中國粉體網(wǎng)訊 高能束表面改性是指當高能束發(fā)生器輸出功率密度達到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、化學或相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一種新的表面處理技術。
激光表面改性技術
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�，材料表面溫度快速升高，發(fā)生相變、熔化甚至氣化，隨后熱量向材料深處快速傳導，表面溫度又快速降低，經(jīng)此“驟熱極冷”過程，實現(xiàn)材料表面的強化處理。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一步提高，激光表面改性技術逐漸在高分子聚合物、陶瓷粉末、合金顆粒材料上應用。Snehashis Pal等采用不同的激光能量密度對Ti6Al4V粉末進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在碳化硅顆粒增強的HA-Ag生物活性陶瓷涂層方面也有應用。
電子束表面改性技術
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。脈沖型電子束又細分為低能量密度長脈沖電子束和高能量密度窄脈沖電子束，其中低能量密度長脈沖電子束改性效果不顯著，實際應用中更多使用高能量密度窄脈沖電子束，即強流脈沖電子束（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反應，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以上對平均粒徑為40μｍ的Al粉進行脈沖輻照，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增加。此外，電子束表面改性技術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)。這種方法可以實現(xiàn)高質(zhì)量、高精度的薄膜制備，廣泛應用于電子器件、光學涂層、傳感器、造紙印刷等領域。
離子束表面改性技術
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)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)和改善應力狀況，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流脈沖離子束技術和離子束輔助沉積技術。
經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前離子束表面改性技術比較成熟，應用領域也越來越多。在電子封裝導熱領域，Yang和Sang等采用低能Ar＋離子束（Ar＋刻蝕）轟擊金剛石顆粒，強化了界面反應與粘接，實現(xiàn)了復合材料高導熱性能。在功能陶瓷領域，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其強度的影響，研究發(fā)現(xiàn)離子注入引起的缺陷對強度影響不大。
高能束表面改性技術優(yōu)缺點對比
綜合而言，激光表面改性技術具有非接觸式加工、無污染、高精度、局部處理和快速加工等優(yōu)點；但也面臨著激光能量分布不均勻、熱影響區(qū)域擴散和表面粗糙度增加等挑戰(zhàn)。離子束表面改性技術的精確可控性、局部處理與無需高溫等特性，將在材料科學、微電子學、材料加工等領域中發(fā)揮重要作用。電子束表面改性技術具有加工精度高、控制性強、適用于多種材料等優(yōu)點；但它也面臨著一些挑戰(zhàn)，例如對真空環(huán)境的要求、束流束斑大小的限制以及材料表面的熱效應等。
在實際應用中需要根據(jù)具體需求和材料特性進行合理選擇和優(yōu)化。未來，激光束、電子束、離子束輻照不同材料進行表面改性的機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、自動化和智能化，進一步滿足現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展要求；發(fā)展激光束、電子束、離子束等技術的組合使用，以實現(xiàn)束源的復合與集成，進而推進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在航空領域的應用
桑建權等.微納米顆粒表面改性技術研究進展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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