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鈦及鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、生物相容性好等特點(diǎn)，在航空航天、國防軍工、海洋船舶、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在航空航天領(lǐng)域，鈦及鈦合金是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料,也是航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)輪盤和葉片等重要構(gòu)件的首選材料,被譽(yù)為“太空金屬”;在海洋領(lǐng)域,鈦及鈦合金耐海水及海洋大氣腐蝕優(yōu)勢突出,成功應(yīng)用在海洋工程裝備、艦船、油氣開采、發(fā)電站、熱能轉(zhuǎn)換、海水淡化裝置中,被譽(yù)為“海洋金屬”;在國防軍工領(lǐng)域,除軍機(jī)軍艦外,鈦及鈦合金還在輕型火炮、裝甲車、導(dǎo)彈上獲得實(shí)際應(yīng)用;在生物醫(yī)療領(lǐng)域,鈦及鈦合金是骨科和牙科最常用的植入物材料。但鈦及鈦合金易被氧化、導(dǎo)熱性差、硬度低、電位較正,自然條件下即可被氧化,難以長期維持金屬光亮色,不耐摩擦磨損,容易發(fā)生電偶腐蝕。同時(shí),優(yōu)異的生物相容性也使得微生物極易在其表面附著,造成產(chǎn)品表面污損,甚至引起細(xì)菌感染,阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。

合理的表面處理可以改變鈦及鈦合金產(chǎn)品的表面狀態(tài),從而賦予它良好的外觀,提高基體性能,甚至獲得基體不具備的某些新性能,這對于提高鈦及鈦合金產(chǎn)品壽命、可靠性及擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。

等離子體表面處理技術(shù)

物質(zhì)的狀態(tài)可分為固、氣、液和等離子體四種狀態(tài),等離子體是氣體分子或原子受外界因素影響(如熱、外加輻射、外加電場等)發(fā)生電離、離解產(chǎn)生的離子化氣態(tài)產(chǎn)物,在宏觀上,其呈電中性。目前,產(chǎn)生等離子體主要依靠氣體放電,外加電場,使處于電場內(nèi)的氣體分子或原子發(fā)生電離,從而得到含有各種粒子的等離子體。

等離子體處理是一種通用的表面改性方法,廣泛應(yīng)用于各種材料的表面改性。其通過含有帶電的正離子和負(fù)離子氣體轟擊處理試樣表面,能量通過輻射、中性粒子流和離子流的碰撞作用于處理試樣表面,從而產(chǎn)生自由基或材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而且處理試樣表面會發(fā)生刻蝕、交聯(lián)等物理和化學(xué)變化。等離子體改性一般只對材料表面幾納米到幾百納米的表面層進(jìn)行改性,而不會影響材料的內(nèi)部性能以及結(jié)構(gòu)。

鈦合金等離子處理前后親水性變化

鈦合金等離子處理前后水滴角變化

從上圖可以看到經(jīng)過的等離子活化處理的鈦合金表面水滴角度明顯下降，親水性得到了提升，這是因?yàn)榈入x子體處理一方面對鈦合金表面進(jìn)行物理轟擊，在表面形成粗化效果，從而達(dá)到表面具有較強(qiáng)浸潤性的效果。另一方面等離子體處理使得鈦合金表面引入活性含氧官能團(tuán),提高了鈦合金表面的活性，從而改善了表面的親水性能。

相比于其他傳統(tǒng)的材料處理方法(如噴涂、陽極氧化等),等離子體處理鈦合金表面具有以下特點(diǎn):1.只與鈦合金表面層發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),作用深度在表面以下幾十到幾百納米,對材料固有特性沒有影響,可以有效改變材料表面化學(xué)成分(如基團(tuán)種類、含量等)、表面能及表面形貌等,提高親水性等;2.適用于各種形狀的鈦合金材料,具有普遍適用性;3.易于控制改性過程且操作簡單;4.處理效率高,效果好,綠色環(huán)保,滿足可持續(xù)發(fā)展要求。