本發(fā)明涉及一種采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生冷等離子體射流對(duì)金屬材料表面處理的方法，屬于材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，金屬材料的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧系谋砻嫘阅苡邢鄳?yīng)的不同要求。潤(rùn)濕性是金屬材料的重要特性之一，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)金屬材料表面的潤(rùn)濕性合理調(diào)控具有較重要意義。目前，對(duì)材料表面改性的方法主要有濕化學(xué)法、紫外光輻照法、低溫等離子體處理法、激光處理、光刻等。其中，低溫等離子體改性具有較高改性效率，且對(duì)材料表面損傷較小，具有較好的研究?jī)r(jià)值及應(yīng)用前景。公開(kāi)號(hào)為CN1526753A、CN1900408A、CN202318981U的發(fā)明專(zhuān)利均提供了采用等離子體對(duì)材料進(jìn)行表面改性的裝置和方法。但這些裝置或方法均采用低氣壓等離子體，需要復(fù)雜昂貴的真空設(shè)備，且被處理材料的尺寸受真空腔的限制，導(dǎo)致處理效率較低，成本較高。近年來(lái)，采用無(wú)需真空、成本低的大氣壓等離子體對(duì)材料表面改性得到了廣大科研工作者的重視，如專(zhuān)利CN102259364A、CN202907329U、CN102905455A、CN103194001A等。但這些裝置和方法均是針對(duì)高分子等非金屬材料的表面改性，未能提供一種對(duì)金屬材料的改性方法。公開(kāi)號(hào)為CN103789716A的發(fā)明專(zhuān)利提出了一種大氣壓裸電極冷等離子體射流對(duì)金屬材料改性的方法，利用針電極和噴嘴電極之間的裸電極放電可產(chǎn)生等離子體并形成射流，對(duì)金屬材料表面進(jìn)行改性。但該方法在對(duì)材料表面改性時(shí)，無(wú)法改變表面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致改性后材料表面的潤(rùn)濕性在短時(shí)間內(nèi)即由于脫吸附及離解等反應(yīng)而快速恢復(fù)。另外，該方法僅提供了對(duì)超疏水材料及疏水材料的改性方法，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)超疏油材料的改性，難制備可用于有機(jī)液滴操控的微流控芯片等裝置。該方法使用的氣體也具有一定的局限性，只可使用氮?dú)狻⒀鯕饧翱諝獾然钚詺怏w作為工作氣體，使用非活性氣體(如氦氣、氬氣等)等無(wú)法產(chǎn)生等離子體射流，導(dǎo)致射流處理范圍較廣，不便于對(duì)材料局部區(qū)域精確處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種對(duì)金屬材料進(jìn)行表面改性的方法，可以在大氣壓下短時(shí)間內(nèi)提高金屬材料的表面性能，改善材料表面的親水性和親油性。

一種大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流對(duì)金屬材料表面改性的方法，本方法所用的裝置為介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流發(fā)生裝置，包括工作氣體源1、氣體減壓閥2、氣體質(zhì)量流量控制器3、冷等離子體射流發(fā)生器4、纏繞在冷等離子體射流發(fā)生器上的高壓電極5和低溫等離子體高壓電源6；

冷等離子體射流發(fā)生器4的材質(zhì)為管狀絕緣介質(zhì)，其上套有高壓電極5；高壓電極5與低溫等離子體高壓電源6的高壓輸出端相連，低溫等離子體高壓電源6的低壓輸出端與地相連；工作氣體由工作氣體源1經(jīng)過(guò)氣體減壓閥2和氣體質(zhì)量流量控制器3通入冷等離子體射流發(fā)生器4；將冷等離子體射流發(fā)生器4固定在支架上，將待處理的金屬材料8水平放置在冷等離子體射流發(fā)生器4的射流出口的正下方；打開(kāi)氣體減壓閥2，調(diào)整氣體質(zhì)量流量控制器3，使工作氣體以合適的流量進(jìn)入冷等離子體射流發(fā)生器4中；開(kāi)啟高壓電源6，逐漸提高輸出電壓，直到冷等離子體射流發(fā)生器4的出口產(chǎn)生穩(wěn)定的介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流7；調(diào)整冷等離子體射流發(fā)生裝置4和金屬材料8之間的距離，使介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流7和金屬材料8充分接觸，形成表面改性射流處理區(qū)域9。

所述的工作氣體源1中氣體為氦氣、氬氣、氮?dú)狻⒖諝?、氧氣中的一種或兩種以上混合；

所述的冷等離子體射流發(fā)生器4出口和待處理金屬材料8之間的距離調(diào)整為2mm-30mm；

所述的高壓電源6為脈沖電源，輸出頻率為100Hz-10kHz；或?yàn)榈皖l交流電源，輸出頻率為10kHz-100kHz；或?yàn)樯漕l電源，輸出頻率為1MHz-5GHz；逐漸增大輸出電壓至1kV-30kV，當(dāng)高壓電源6的輸出電壓較低時(shí)，實(shí)現(xiàn)金屬材料表面的快速改性且不改變表面結(jié)構(gòu)；當(dāng)高壓電源6的輸出電壓較高時(shí)，在對(duì)金屬材料表面快速改性同時(shí)改變表面結(jié)構(gòu)，從而使所得親液性長(zhǎng)久保持。

所述的管狀絕緣介質(zhì)為石英玻璃、陶瓷(氧化鋁或氧化鋯)、PTFE(聚四氟乙烯)、PI(聚酰亞胺)和氧化鋁陶瓷、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PC(聚碳酸酯)、PEEK(聚醚醚酮)、TPU(熱塑性聚氨酯彈性體橡膠)、POM(聚甲醛)、PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)、FEP(氟化乙烯丙烯共聚物)、PFA(全氟丙基全氟乙烯基醚與聚四氟乙烯共聚物)、ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)或PVDF(聚偏氟乙烯)。

通過(guò)冷等離子體射流中各種活性粒子撞擊金屬材料表面，從而打斷材料表面分子間的化學(xué)鍵，產(chǎn)生大分子自由基，使材料表面具有反應(yīng)活性。冷等離子體射流是由放電形式為介質(zhì)阻擋放電的冷等離子體射流發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)合理調(diào)控放電電壓，電極產(chǎn)生的射流可對(duì)材料表面快速改性而不損傷表面結(jié)構(gòu)，或?qū)Σ牧媳砻婵焖俑男酝瑫r(shí)產(chǎn)生燒蝕，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并實(shí)現(xiàn)可長(zhǎng)久保持的親液性改性。產(chǎn)生冷等離子體射流的工作氣體可選擇氦氣、氬氣等非活性氣體或氮?dú)狻⒀鯕獾然钚詺怏w，以及上述氣體中幾種氣體的混合氣。冷等離子體射流末端與被處理的金屬材料表面接觸，且射流垂直作用于被處理金屬材料表面。

當(dāng)工作氣體通入冷等離子體射流發(fā)生器并施加一定的電壓后，管狀絕緣介質(zhì)的腔內(nèi)會(huì)產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)穩(wěn)定的射流，隨著電壓的升高，射流逐漸變長(zhǎng)并作用于被處理金屬材料表面。

本發(fā)明的有益效果：

1.通過(guò)合理調(diào)控放電電壓、氣體流量等參數(shù)，可通過(guò)介質(zhì)阻擋放電，在大氣壓強(qiáng)下獲得溫度較低且活性粒子濃度較高的冷等離子體射流。當(dāng)電壓較低時(shí)，可僅對(duì)材料快速改性而不改變表面結(jié)構(gòu)；當(dāng)電壓較高時(shí)，可在改性同時(shí)通過(guò)刻蝕作用破壞表面結(jié)構(gòu)，得到可長(zhǎng)久保持的親液性表面；根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合需要，可合理選擇放電電壓對(duì)表面快速改性，得到可快速恢復(fù)或長(zhǎng)久保持的親液性。

2.該方法可實(shí)現(xiàn)超疏油表面的快速改性，為超疏油-超親油圖案化表面、有機(jī)液滴的操控裝置、微流控芯片實(shí)驗(yàn)室等的制備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.該方法產(chǎn)生射流的工作氣體可為氦氣、氬氣等非活性氣體，與活性氣體相比，改性區(qū)域更集中，更易于實(shí)現(xiàn)精確、可控的表面改性。

4.該方法無(wú)需復(fù)雜的真空設(shè)備，操作簡(jiǎn)單，改性效率較高，成本較低，產(chǎn)生的射流不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

附圖說(shuō)明

圖1是大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流對(duì)金屬材料表面改性的裝置示意圖。

圖2是大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流改性超疏油鋁片表面處理時(shí)間與油接觸角之間的關(guān)系圖。

圖3是未處理超疏油鋁片的表面微觀形貌。

圖4是經(jīng)20kV輸出電壓下所得介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流處理后超疏油鋁片的表面微觀形貌。

圖5是經(jīng)30kV輸出電壓下所得介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流處理后超疏油鋁片的表面微觀形貌。

圖6是經(jīng)30kV輸出電壓下所得介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流處理后超疏油鋁片的接觸角隨放置時(shí)間的變化圖。

圖7(a)是大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流改性前超疏水鋁片表面的接觸角照片。

圖7(b)是大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流改性后超疏水鋁片表面的接觸角照片。

圖8(a)是大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流改性前疏水鋁片表面的接觸角照片。

圖8(b)是大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流改性后疏水鋁片表面的接觸角照片。

圖中：1工作氣體源；2氣體減壓閥；3氣體質(zhì)量流量控制器；

4冷等離子體射流發(fā)生器；5高壓電極；6低溫等離子體高壓電源；

7介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流；8金屬材料；9射流處理區(qū)域。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明涉及一種大氣壓下金屬材料的表面改性方法，使用此方法的設(shè)備為冷等離子體射流發(fā)生裝置。

介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流發(fā)生裝置包括工作氣體源1，氣體減壓閥2，氣體質(zhì)量流量控制器3，冷等離子體射流發(fā)生器4，纏繞在冷等離子體射流發(fā)生器上的電極5，低溫等離子體高壓電源6。

進(jìn)行金屬材料表面改性前，按照附圖將這些設(shè)備分別連接：冷等離子體射流發(fā)生器4上的高壓電極5與低溫等離子體高壓電源6的高壓輸出端相連，高壓電源6的低壓輸出端與地相連；工作氣體由工作氣體源1經(jīng)過(guò)氣體減壓閥2和氣體質(zhì)量流量控制器3通入冷等離子體射流發(fā)生器4；將冷等離子體射流發(fā)生器4固定在支架上，將待處理的金屬材料8水平放置在射流出口的正下方。打開(kāi)氣體減壓閥2，調(diào)整氣體質(zhì)量流量控制器3，使工作氣體以合適的流量進(jìn)入冷等離子體射流發(fā)生器4中；開(kāi)啟高壓電源6，逐漸提高輸出電壓，直到冷等離子體射流發(fā)生器4的出口產(chǎn)生穩(wěn)定的介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流7；調(diào)整冷等離子體射流發(fā)生裝置4和金屬材料8之間的距離，使介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流7和金屬材料8充分接觸，形成表面改性處理范圍9。

實(shí)施例1

采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流對(duì)超疏油鋁片進(jìn)行表面改性，可以顯著改善其表面能及潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)超疏油到超親油的轉(zhuǎn)化。當(dāng)電壓較低時(shí)，不會(huì)改變其表面結(jié)構(gòu)。

冷等離子體射流發(fā)生器4采用絕緣的石英玻璃管，高壓電極5纏繞在4上。高壓電源6采用正弦波交流電源，輸出頻率30～100kHz，輸出電壓0～30kV；高壓電源6的高壓輸出端與冷等離子體射流發(fā)生器4上的高壓電極5相連，低壓輸出端接地。工作氣體源1中氣體為高純氦氣。連接設(shè)備后，將冷等離子體射流發(fā)生器4出口和被處理金屬材料8(油接觸角為155°的鋁基超疏水表面)之間的距離調(diào)整為20mm。打開(kāi)氣源處理裝置2，調(diào)整氣體質(zhì)量流量控制器3，使氦氣流量達(dá)到3SLM；打開(kāi)高壓電源6，調(diào)整輸出頻率為56kHz，逐漸增大輸出電壓至20kV，此時(shí)有均勻的介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流7產(chǎn)生并作用于超疏油鋁8表面，對(duì)其表面進(jìn)行改性。圖2所示為被處理超疏油鋁表面油接觸角隨大氣壓冷等離子體處理時(shí)間的變化關(guān)系，測(cè)試接觸角所用油滴為十六烷?？梢钥闯?，隨著處理時(shí)間的增加，表面的油接觸角大幅下降，處理15s后，油接觸角小于10°，鋁材的超疏油表面被改性為超親油表面。圖3為處理前后的超疏油鋁片表面微觀形貌，圖4為經(jīng)20kV輸出電壓下所得介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流處理后的超疏油鋁片表面微觀形貌，可以看到在處理后，超疏油表面的微觀結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。

實(shí)施例2

采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流對(duì)超疏油鋁片進(jìn)行表面改性，實(shí)現(xiàn)超疏油到超親油的轉(zhuǎn)化。當(dāng)電壓較高時(shí)，可改變其表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久親液性改性。

冷等離子體射流發(fā)生器4采用絕緣的PTFE(聚四氟乙烯)管，采用具體實(shí)施例1所述的高壓電源，射流發(fā)生器與高壓電源的連接方式與具體實(shí)施例1相同。打開(kāi)氣源處理裝置2，調(diào)整氣體質(zhì)量流量控制器3，使氦氣流量達(dá)到3SLM；打開(kāi)高壓電源6，調(diào)整輸出頻率為56kHz，逐漸增大輸出電壓至30kV，此時(shí)介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流7作用于超疏油鋁片8表面，對(duì)其表面進(jìn)行改性。此時(shí)改性效率與具體實(shí)施例1相近，但同時(shí)會(huì)改變鋁片表面形貌。圖5為經(jīng)30kV輸出電壓下所得介質(zhì)阻擋放電冷等離子射流處理后的超疏油鋁片表面微觀形貌，對(duì)比圖3和圖5可知，在較高電壓處理后，超疏油表面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。結(jié)構(gòu)的變化使改性效果得以長(zhǎng)久保持，如圖6所示，在放置30天后，鋁片仍呈親油性狀態(tài)。

實(shí)施例3

采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流對(duì)超疏水鋁片進(jìn)行表面改性，可以短時(shí)間內(nèi)顯著改善其表面能及潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)超疏水到超親水的快速轉(zhuǎn)化。

冷等離子體射流發(fā)生器4采用絕緣的氧化鋁陶瓷管，高壓電源及其與射流發(fā)生器的連接方式與具體實(shí)施例1中相同，操作步驟和方法也相同。如圖7所示，處理前超疏水鋁表面的水接觸角約為157°，僅經(jīng)過(guò)1s處理后，接觸角即變?yōu)?0°，呈親水性。處理3s后，接觸角為0°。由此可見(jiàn)，該改性方法可實(shí)現(xiàn)超疏水鋁片的快速改性。

實(shí)施例4

采用大氣壓介質(zhì)阻擋放電冷等離子體射流對(duì)疏水鋁片進(jìn)行表面改性，可以短時(shí)間內(nèi)顯著改善其表面能及潤(rùn)濕性，實(shí)現(xiàn)疏水到超親水的轉(zhuǎn)化。

冷等離子體射流發(fā)生器4采用絕緣的PVDF(聚偏氟乙烯)管，高壓電源及其與射流發(fā)生器的連接方式與具體實(shí)施例1中相同，操作步驟和方法也相同。如圖8所示，處理前疏水鋁表面的接觸角約為115°，僅經(jīng)過(guò)1s處理后，接觸角即變?yōu)?4°，呈親水性。處理3s后，接觸角為0°。因此，該改性方法可實(shí)現(xiàn)疏水鋁片的快速改性。