電子束表面改性簡介

中文名稱

電子束表面改性

英文名稱

electron beam surface modification

定　　義

采用電子束加熱，使金屬表面合金化，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的方法。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），材料科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)（二級學(xué)科），材料合成、制備與加工（三級學(xué)科），表面改性和涂層技術(shù)（四級學(xué)科）

電子束表面改性裝置主要包括電子槍、高壓油箱、聚焦系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、工作室、真空系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等七個(gè)部分。

電子槍是一個(gè)嚴(yán)格密封的真空器件，其燈絲為發(fā)射電子源，燈絲與陽極間施加數(shù)萬伏的電壓，對電子進(jìn)行加速。在陰陽極之間，還有一個(gè)柵控極，柵極與陰極之間加負(fù)偏壓，其最大值可達(dá)1500V,用以控制電子束流的大小。燈絲發(fā)射出的電子束流通過電磁聚焦線圈(電磁透鏡)，將電子束聚焦成不同尺寸的束斑，進(jìn)人工作室，轟擊工件表面，使其加熱。

電子束表面改性設(shè)備的工作室有高真空、低真空和常壓三種類型。

高真空工作室工作壓力保持在1.33x10^-1~1.33x10^-4Pa的范圍內(nèi)，可與電子槍共用一套真空系統(tǒng)，加速電壓范圍一般在15~175kV,電子束在工作室的最大傳輸距離高達(dá)1000mm,調(diào)節(jié)范圍寬，電子散射小，功率密度高，可用大束斑對工件進(jìn)行處理(可達(dá)20mmx20mm);低真空工作室工作壓力為13.3~1.33Pa,燈絲發(fā)射的電子束聚焦后通過特殊設(shè)計(jì)的氣阻噴管進(jìn)人低真空室，其加速電壓范圍為40~150kV,最大傳輸距離<700mm,電子束有一定散射，束斑尺寸相對減小，這是電子束表面改性設(shè)備用得較多的系統(tǒng);常壓工作室處于非真空狀態(tài)，電子束通過一組存在壓差的噴管引人大氣中，其加速電壓150~175kV,電子?xùn)|散射嚴(yán)重，到工件的最大距離不超高25mm,但這種工作室結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。2100433B

表面改性設(shè)備可分為干法和濕法兩類。非金屬礦粉常用的干法表面改性設(shè)備是SLG型連續(xù)粉體表面改性機(jī)，高速加熱混合機(jī)，渦流磨及PSC型粉體表面改性機(jī)等。常見的濕法表面改性設(shè)備為可控溫反應(yīng)罐和反應(yīng)釜。

表面改性方法很多。能夠改變粉體表面或界面物理化學(xué)性質(zhì)的方法，如表面有機(jī)包覆、液相化學(xué)沉淀包覆、氣相物理沉積，機(jī)械力化學(xué)、層狀結(jié)構(gòu)粉體插層等都可稱為表面改性方法。二十一世紀(jì)初工業(yè)上無機(jī)粉體表面改性常用的方法主要有表面有機(jī)包覆、沉淀反應(yīng)包覆、機(jī)械力化學(xué)及復(fù)合法等。

表面有機(jī)包覆改性是最常用的無機(jī)粉體表面改性方法。這是一種利用有機(jī)表面改性劑分子中的官能團(tuán)在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對顆粒表面進(jìn)行改性的方法。所用表面改性劑主要有偶聯(lián)劑(硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機(jī)絡(luò)合物、磷酸酯等)、高級脂肪酸及其鹽、高級胺鹽、硅油或硅樹脂、有機(jī)低聚物及不飽和有機(jī)酸、水溶性高分子等。

沉淀反應(yīng)包覆是利用化學(xué)沉淀反應(yīng)將表面改性物沉淀包覆在被改性顆粒表面，是一種“無機(jī)/無機(jī)包覆”或“無機(jī)納米/微米粉體包覆”的粉體表面改性方法或粒子表面修飾方法。粉體表面包覆納米TiO₂、ZnO、CaCO₃等無機(jī)物的改性，就是通過沉淀反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，如云母粉表面包覆TiO₂制備珠光云母；鈦白粉表面包覆SiO₂和Al₂O₃以及硅藻土和煅燒高嶺土表面包覆納米TiO₂和ZnO；硅灰石粉體表面包覆納米碳酸鈣和納米硅酸鋁。

機(jī)械力化學(xué)改性是利用粉體超細(xì)粉碎及其它強(qiáng)烈機(jī)械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜或表面無定形化，增強(qiáng)它與有機(jī)物或其他無機(jī)物的反應(yīng)活性。機(jī)械化學(xué)作用可以提高顆粒表面的吸附和反應(yīng)活性，增強(qiáng)其與有機(jī)基質(zhì)或有機(jī)表面改性劑的使用。以機(jī)械力化學(xué)原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的機(jī)械融合技術(shù)，是一種對無機(jī)顆粒進(jìn)行復(fù)合處理或表面改性，如表面復(fù)合、包覆、分散的方法。

插層改性是指利用層狀結(jié)構(gòu)的粉體顆粒晶體層之間結(jié)合力較弱(如分子鍵或范德華鍵)或存在可交換陽離子等特性,通過離子交換反應(yīng)或特性吸附改變粉體性質(zhì)的方法。因此，用于插層改性的粉體一般來說具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，如石墨、蒙脫土、蛭石、高嶺土等。

復(fù)合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學(xué)和機(jī)械等）改變顆粒的表面性質(zhì)以滿足應(yīng)用的需要的改性方法。應(yīng)用的復(fù)合改性方法主要有有機(jī)物理/化學(xué)包覆、機(jī)械力化學(xué)/有機(jī)包覆、無機(jī)沉淀反應(yīng)/有機(jī)包覆等。