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低温等离子体处理对材料表面的影响及作用原理示意图

Nov. 06, 2023

低温等离子体的电中性休系中含有电子、离子、自由基、激发态分子和原子及紫外线等活性粒子,这些活性粒子对材料表面发生作用,使其发生表面刻蚀、交联、引入官能团及聚合等作用。

低温等离子体处理对材料发生作用的机理如图1所示,当低温等离子休处理材料时,材料表面受到等离子休中活忭粒子的冲击从而产生-些活化点位。低温等离子体休系中的活性粒子通过非弹性撞击材料表面,使其表面被撞击的分子接受能量,从而处于激发态或电离,在这个过程中发生刻蚀作用使得材料表面清洁或者粗化并且生成自由基。其次,不稳定的自由基发生交联反应,稳定的自由基则停留在聚合物表而,作为引发进一步反应的活性中心,这些自由基主要对材料表面起到以下几种作用:

低温等离子体对材料表面作用原理示意图

图1.1 低温等离子体对材料表面作用原理示意图

(1)材料表面被刻蚀;

(2)引入一些含氧官能团;

(3)引发聚合反应,在表面沉积具有特殊功能的涂层。

低温等离子体处理对材料表面的影响作用

低温离子体处理对材料表面发生的影响作用可分为刻蚀、植入官能团、交联反应、聚合沉积等。

(1)刻蚀

低温等离子体对材料表面刻蚀作用可以分为两种类型,一种是物理溅射,即通过等离子体体系中的离子与材料表面的原子发生非弹性碰撞使其获得能量处于激发态从而从材料表面脱离;另一种是化学刻蚀,主要是低温等离子体中的活性粒子在材料表面发生化学反应,使其表面的分子通过化学反应生成诸如H20、CO、CO2等小分子气态挥发物,从而使聚合物降解失重。低温等离子体中的离子只具备较低的能量,因此在这两种类型的刻蚀作用中,化学刻蚀对材料表面的刻蚀起到了主要的作用

(2)植入官能团

当工作气氛中含有O2、N2、CF4等气体时,所获得的低温等离子体中则会存在含氧、含氮以及含氟等活性粒子,这些活性粒子作用于材料表面,使其活化并将新的基团引入,从而使得其表面的结构发生变化并提升其表面性能。

(3)交联反应

据文献报道,一般以纯He、纯N2等惰性气体作为工作气氛时,以低温等离子体处理材料,比较容易在其表面引发交联反应,当材料获得交联层后,其机械性、溶解性及其抗腐蚀性都得到改善。

(4)聚合沉积

低温等离子体中的活性粒子对工作区所通入的气态单质进行撞击,使其发生断链反应形成自由基,然后这些自由基发生合并反应使单体原子在材料表面沉积下来。低温等离子体聚合沉积与常规聚合反应相比具有独特的优势,如单体选择局限性小,沉积膜厚度可控,对材料广泛适用。目前,有许多学者将其用于材料表面沉积有机硅及金属有机化合物。

等离子体处理对材料表面的影响作用主要是通过粒子与材料表面的相互作用而实现,包括表面沉积、表面清洁刻蚀、植入官能团及表面交联作用等。低温等离子体预处理使材料表面产生一系列物理、化学变化,从而提高材料的表面性能,以适应不同的生产应用要求。

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