低温等离子体在材料表面改性中的应用

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2022-04-11

低温等离子体是指在直流电弧放电、辉光放电、微波放电、电晕放电、射频放电等条件下所产生的部分电离气体，其中由于电子的质量远小于离子的质量，故电子温度可以在几万摄氏度到几十万摄氏度之间，远高于离子温度(离子温度甚至可与室温相当)，是一种非平衡等离子体，在低温等离子体中包含有多种粒子，除了电离所产生的电子和离子以外，还有大量的中性粒子如原子、分子和自由基等。故粒子间的相互作用非常复杂，有电子电子、电子中性粒子、电子离子、离子离子、离子中性分子、中性分子中性分子等，在这样一个复杂的物理体系中，由于电子、离子、激发原子、自由基的存在且相互作用，因此常可以完成在普通情况下难以完成的事。从20世纪七八十年代以来，等离子体表面改性开始了蓬勃的发展，目前已形成一一个独立的研究方向，主要针对金属、聚合物，生物功能材料等方面。

近十几年来，低温等离子体在金属材料表面改性中得到了广泛的应用。它改变了金属材料的表面力学特性，即材料的磨损、硬度、摩擦、疲劳、耐腐蚀等性能。主要体现在:

(1) 为提高金属表面抗腐蚀能力，通过对铁和钢合金进行离子束渗氮来提高其摩擦和耐腐蚀特性。目前采用等离子源离子注人的方法，它区别于单能量的氮离子注入法，样品浸没在等离子体中并加上高负电压脉冲。在电场中，这些离子被加速而注人到样品中;在注人过程中，与常规束线离子注入相似，用高能离子在材料表面近距离区域注人。与其不同的是，离子从四面八方同时注人到样品上而没有视线限制，因此可以处理形状较复杂的样品，且注入粒子的能量范围宽。

(2) 提高金属的硬度和磨损特性离子注人金属表面可以形成金属固溶体和沉积物，故可提高金属材料的硬度用氮等离子源离子注人法对奥氏体不绣钢进行渗氮，结果与未渗氮的样品相比，表面硬度增加到了HV14，耐磨损能力增加了1~2个数量级。

(3) 低温等离子体在对聚合物材料的表面改性中的应用，聚合物材料由于具有良好的性能而广泛地应用于包装、航空、印刷、生物医药、微电子、汽车、纺织等行业。但日益增长的工业发展水平对聚合物材料的表面性能如粘附性、浸润性、阻燃性、电学性能等提出了更高的要求，利用等离子体对其进行表面改性已经引起研究人员的广泛兴趣;聚合物材料的浸润性与许多领域有关，如印刷、喷涂和染色等。但由于聚合物材料表面自由能低，故而导致浸润性能不好，用化学的方法来改善其特性不但会损坏聚合物基质，而且还会放出大量有毒性的水;同时还需消耗大量的能量，且成本高。而利用低温等离子体处理则克服了这些缺点，既省水省电又不污染环境。

低温等离子体在生物功能材料的表面改性中的应用，也由于低温等离子体所具有的独特性能，在最近几年的生物医药领域中同样已经引起人们越来越多的注意和兴趣。

当前，等离子体技术在生物医药领域中又有-个新的应用趋势，即等离子体化学微图形技术。用于移植、组织培养或其他用途的人造生物材料必须与所处的生物环境有生物相容性，提高聚合物材料生物相容性的早期方法是准备含与细胞外介质(ECM)相似的氮和氧的功能团的基片。目前，在发展需粘附细胞的生物相容性表面时，集中在固定ECM蛋白质于基片表面上。对于那些不需要粘附细胞，如血细胞的材料表面改性所使用的技术是产生具有高度惰性的表面，如氟化的碳氢化合物，或具有生物活性的分子禁止细胞固着，或产生具有高度亲水性的基团等。如果对于整个微图形表面生物相容性或生物惰性都能得到保证，那么微图形细胞培养技术可以在生物工程中发挥极大的作用。