经过两维偏转扫描器使离子束均匀地注入到材料表面，通过电荷积分仪精确地测量注入离子数量，调节注入离子的能量可精确地控制离子注入深度，故将它称之为精细掺杂。 离子束注入技术:
臭氧化法在高分子生物材料表面改性中的应用
知识介绍 臭氧化法在高分子生物材料表面改性中的应用 袁幼菱 艾 飞 臧晓鹏 沈 健 林思聪 (南京大学表面和界面化学工程技术研究中心南京 210093) 摘 要 综述了臭氧化法在高分子生物材料表面改性中的应用及研究,介绍了臭氧化法的特点,过氧化物浓度的测定及臭氧化反应和过氧化物引发接枝共聚的反应机理。 关键词 臭氧化法 表面改性 接枝共聚 反应机理 Abstract The application and research advances in surface m odification of biopolymer materials using ozoniza2 tion have been reviewed.The characteristics of ozonization,determination of peroxide complex concentration and the mechanism of ozonization and graft copolymerization generated by peroxide complex were als o described. K ey w ords Ozonization,Surface m odification,G raft copolylmerization,Mechanism 近来已有一系列不同的技术用于高聚物表面改性,高聚物表面接枝聚合就是其中的一种。高聚物表面接枝聚合方法为现有的高聚物具有多姿多彩的新的不同功能提供了途径,使聚合物具有亲水性、粘接、生物相容性、导电性、防雾、防臭及润滑等的性质[1]。利用在聚合物表面氧化来改善聚合物表面性质已被广泛地应用于聚合物工业。 发展生物材料的一个重要途径是在物理力学性能适当的材料表面上建立特定的分子结构,使得生物材料的物理力学性能与生物相容性相统一。高聚物表面接枝聚合已被广泛地应用在高分子生物材料表面改性上。在接枝聚合反应中,可以通过各种方法如化学试剂法[2]、等离子体法[3～4]、紫外光照射法[5～6]、电晕放电[7]、电子束[8]、辉光放电[9]和臭氧化法[10～11]等等。利用这些方法,首先是在聚合物基材表面引入官能团,然后引发聚合。本文主要介绍臭氧化法及其在高分子生物材料表面改性中的应用及研究进展。 1 臭氧化法 臭氧化法跟其它方法相比较,其最大的优点是能在聚合物表面均匀引入过氧基团,并且具有实验步骤简单,操作容易,适用性广,费用低的优点,因此被广泛应用于高分子领域中[10～14]。当高聚物暴露在臭氧气体中时,除了形成羰基和羧基集团外,还生成氢过氧化物[15]。这些氢过氧化物具有引发乙烯基单体聚合的能力,导致在臭氧化的聚合物材料表面的接枝反应[10]。臭氧化并不停留在材料表面的氧化,也可以渗透到材料的内部。臭氧化的程度和材料、臭氧浓度及臭氧化时间有关[16]。但是同时必须考虑臭氧活化会引起高聚物的降解而产生对材料力学性能的影响。Park 等[17]对聚氨酯(PU)膜进行15,30,60和180min臭氧处理后,测试膜的力学性能,发现处理前后没有什么改变。Ikada等[10]把PU膜在50V时臭氧处理60min后,发现膜变得不透明,即发生降解。 袁幼菱 女,38岁,博士,副教授,从事高分子生物材料表面改性的研究。 973国家重点基础研究发展规划项目(N o G1*******),南京大学博士后基金资助项目 2002201204收稿,2002205228修回