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      等離子體清洗技術在航空制造領域的四大優勢!

      點擊次數:327 發布時間:2020-10-10

      文章出自公眾號:航空制造網  作者賈彩霞等

      等離子體清洗技術起源于20 世紀初,推動了半導體和光電產業的迅速發展,現已廣泛應用于精密機械、汽車制造、航空航天以及污染防治等眾多高科技領域。等離子體清洗技術的關鍵是低溫等離子體的應用,它主要依賴于高溫、高頻、高能等外界條件產生,是一種電中性、高能量、全部或部分離子化的氣態物質。低溫等離子體的能量約為幾十電子伏特,其中所包含的離子、電子、自由基等活性粒子以及紫外線等輻射線很容易與固體表面的污染物分子發生反應而使其脫離,進而可起到清洗的作用。同時由于低溫等離子體的能量遠低于高能射線,因此此技術只涉及材料表面,對材料基體性能不產生影響。

      等離子體清洗是一種干式工藝,由于采用電能催化反應,可以提供一個低溫環境,同時排除了濕式化學清洗所產生的危險和廢液,安全、可靠、環保。簡而言之,等離子體清洗技術結合了等離子體物理、等離子體化學和氣固兩相界面反應,可以有效清除殘留在材料表面的有機污染物,并保證材料的表面及本體特性不受影響,目前被考慮為傳統濕法清洗的主要替代技術。

      更重要的是,等離子體清洗技術不分處理對象的基材類型,對半導體、金屬和大多數高分子材料均有很好的處理效果,并且能夠實現整體、局部以及復雜結構的清洗。此工藝容易實現自動化與數字化流程,可裝配高精度的控制裝置控制時間,具備記憶功能等。正是由于等離子體清洗工藝擁有操作簡單、精密可控等顯著優勢,目前已在電子電氣、材料表面改性與活化等多個行業普遍應用。同時可以預見,這種優越的技術也將被復合材料領域所認可并廣泛采用。

       一、等離子體清洗技術概述

      1.1 機理分析
      等離子體主要是通過氣體放電產生,其中包含電子、離子、自由基以及紫外線等高能量物質,具有活化材料表面的作用。例如,電子質量小、移動速度快,可以先一步到達材料表面并使其帶有負電荷,同時對材料表面產生撞擊作用,可促使表面吸附的氣體分子解吸或分解,也有利于引發化學反應;材料表面帶有負電荷時,帶正電荷的離子會加速向其沖擊,所產生的濺射作用會將表面附著的顆粒性物質除去;等離子體中自由基的存在對清洗作用具有非常重要的意義,由于自由基易與物體表面發生化學連鎖反應,產生新的自由基或進一步分解,后可能會分解成揮發性的小分子;而紫外線具有很強的光能和穿透能力,可透過材料表面深達數微米而產生作用,使表面附著物質的分子鍵斷裂分解。

      圖1 簡單描述了等離子體清洗的作用原理。主要是通過等離子體作用于材料表面使其產生一系列的物理、化學變化,利用其中所包含的活性粒子和高能射線,與表面有機污染物分子發生反應、碰撞形成小分子揮發性物質,從表面移除,實現清潔效果??梢?,等離子體清洗技術具有工藝簡單、高效節能、安全環保等顯著優點。

      1.2 清洗類型

      根據反應類型不同,等離子體清洗技術可分為兩類:等離子體物理清洗,即借助活性粒子和高能射線轟擊而使污染物脫離;等離子體化學清洗,即通過活性粒子與雜質分子反應而使污染物揮發脫離。

      (1)激發頻率對等離子體的清洗類型具有一定影響。例如,超聲等離子體(激發頻率,40kHz)發生的反應多為物理反應;微波等離子體(激發頻率,2.45GHz)發生的反應多為化學反應;而射頻等離子體(激發頻率,13.56MHz)則涉及到物理、化學雙重反應類型。

      (2)工作氣體種類對等離子體清洗類型也具有一定影響。例如,惰性氣體Ar2、N2 等被激發產生的等離子體主要用于物理清洗,借助轟擊作用使材料表面清潔;而反應性氣體O2、H2 等被激發產生的等離子體則主要用于化學清洗,借助活潑自由基與污染物(多為碳氫化合物)發生化學反應,產生一氧化碳、二氧化碳、水等小分子,從材料表面移除。

      (3)等離子體清洗類型對清洗效果具有一定的影響。等離子體物理清洗可使材料表面的粗糙度增加,有助于提高材料表面的附著力;等離子體化學清洗可以顯著增加材料表面的含氧、含氮以及其他類型的活性基團,有助于改善材料的表面浸潤性。

      1.3 效果與特點
      與傳統的溶劑清洗不同,等離子體是依靠其中所包含高能物質的“活化作用”達到清洗材料表面的目的,清洗效果徹底,是一種剝離式清洗。其清洗優勢主要體現在以下幾個方面:

      (1)清洗后的材料表面基本沒有殘留物,并且可以通過選擇、搭配不同的等離子體清洗類型,產生不同的清洗效果,滿足后續處理工藝對材料表面特性的多種需求;

      (2)由于等離子體的方向性不強,因此方便清洗帶有凹陷、空洞、褶皺等復雜結構的物件,適用性較強;

      (3)可處理多種基材,對待清洗物件的要求較低,因此特別適合清洗不耐熱和溶劑的基體材料;

      (4)清洗過后無需干燥或其他工序,無廢液產生,同時其工作氣體排放無毒害,安全環保;

      (5)操作簡便、易控、快捷,對真空度要求不高或可直接采用大氣壓等離子體清洗工藝,同時此工藝避免了大量溶劑的使用,因此成本較低。

      二 等離子體清洗設備及工藝

      2.1 主要設備

       

      用于等離子體清洗的典型設備為低壓等離子體清洗機,如圖2 所示。由于等離子體的產生需要在低壓條件下進行,需要真空設備和密閉系統,設備成本較高,且操作空間和待清洗物件尺寸容易受到限制,不便于大規模工業應用。因此近年來常壓等離子體及其清洗技術的發展受到了廣泛關注。圖3 所示為常壓射流等離子體噴槍,是一種電容耦合射頻放電裝置,其等離子特性與輝光放電相似,用于清洗材料表面時可以根據被清洗污染物的特點選擇工作氣體。 

      另有一種常壓空氣介質阻擋放電等離子體清洗設備,可以在常壓條件下對連續纖維、織物及其他大型片材產生良好的表面清洗效果,如圖4 所示。介質阻擋放電(DBD)可產生宏觀均勻、穩定的等離子體,放電強度相對較大,處理效率高。

       

      2.2 工藝參數
      在等離子體清洗工藝當中,影響清洗效率的參數主要有以下幾個方面:

      (1)放電氣壓:對于低壓等離子體,放電氣壓增加,等離子體密度越高,電子溫度隨之降低。而等離子體的清洗效果取決于其密度和電子溫度兩個方面,如密度越高清洗速率越快、電子溫度越高清洗效果越好。因此,放電氣壓的選擇對低壓等離子體清洗工藝至關重要。

      (2)氣體種類:待處理物件的基材及其表面污染物具有多樣性,而不同氣體放電所產生的等離子體清洗速度和清洗效果又相差甚遠。因此應該有針對性地選擇等離子體的工作氣體,如可選用氧氣等離子體去除物體表面的的油脂污垢,選用氫氬混合氣體等離子體去除氧化層。

      (3)放電功率:放電功率增大,可以增加等離子體的密度和活性粒子能量,因而提高清洗效果。例如,氧氣等離子體的密度受放電功率的影響較大。

      (4)暴露時間:待清洗材料在等離子體中的暴露時間對其表面清洗效果及等離子體工作效率有很大影響。暴露時間越長清洗效果相對越好,但工作效率降低。并且,過長時間的清洗可能會對材料表面產生損傷。

      (5)傳動速度:對于常壓等離子體清洗工藝,處理大物件時會涉及連續傳動問題。因此待清洗物件與電極的相對移動速度越慢,處理效果越好,但速度過慢一方面影響工作效率,另一方面也可能造成處理時間過長產生材料表面損傷。

      (6)其他:等離子體清洗工藝中的氣體分配、氣體流量、電極設置等參數也會影響清洗效果。因此需要根據實際情況和清洗要求設定具體的、適合的工藝參數。 

      三 在復合材料領域中的應用分析

      自等離子體清洗技術問世以來,其應用便隨著電子等工業的快速發展而逐漸增多。目前,等離子體清洗已廣泛應用于半導體與光電工業,并在汽車、航空航天、醫學、裝飾等多個技術領域得到推廣應用。近年來,等離子體清洗技術在聚合物表面活化、電子元器件制造、塑料膠接處理、提高生物相容性、防止生物污染、微波管制造、精密機械零件清洗等方面應用較多。下面著重討論復合材料領域中等離子體清洗工藝的應用前景。

      3.1 提高復合材料表面粘接性能

      碳纖、芳綸等連續纖維具有質輕高強、熱穩定性好、抗疲勞性能優異等顯著特點,用于增強熱固性、熱塑性樹脂基復合材料所得制成品已被廣泛應用于飛行器、武器裝備、汽車、體育、電器等多個領域。但是商業化的纖維材料表面通常會存在一層有機涂層,在復合材料制備

      過程中將會成為弱界面層而嚴重影響到樹脂與纖維之間的界面粘結作用。因此,在制備復合材料之前,需要借助一定的處理手段將其去除。

      采用等離子體清洗技術,可以有效避免化學溶劑對材料本體性能的損傷,在清洗材料表面的同時能夠引入多種活性官能團,并增大表面粗糙程度,改善纖維表面自由能,有效提高樹脂與纖維兩相界面之間的粘結作用,提高復合材料的綜合性能。圖5 所示為芳綸纖維經溶劑清洗和等離子體清洗之后增強熱塑性聚芳醚砜酮樹脂的層間剪切強度對比,表明在各自較佳條件下等離子體清洗對復合材料界面性能的提高作用更為顯著。

      3.2 提高復合材料制造工藝性能
      復合材料液體模塑成型技術(LCM)主要有樹脂傳遞模塑(RTM)、真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)、真空輔助樹脂注射(VARI)和樹脂膜滲透(RFI)等成型工藝。這類工藝的共同特點是將纖維預成型體放入模具腔體內,再在壓力作用下注入液態樹脂并使其充分浸漬纖維,再經固化、脫模等工序得到所需制品,具有低投入、高效率、高品質等優點。但是需要解決的問題是,LCM技術多存在樹脂對纖維浸漬不理想,制品存在內部空隙和表面干斑等現象。由此可見,樹脂對纖維表面的浸潤性能會直接影響LCM 成型工藝過程及其產品性能。因此,可以考慮通過采用等離子體清洗技術改善纖維表面的物理和化學性能,提高預成型體中纖維的表面自由能,使樹脂在同等工藝條件下(壓力場、溫度場等)能夠更加充分地浸漬纖維表面,提高浸漬均勻性,改善復合材料液體成型的工藝性能。

       

      3.3 提高復合材料表面涂裝性能
      復合材料的成型過程需采用脫模劑,以保證其固化成型后能夠有效地與模具分離,然而脫模劑的使用不可避免地會使復合材料貼膜面殘留多余的脫模劑,造成待涂裝表面的污染現象,產生弱界面層,使涂裝后的涂層極易脫落。傳統的清洗方式為采用丙酮等有機溶劑對表面進行擦拭或者采用打磨后清洗的方式,以除去殘留在復合材料制件表面的脫模劑。然而,采用上述兩種方法,不僅引入了有機溶劑的使用,而且由于打磨過程會造成大量粉塵污染,對環境造成嚴重影響并且危害操作人員的人身安全。而通過綠色環保的等離子體技術清洗后,復合材料待涂裝面獲得較佳可涂裝狀態,涂裝可靠性提高,可以有效避免涂層脫落和缺陷等問題,涂裝后表面平整、連續、無流痕及氣孔等缺陷,涂層附著力較常規清洗有明顯提高,通過GB/T 9286 試驗結果分級1 級,滿足工程應用標準。

      3.4 提高復合材料多個制件間膠接性能
      對于某些應用場合,需要將若干復合材料制件通過膠接過程連接成整體,在此過程中,如果復合材料表面存在污染,較為光滑或呈化學惰性,則不易通過涂膠的方法實現復合材料制件間的膠接工序。傳統的方式是采用物理打磨方法使復合材料制件的膠接面粗糙度增加,進而提高復合材料制件間的膠接性能。但此方法在產生粉塵污染環境的同時,不易達到均勻增加制件表面粗糙度的目的,易導致復合材料制件表面發生變形、破壞進而影響制件膠接面的性能。因此可以考慮采用簡單易控的等離子體技術,有效地清潔復合材料制件表面污染物,并同時改善其表面物理化學性能,終獲得良好的膠接性能。

      結束語

      等離子體清洗技術在復合材料領域中的應用,不論是用于改善復合材料的界面性能,提高液體成型工藝中樹脂對纖維表面的潤濕性能,還是用于清除制件表面污染層以提高涂裝性能,或是改善多個制件之間的膠接性能,其可靠性大多是依賴于低溫等離子體對材料表面物理以及化學性能的改善作用,去除弱界面層,或是增加粗糙度、提高化學活性,進而增強兩個表面之間的浸潤與粘結性能。

      隨著低溫等離子體技術的日益成熟,以及清洗設備尤其是常壓條件下在線連續等離子體裝置的開發,清洗成本不斷降低,清洗效率可進一步提高;等離子體清洗技術本身具有便于處理各種材料、綠色環保等優點。因此,在精細化生產意識逐漸提高的同時,先進的清洗技術在復合材料領域中的應用必然會更加普及。

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