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鈦及鈦合金具有比強度高、耐腐蝕、耐高溫、生物相容性好等特點，在航空航天、國防軍工、海洋船舶、生物醫療等領域應用廣泛。在航空航天領域，鈦及鈦合金是飛機的主要結構材料,也是航空發動機風扇、壓氣機輪盤和葉片等重要構件的首選材料,被譽為“太空金屬”;在海洋領域,鈦及鈦合金耐海水及海洋大氣腐蝕優勢突出,成功應用在海洋工程裝備、艦船、油氣開采、發電站、熱能轉換、海水淡化裝置中,被譽為“海洋金屬”;在國防軍工領域,除軍機軍艦外,鈦及鈦合金還在輕型火炮、裝甲車、導彈上獲得實際應用;在生物醫療領域,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,容易發生電偶腐蝕。同時,優異的生物相容性也使得微生物極易在其表面附著,造成產品表面污損,甚至引起細菌感染,阻礙了其實際應用。

合理的表面處理可以改變鈦及鈦合金產品的表面狀態,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品壽命、可靠性及擴展其應用領域具有重要意義。

等離子體表面處理技術

物質的狀態可分為固、氣、液和等離子體四種狀態,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)發生電離、離解產生的離子化氣態產物,在宏觀上,其呈電中性。目前,產生等離子體主要依靠氣體放電,外加電場,使處于電場內的氣體分子或原子發生電離,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,廣泛應用于各種材料的表面改性。其通過含有帶電的正離子和負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,從而產生自由基或材料表面發生化學反應。而且處理試樣表面會發生刻蝕、交聯等物理和化學變化。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行改性,而不會影響材料的內部性能以及結構。

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，這是因為等離子體處理一方面對鈦合金表面進行物理轟擊，在表面形成粗化效果，從而達到表面具有較強浸潤性的效果。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,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:1.只與鈦合金表面層發生物理化學反應,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成分(如基團種類、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,綠色環保,滿足可持續發展要求。