2.1.3.5. Модификация свойств поверхности материалов

Плазмохимические процессы широко используются для изменения поверхностных свойств материалов: адгезии, пористости, смачиваемости, твердости, пластичности, химической активности, содержания примесей, химической стойкости в агрессивных средах и др. Эти процессы проводят как при атмосферном и повышенном давлении с использованием плазмы электродугового разряда, так и в условиях вакуума в тлеющем разряде. Плазма может химически реагировать с поверхностью или являться лишь энергоносителем, под действием которого происходят химические реакции и фазовые превращения на поверхности.

С помощью плазмы проводят азотирование  и закалку поверхности металлов (рис.2.14). Наиболее часто для азотирования используют тлеющий разряд, позволяющий создать на поверхности обрабатываемой детали защитный слой нитрида, имеющий высокую твердость и стойкость в агрессивных средах. Плазменное азотирование происходит в 2-2,5 раза быстрее, чем газовое. Его используют для обработки поверхности режущих инструментов, шариков для авторучек, трущихся поверхностей, валов прокатных станов и т.д.

 

Рис.2.14. Плазменная обработка металлов

 

При использовании метана в качестве газовой среды проводят цементацию поверхностей (образование карбидов) в тлеющем разряде. Также возможно проведение цианирования, силицирование металлов.

Окислительная плазма кислорода и кислородсодержащих газов используется для окисления поверхности металлов и проводников с получением тонких оксидных слоев с хорошими защитными и изолирующими свойствами. Процесс протекает при более низких температурах 500-6000С вместо 10000С при термическом окислении. Это оказывается очень важным в ряде практических применений, особенно в микроэлектронике. Получила распространение также закалка металла обработкой плазменной струей с последующим быстрым охлаждением.

Ряд технологических применений нашло взаимодействие плазмы с полимерами, приводящее к модифицированию их поверхностных свойств, как правило, при одновременной деструкции (рис.2.15). Этот процесс иногда называют плазмолиз высокомолекулярных соединений.
 

Рис. 2.15. Плазменная обработка поверхности полимеров

 

Воздействие высоких температур на поверхность полимера может изменять его физические свойства за счет образования сшитой структуры. При этом повышается стойкость полимера к абразивному износу, водорастворимые вещества становятся нерастворимыми, изменяется фильтрующую способность полимера.

Еще более интересные результаты можно получать при комбинировании теплового воздействия на полимер с химическим. При взаимодействии полимеров с азотом в плазме возможно образование углерод-азотных связей; фтор может внедряться в полиолефиновые полимеры и образовывать химически неактивный слой, подобный фторопласту, водород при взаимодействии с поверхностью полимера видоизменяет структуру химических связей.

Изменение поверхностных свойств полимеров расширяет возможности их применения. Так улучшение адгезионных свойств позволяет прессовать полимерные пленки без применения связующего. Изменение смачиваемости полимерной поверхности используется для улучшения сил сцепления с типографскими красками и красителями при производстве упаковок, в электронике и текстильной промышленности. Обработке в плазме подвергают шерсть, мохер, кожу, хлопок, бумагу и т.п.  Адгезия между волокнами возрастает в 1,5 - 3 раза. Кроме того, в результате удаления гидрофобного слоя, существующего на поверхности природных волокон, улучшается грязоотталкивание и увеличивается скорость окрашивания.

Большое промышленное значение имеет плазменная подготовка поверхности при создании изделий, основанных на связи полимеров с металлами. Иногда производят прямое осаждение полимера на металл в плазменном разряде, в который вводят мономер.

Плазмохимические методы позволяют получать полимерные пленки из различных органических соединений (предельных, непредельных, ароматических углеводородов, металлоорганики), а также дают возможность регулировать  состав пленок путем изменения состава газовой смеси. Этим способом можно получить пленки с уникальными свойствами. Одним из возможных применений плазменного синтеза пленок является получение полупроницаемых мембран. Пленка толщиной в несколько сот микрон осаждается на пористый носитель в условиях неравновесной плазмы. Предложено использовать ВЧ-плазму для получения полимерных полупроводников на основе тиофена и его производных.

Плазма находит широкое применение в процессах обработки стекла и строительных материалов. Например, прочность кварцевого стекла после плазменной обработки возрастает на 15-20%, а микротвердость – на 20%, увеличивается его химическая устойчивость. Плазменная обработка поверхности строительных материалов (кирпича, бетона) увеличивает срок их службы и позволяет создавать декоративные покрытия. В Томске созданы установки для создания стекловидного защитно-декоративного покрытия на лицевых гранях силикатного кирпича, обеспечивающего повышенную химическую стойкость, морозостойкость, самоочищаемость, различную окраску. В Красноярске разработана технологическая линия создания защитно-декоративного покрытия на глиняном кирпиче. На Минусинском электротехническом комплексе создана специализированная плазменная установка, предназначенная для обработки большеразмерных бетонных изделий.

В промышленности нашли широкое применение процессы плазменного напыления защитных покрытий. Они позволяют использовать дешевые материалы с напыленным защитным слоем для работы в агрессивных средах, при повышенных температурах, а также в условиях абразивного износа трущихся поверхностей. Применяются обычно электродуговые плазмотроны. Для напыления используются различные порошки, вводимые в плазменную струю (карбиды, металлы, композиционные материалы и др.).

Плазменная технология в электронной технике. Процессы очистки материалов (удаление инородных атомов и молекул) и их травление (химической обработки поверхности) по трудоемкости занимают 60-80% времени изготовления различных микроэлектронных приборов (интегральных схем, печатных плат, электровакуумных и электронно-лучевых устройств). При химическом травлении необходимы дорогие реагенты и сверхчистая вода; этот процесс трудно автоматизировать. В это связи применение методов плазменного («сухого») травления и очистки материалов, использующих более дешевые газообразные реагенты, имеющих более высокую производительность и легко поддающихся автоматизации, является весьма перспективным.

При воздействии плазмы на материал может происходить либо физическое распыление материала с помощью ионов различных газов (ионное травление), либо удаление поверхностных слоев материала за счет химического образования летучих веществ (плазмохимическое травление), либо одновременно оба вида процессов.

В качестве рабочих газов при химическом травлении чаще всего используют различные органические галогенпроизводные. Плазменные процессы обработки материалов электронной техники проводят при пониженном давлении в условиях неравновесной плазмы.