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等離子體是帶電粒子和中性粒子組合成的物質集合體,它是自然界中除了固體、液體和氣體之外物質存在的第四種形態。等離子體中存在著大量的自由電子和離子,整體呈現為中性,其內部電子的運動十分活躍復雜,粒子與粒子之間會在運動中不斷碰撞電離,然后產生更多的電子-離子對。此外,等離子體具有可壓縮性,在外部壓力或電磁力作用下,等離子體的密度會發生顯著變化,這使得人們可以通過控制壓力或者電磁力對等離子體進行不同功能的應用。等離子體按照溫度可以分為高溫等離子體和低溫等離子體兩種,高溫等離子體的溫度一般能達到10?-10?K,內部能力極高,一般用于核聚變反應的研究和高溫材料的合成;低溫等離子體的溫度則接近于室溫,能夠被較為容易地控制,其中大氣等離子體是在大氣壓下產生的等離子體。在大氣等離子體中沒有復雜的真空系統約束,氣體壓力接近大氣壓,相比于低氣壓等離子體材 料表面處理技術,具有結構簡單、運行成本低且穩定的優點。

大氣等離子體處理設備的主要類型

大氣等離子體(APP)處理設備依據放電機制可分為介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge,DBD)、射頻放電(Radio Frequency Discharge,RF Discharge)、微波放電(Microwave Discharge,MW Discharge)、電弧放電、電暈放電等方式。

大氣等離子體對材料表面改性的方法

大氣等離子體對材料表面的處理可以用于改善材料的物理化學性質,如對高分子材料表面的改性,能夠在塑料、橡膠等材料引入極性基團(如羧基、羥基等),提升這些材料與油墨或者膠粘劑之間的界面相容性,適用于包裝材料行業。等離子體還可以通過大量高速粒子的沖擊在材料表面形成刻蝕,提升材料表面的粗糙度,如在陶瓷或者金屬表面進行等離子體處理后,就可以增強后續涂覆的涂層的附著力,延長其使用壽命。此外,等離子體還對材料表面有一定的清潔作用,如在半導體制造業中,可以通過等離子體處理對晶圓表面進行清洗,去除晶圓表面殘留的光刻膠、金屬雜質等物質,提升晶圓的良品率。因此,等離子體對材料表面改性的方法可以總結為以下幾點:

(1) 表面刻蝕與粗糙化

通過等離子體內部的大量高能粒子對材料表面的轟擊,在材料表面形成刻蝕,增加材料表面的粗糙度和比表面積。

(2) 表面交聯強化

高能粒子撞擊導致材料表層分子鏈斷裂,生成自由基并重新結合形成致密的交聯層。

(3) 自由基的生成與官能團的引入

等離子體中的活性粒子(如O、N自由基)與材料表面反應,打破C-F、C-C等惰性化學鍵,生成新的極性基團(如-COOH、-OH、-NH?)。