中國(guó)粉體網(wǎng)訊 高能束表面改性是指當(dāng)高能束發(fā)生器輸出功率密度達(dá)到1000/cm2及以上的能束定向作用在材料表面，并通過刻蝕、注入、熱輻射等方式使其產(chǎn)生物理、化學(xué)或相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一種新的表面處理技術(shù)。
激光表面改性技術(shù)
高能量密度激光照射在材料表面，逆向軔致輻射被材料表層吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽牧媳砻鏈囟瓤焖偕撸l(fā)生相變、熔化甚至氣化，隨后熱量向材料深處快速傳導(dǎo)，表面溫度又快速降低，經(jīng)此“驟熱極冷”過程，實(shí)現(xiàn)材料表面的強(qiáng)化處理。激光表面改性在工藝上主要包括激光相變硬化、激光熔覆和激光沖擊強(qiáng)化等方式，另外還有激光退火、激光合金化、激光熔凝等。
近年來，隨著材料表面性能要求的進(jìn)一步提高，激光表面改性技術(shù)逐漸在高分子聚合物、陶瓷粉末、合金顆粒材料上應(yīng)用。Snehashis Pal等采用不同的激光能量密度對(duì)Ti6Al4V粉末進(jìn)行了表面改性并制備了塊體材料，研究了其耐腐蝕行為。結(jié)果表明表面受到激光的不同熱效應(yīng)使顆粒之間的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化，從而影響了其腐蝕性能。此外激光表面改性技術(shù)在碳化硅顆粒增強(qiáng)的HA-Ag生物活性陶瓷涂層方面也有應(yīng)用。
電子束表面改性技術(shù)
電子束分為連續(xù)型與脈沖型兩種，其中連續(xù)型電子束主要用于打孔、焊接和切割，脈沖型電子束主要用于金屬材料的表面改性。脈沖型電子束又細(xì)分為低能量密度長(zhǎng)脈沖電子束和高能量密度窄脈沖電子束，其中低能量密度長(zhǎng)脈沖電子束改性效果不顯著，實(shí)際應(yīng)用中更多使用高能量密度窄脈沖電子束，即強(qiáng)流脈沖電子束（High current puls edelectron beam，HCPEB）。
高能電子束的撞擊能量可以引起材料表面的物理和化學(xué)反應(yīng)，從而改變其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，包括表面的融化、溶解、蒸發(fā)、析出等過程，以及晶體結(jié)構(gòu)的改變、晶粒尺寸的調(diào)控等。例如Yakovlev等提出了一種用稀土元素包覆金屬粉末的新方法。在包覆稀土元素之前，采用低能大電流電子束在熔點(diǎn)以上對(duì)平均粒徑為40μｍ的Al粉進(jìn)行脈沖輻照，結(jié)果表明，電子束輻照可使鋁顆粒表面的氧化物變得光滑和清潔。隨著脈沖數(shù)的增加，處理的均勻性及平均顆粒尺寸會(huì)增加。此外，電子束表面改性技術(shù)還可以用于沉積薄膜和納米結(jié)構(gòu)的制備，通過控制電子束的束流密度和掃描模式，在材料表面上沉積原子或分子，形成致密的薄膜或納米結(jié)構(gòu)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的薄膜制備，廣泛應(yīng)用于電子器件、光學(xué)涂層、傳感器、造紙印刷等領(lǐng)域。
離子束表面改性技術(shù)
離子束表面改性是指在真空環(huán)境中利用離子束改變材料表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和改善應(yīng)力狀況，賦予材料表面特定性能，使其表面與心部獲得最優(yōu)的性能組合，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命。離子束表面改性主要包括強(qiáng)流脈沖離子束技術(shù)和離子束輔助沉積技術(shù)。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前離子束表面改性技術(shù)比較成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越多。在電子封裝導(dǎo)熱領(lǐng)域，Yang和Sang等采用低能Ar＋離子束（Ar＋刻蝕）轟擊金剛石顆粒，強(qiáng)化了界面反應(yīng)與粘接，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料高導(dǎo)熱性能。在功能陶瓷領(lǐng)域，Hisato Ogiso等研究了Al離子注入到Al2O3顆粒表面引起的空位與間隙原子等缺陷對(duì)其強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)離子注入引起的缺陷對(duì)強(qiáng)度影響不大。
高能束表面改性技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
綜合而言，激光表面改性技術(shù)具有非接觸式加工、無污染、高精度、局部處理和快速加工等優(yōu)點(diǎn)；但也面臨著激光能量分布不均勻、熱影響區(qū)域擴(kuò)散和表面粗糙度增加等挑戰(zhàn)。離子束表面改性技術(shù)的精確可控性、局部處理與無需高溫等特性，將在材料科學(xué)、微電子學(xué)、材料加工等領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。電子束表面改性技術(shù)具有加工精度高、控制性強(qiáng)、適用于多種材料等優(yōu)點(diǎn)；但它也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如對(duì)真空環(huán)境的要求、束流束斑大小的限制以及材料表面的熱效應(yīng)等。
在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求和材料特性進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化。未來，激光束、電子束、離子束輻照不同材料進(jìn)行表面改性的機(jī)理研究仍需深入開展；需要提高高能束表面改性裝備的穩(wěn)定化、專業(yè)化、自動(dòng)化和智能化，進(jìn)一步滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求；發(fā)展激光束、電子束、離子束等技術(shù)的組合使用，以實(shí)現(xiàn)束源的復(fù)合與集成，進(jìn)而推進(jìn)材料表面改性的高品質(zhì)、高效率、多功能及一體化發(fā)展。
參考資料：
陳軍等.高能束表面改性技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用
桑建權(quán)等.微納米顆粒表面改性技術(shù)研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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