一种多功能低压等离子体处理装置的特性研究，适用于钢表面处理

《Surface and Coatings Technology》：Characterization of a versatile low-pressure plasma treatment unit for steel surfaces

低气压等离子体处理低碳钢表面研究，通过OES和RFEA分析显示电子温度1-2eV，离子通量密度达7A/m2，表面能提升显著，XPS证实碳化合物和氧化物减少，适用于工业涂层及清洁表面处理。

　　低压等离子体处理技术近年来在工业和科学研究中得到了广泛应用，其优势在于能够在相对较低的温度下实现高化学活性，同时具备非破坏性、环保性和良好的可控性。然而，这种技术的实施通常需要真空设备，这在一定程度上增加了其成本。本研究重点介绍了一种适用于批量低碳钢样品的简单且多功能的低压等离子体处理装置，并探讨了其在表面改性方面的潜力。通过使用光学发射光谱（OES）和退行场能量分析仪（RFEA）等工具，研究团队对等离子体参数和样品表面相互作用进行了深入分析，同时利用接触角测量（CA）和X射线光电子能谱（XPS）评估了等离子体处理对钢表面性能的影响。

该等离子体处理装置设计为圆柱形，便于优化等离子体的分布和约束。装置中的阳极管内径为184.5毫米，通过电气隔离放置在接地的圆柱形真空腔中，能够达到10??毫巴的基压。在距离阳极管约20毫米的位置，安装了一根钨丝（长度450毫米，厚度0.5毫米）作为热离子发射器，该发射器与阳极管电气隔离。通过在阳极和钨丝之间施加直流偏置电压Uoff（通常为50伏特），可以点燃支持性放电，从而促进样品处理等离子体的点燃。在标准实验条件下，处理电压设定为200伏特，工作压力为3×10?3毫巴，频率为160千赫兹，脉冲反向时间为2.8微秒，钨丝功率为470瓦至480瓦，处理时间则为30秒。这些参数的选择旨在实现对等离子体的精确控制，同时确保其对样品表面的有效处理。

等离子体处理过程中，氩气被用作工艺气体，因其成本低且化学惰性，能够避免对钢表面和钨丝造成不必要的化学变化。通过调整发电机电压（50伏特至400伏特）、频率（0千赫兹至300千赫兹）以及占空比（5%至45%），可以灵活地控制等离子体的特性。在OES测量中，观察到支持性放电和样品处理等离子体的特征发射线，其中支持性放电主要包含氩气的发射线，而样品处理等离子体则显示出铁元素的发射线，这表明在施加脉冲直流电压后，样品表面会发生溅射现象。通过分析OES数据，研究团队能够确定等离子体中电子温度的范围为1电子伏特至2电子伏特，这一温度范围与已有的低压等离子体研究结果一致，说明该等离子体具有良好的稳定性。

RFEA作为另一种重要的等离子体诊断工具，被用于分析离子能量分布（IED）和离子通量密度（Ji）。RFEA通过在样品表面直接放置探针，能够实时监测离子能量和通量。实验结果显示，当样品处理等离子体被点燃后，离子通量密度可达约7安培/平方米，而离子能量则与施加的电压密切相关。在改变钨丝功率和发电机电压的实验中，发现钨丝功率对离子通量密度有显著影响，而发电机电压主要影响离子能量。此外，通过调整脉冲反向时间，研究团队进一步验证了离子能量与电压之间的直接关系，同时发现离子通量密度在样品表面不同位置存在一定的不对称性，这可能是由于磁场分布的不均匀性所致。

为了进一步评估等离子体处理对钢表面性能的影响，研究团队采用了接触角测量和XPS分析。接触角测量显示，经过等离子体处理的钢表面在短时间内（2分钟）显示出显著的润湿性增强，表明其表面自由能显著提升。随着暴露时间的延长，接触角逐渐趋于稳定，但仍低于未处理样品的值。这一现象表明，等离子体处理能够有效提升钢表面的润湿性，从而改善其在涂层或粘接过程中的附着力。XPS分析则揭示了等离子体处理对表面化学成分的影响，结果显示，经过处理的钢表面中碳化合物和氧化物的信号显著减少，而铁氧化物的信号则有所增强。这表明等离子体处理不仅去除了表面的碳污染，还可能促进了铁氧化物的形成或结构变化。通过在处理后进行原位溅射，进一步确认了表面碳污染的去除效果，同时观察到铁氧化物厚度的显著减少。

研究团队还探讨了等离子体处理对钢表面粗糙度的影响。使用白光干涉仪测量结果显示，等离子体处理对表面微米尺度的粗糙度没有明显影响，但可能在更小的尺度上存在一定的变化。这提示在未来的实验中，可能需要结合原子力显微镜（AFM）等更高分辨率的工具，以进一步研究等离子体处理对表面结构的微小影响。此外，等离子体处理后的表面在大气暴露下仍能保持较高的润湿性和表面自由能，表明其表面改性具有一定的持久性，这对于工业应用具有重要意义。

本研究的结论表明，该等离子体处理装置能够在控制条件下有效地提升低碳钢表面的化学活性和润湿性，从而为后续的制造工艺提供良好的基础。通过调节发电机电压和钨丝功率，可以独立控制离子通量密度和能量，使得该技术具备高度的灵活性和适应性。尽管目前的实验结果表明，等离子体处理在工业生产中的应用仍需进一步优化，以克服等离子体分布不均的问题，但其在提升表面性能方面的潜力已经得到了充分验证。未来，可以通过增加多个电子发射器或采用等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）等方法，进一步提升该技术的效率和适用性，从而在更广泛的工业场景中发挥重要作用。