等离子清洗

等离子清洗的应用,起源于20世纪初,随着高科技产业的快速发展,其应用越来越广,目前已在众多高科技领域中,居于关键技术的地位。等离子清洗技术对产业经济和人类文明影响zui大,首推电子资讯工业,尤其是半导体业与光电工业。

等离子清洗已应用于各种电子元件的制造,可以确信,没有等离子清洗技术,就没有今日这么发达的电子、资讯和通讯产业。此外,等离子清洗技术也应用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染防治工业和量测工业上,而且是产品提升的关键技术,比如说光学元件的镀膜、延长模具或加工工具寿命的抗磨耗层,复合材料的中间层、织布或隐性镜片的表面处理、微感测器的制造,超微机械的加工技术、人工关节、骨骼或心脏瓣膜的抗摩耗层等皆需等离子技术的进步,才能开发完成。

等离子技术是一新兴的领域,该领域结合等离子物理、等离子化学和气固相界面的化学反应,此为典型的高科技产业,需跨多种领域,包括化工、材料和电机,因此将极具挑战性,也充满机会,由于半导体和光电材料在未来得快速成长,此方面应用需求将越来越大。

等离子体清洗的机理

1、什么是等离子体

等离子体是物质的一种存在状态,通常物质以固态、液态、气态3种状态存在,但在一些特殊的情况下可以以第四种状态存在,如太阳表面的物质和地球大气中电离层中的物质。这类物质所处的状态称为等离子体状态,又称为物质的第四态。

等离子体中存在下列物质:处于高速运动状态的电子;处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基);离子化的原子、分子;分子解离反应过程中生成的紫外线;未反应的分子、原子等,但物质在总体上仍保持电中性状态。

2、等离子体的产生

在清洗工艺中应用的等离子体,一般都采用人工方法获得。

最早是在1927年,当水银蒸气在高压电场中的放电时由科研人员发现等离子体。后来发现通过多种形式,如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等,都可以使处于低气压状态的气体物质转变成等离子体状态。如在高频电场中处于低气压状态的氧气、氮气、甲烷、水蒸气等气体分子在辉光放电的情况下,可以分解出加速运动的原子和分子,这样产生的电子和解离成点有正、负电荷的原子和分子。

这样产生的电子在电场中加速时会获得高能量,并与周围的分子或原子发生碰撞,结果使分子和原子中又激发出电子,而本身又处于激发状态或离子状态,这时物质存在的状态即为等离子体状态。

3、等离子体清洗的机理

由于等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在,其本身很容易与固体表面发生反应。等离子体清洗主要是依靠等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的。

就反应机理来看,等离子体清洗通常包括以下过程:无机气体被激发为等离子态;气相物质被吸附在固体表面;被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子;产物分子解析形成气相;反应残余物脱离表面。

等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型,均可进行处理,对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料,如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理,并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。

等离子体清洗还具有以下几个特点:容易采用数控技术,自动化程度高;具有高精度的控制装置,时间控制的精度很高;正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层,表面质量得到保证;由于是在真空中进行,不污染环境,保证清洗表面不被二次污染。

4、反应类型分类

等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应(离子轰击)和化学反应。

物理反应机制是活性粒子轰击待清洗表面,使污染物脱离表面zui终被真空泵吸走;化学反应机制是各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质,再由真空泵吸走挥发性的物质。

以物理反应为主的等离子体清洗,其优点在于本身不发生化学反应,清洁表面不会留下任何的氧化物,可以保持被清洗物的化学纯净性;缺点就是对表面产生了很大的损害,会产生很大的热效应,对被清洗表面的各种不同物质选择性差,腐蚀速度较低。

以化学反应为主的等离子体清洗的优点是清洗速度较高、选择性好、对清除有机污染物比较有效,缺点是会在表面产生氧化物。和物理反应相比较,化学反应的缺点不易克服。

并且两种反应机制对表面微观形貌造成的影响有显著不同,物理反应能够使表面在分子级范围内变得更加“粗糙”,从而改变表面的粘接特性。

还有一种等离子体清洗是表面反应机制中物理反应和化学反应都起重要作用,即反应离子腐蚀或反应离子束腐蚀,两种清洗可以互相促进,离子轰击使被清洗表面产生损伤削弱其化学键或者形成原子态,容易吸收反应剂,离子碰撞使被清洗物加热,使之更容易产生反应;其效果是既有较好的选择性、清洗率、均匀性,又有较好的方向性。

典型的等离子体物理清洗工艺是氩气等离子体清洗。氩气本身是惰性气体,等离子体的氩气不和表面发生反应,而是通过离子轰击使表面清洁。典型的等离子体化学清洗工艺是氧气等离子体清洗。通过等离子体产生的氧自由基非常活泼,容易与碳氢化合物发生反应,产生二氧化碳、一氧化碳和水等易挥发物,从而去除表面的污染物。

? 5、等离子清洗常见应用

在橡塑行业

我们在工业应用中发现一些橡胶塑料件在进行表面连接的时候会出现粘接困难的问题,这是因为聚丙烯、PTFE等橡胶塑料材料是没有极性的,这些材料在未经过表面处理的状态下进行的印刷、粘合、涂覆等效果非常差,甚至无法进行。有些工艺用一些化学药剂对这些橡塑表面进行处理,这样能改变材料的粘接效果,但这种方法不易掌握,化学药剂本身具有毒性,操作非常麻烦,成本也较高,而且化学药剂对橡塑材料原有的优良性能也有影响。利用等离子技术对这些材料进行表面处理,在高速高能量的等离子体的轰击下,这些材料结构表面得以最大化,同时在材料表面形成一个活性层,这样橡胶、塑料就能够进行印刷、粘合、涂覆等操作。应用等离子技术对橡塑表面处理,其操作简单,处理前后没有有害物质产生,处理效果好,效率高,运行成本低。

在汽车行业

1.点火线圈

随着汽车行业的发展,其各方面性能要求越来越高。点火线圈有提升动力,最明显的效果是提升行驶时的中低速扭距;消除积碳,更好的保护发动机,延长发动机的寿命;减少或消除发动机的共振;燃油充分燃烧,减少排放等诸多功能。要使点火线圈充分发挥它的作用,其质量、可靠度、使用寿命等要求必须达到标准,但是点火线圈生产工艺尚存在很大的问题——点火线圈骨架外浇注环氧树脂后,由于骨架在出模具前表面含大量的挥发性油污,导致骨架与环氧树脂结合面粘合不牢靠,成品使用中,点火瞬间温度升高,会在结合面微小的缝隙中产生气泡,损坏点火线圈,严重的还会发生爆炸现象。点火线圈骨架使用等离子处理后,不仅可去除表面的难挥发性油污,而且可大大提高骨架表面活性,即能提高骨架与环氧树脂的粘合强度,避免产生气泡,同时可提高绕线后漆包线与骨架触点的焊接强度。这样一来点火线圈在生产过程中各方面性能得到明显改善,提高了可靠度和使用寿命。

2.发动机油封片

发动机曲轴油封起防止发动机机油从发动机中渗漏和防止异物进入发动机内部的作用。曲轴油封是发动机的零件之一,在高温下与机油相接触,因此需要采用耐热性和耐油性优良的材料。高档轿车普遍使用聚四氟乙烯材料,随着汽车性能要求的不断提高,越来越多的厂家也已逐步使用该材料,其应用前景非常广泛。聚四氟乙烯材料各方面性能优异,耐高温,耐腐蚀、不粘、自润滑、优良的介电性能、很低的摩擦系数,但未经处理的PTFE材料表面活性差,其一端与金属之间的粘接非常困难,产品无法满足质量要求。为了解决这一技术上的难题,就要设法改变PTFE(聚四氟乙烯)与金属粘接的表面性能,而不能影响另一面的性能。工业中用莱钠溶液处理虽然能在一定程度上提高粘接效果,但是却改变了原有PTFE的性能。经实验证明,用等离子体轰击需粘接的PTFE表面后,其表面活性明显增强,与金属之间的粘接牢固可靠,满足了工艺的要求,而另一面保持原有的性能,其应用也越来越被广泛认同。

3.汽车行业其他方面的应用

随着经济的发展,消费者对汽车的性能要求越来越高,如汽车的外观、操作舒适性可靠性、使用耐久性等要求也不断提高。为了满足消费者的要求,各汽车厂家在生产汽车时更注重细节方面的优化改进,如进行(1)仪表板在柔性聚氨酯(PU)涂覆前处理(2)控制面板在粘合前处理(3)内部PP零件植缛前处理(4)汽车门窗密封件的处理以前未经任何处理仪表盘或控制面板涂覆效果非常差,不耐磨,容易掉漆等现象,用化学方法处理虽然能改变涂覆的效果,但同时也改变了仪表盘等基材的性能,使得其强度有所降低。很多厂家已经使用等离子技术来处理这些基材,通过等离子体轰击,材料表面微观层面活性增强,能明显改善涂覆效果。根据实验得知,用等离子清洗机处理不同材料需要选用不同工艺参数,才能达到更好的活化效果。

在电子行业

1.硬盘塑料件

科学的发展,技术的不断进步,电脑硬盘的各项性能也不断提高,其容量越来越大,碟片数量随之增多,转速也高达7200转/分,这对硬盘结构的要求也越来越高,硬盘内部部件之间连接效果直接影响硬盘的稳定性、工作可靠性、使用寿命,这些因素直接关系到数据的安全性。为了确保硬盘的质量,知名硬盘生产厂家对内部塑料件在粘接前均进行各种处理,应用较多的是等离子处理技术,使用该技术能有效清洁塑料件表面油污,并能增加其表面活性,即能提高硬盘部件的粘接效果。实验表明,硬盘中使用等离子处理过的塑料件在使用过程中持续稳定运行时间显著增加,可靠性及抗碰撞性能有明显的改善。

2.耳机听筒

耳机中的线圈在信号电流的驱动下带动振膜不停的振动,线圈和振膜以及振膜与耳机壳体之间的粘接效果直接影响耳机的声音效果和使用寿命,如果它们之间出现脱落就会产生破音,严重影响耳机的音效和寿命。振膜的厚度非常薄,要提高其粘接效果,使用化学方法处理,直接影响振膜的材质,从而影响音效。众多厂家正准备使用新技术来对振膜进行处理,等离子处理就是其中之一,该技术能有效提高粘接效果,满足需求,且不改变振膜的材质。经实验,用等离子清洗机处理生产的耳机,各部分之间的粘接效果明显改善,在长时间高音测试下也不会有破音等现象发生,使用寿命也有很大的提高。

3.手机外壳

手机的种类繁多,外观更是多彩多样,其颜色鲜艳,Logo醒目,但使用手机的人都知道,手机在使用一段时间后,其外壳容易掉漆,甚至Logo也变得模糊不清,严重影响手机的外观形象。知名手机品牌厂家为了寻找解决这些问题的方法,曾使用化学药剂对手机塑料外壳进行处理,其印刷粘接的效果有所改善,但这是降低手机外壳的硬度为代价,为了寻求更好的解决方案,等离子技术脱颖而出。等离子表面处理技术不仅可以清洗外壳在注塑时留下的油污,更能最大程度的活化塑料外壳表面,增强其印刷、涂覆等粘接效果,使得外壳上涂层与基体之间非常牢固地连接,涂覆效果非常均匀,外观更加亮丽,并且耐磨性大大增强,长时间使用也不会出现磨漆现象 。

在国防行业

1.航空航天电连接器

电连接器中的绝缘体与封线体之间的粘接效果一直影响着国产电连接器的发展,尤其在航空航天中对电连接器的要求更苛刻,未经表面处理的绝缘体与封线体之间的粘接效果非常差,即使使用专用配方的胶,其粘接效果也达不到要求;另外,如果绝缘体和封线体之间粘接不紧密,就可能会产生漏电,使得电连接器的耐压值提不上去。国内指定生产航空电连接器的厂家,经过技术研究攻关,正逐步应用推广等离子清洗技术清洗连接件表面,通过等离子清洗,不仅能去除表面油污,而且可增强其表面活性,这样在粘接时,在连接件上涂胶非常容易且非常的均匀,使得粘接效果明显改善。经国内多个生产大厂使用测试,用等离子处理后的电连接器,其抗拉能力成数倍增加,耐压值有显著提高。

2.凯夫拉处理

凯夫拉材料是一种芳纶复合材料,这种新型材料密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型,而受到人们的重视。由于“凯夫拉”材料坚韧耐磨、刚柔相济,具有刀抢不入的特殊本领,在军事上被称之为“装甲卫士”。凯夫拉成型后需要与其他部件进行粘接,但该材料是疏水材料,不易涂胶,要获得好的粘接效果需要对其进行表面处理,主要运用等离子对其进行表面活化处理。处理过的凯夫拉表面活性增强,粘接效果有明显的改善,通过等离子处理工艺参数的不断优化,其效果会进一步提高,应用的范围也越来越广。

在纺织纤维行业

无纺布的优越性能使其应用范围非常广泛,在医疗卫生、家庭装饰、服装、工业、农业中均有应用。根据不同需要,无纺布在生产制作过程中要在表面进行阻燃处理、烧毛处理、泼水处理、止滑处理、抗静电处理、涂层处理、抗菌防臭处理、印花处理、无纺布与各种纺织品的针刺复合处理,以及无纺布与各种材料(塑料、胶膜、纺织品等)粘合等,为了达到非常好的印花、粘合等效果,需要对无纺布基体进行表面处理。等离子卷筒型清洗机是专门用于无纺布电缆等细长件的表面处理,该机处理效果好、效率高,适合大批量生产加工。

塑料、玻璃和陶瓷的表面活化和清洁?

塑料、玻璃、陶瓷与聚丙烯、PTFE一样是没有极性的,因此这些材料在印刷、粘合、涂覆前要进行处理。同时,玻璃和陶瓷表面的轻微金属污染也可以用等离子方法清洁。等离子处理与灼烧处理相比不会损害样品。同时还可以十分均匀地处理整个表面,不会产生有毒烟气,中空和带缝隙的样品也可以处理。?

经济的发展,人们的生活水平不断提高,对消费品的质量要求也越来越高,等离子清洗技术随之逐步进入生活消费品生产行业中;另外,科技的不断发展,各种技术问题的不断提出,新材料的不断涌现,越来越多的科研机构已认识到等离子技术的重要性,并投入大量资金进行技术攻关,等离子技术在其中发挥了非常大的作用。我们深信等离子技术应用范围会越来越广;技术的成熟,成本的降低,其应用会更加普及

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