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1、液相等离子电解技术的研究进展与应用,南京理工大学 Nanjing University of Science and Technology,黄洁雯，杨群，樊新民，熊党生南京理工大学材料科学与工程学院,Contents,液相等离子体电解技术（plasma electrolysis technology，PET）：一门新兴的材料表面改性技术。,液相等离子体电解处理在特定的溶液中进行，工件作为一个电极，辅助电极作为另一极，在两极之间施加适当的电压，当电压超过某一临界值时，工件电极与溶液界面处的电势突变产生的高电场强度可以击穿界面处的钝化膜、气体等电介质，表面或者附近会产生放电现象，即发生等离子体电解
2、的电极程，在电解液中产生等离子体。这些等离子体具有很高的能量，电极表面局部产生瞬间高温并发生复杂的物理、化学反应，从而在电极表面制备具有特定性能的改性层或沉积层。,PET处理原理示意图,PET的电流电压特性,0-U1：符合欧姆定律；U1-U2：不稳定火花放电区，U2是击穿电压；U2-U3：正常等离子体辉光区，PET的工作区；U3：气膜中出现弧光放电,PET制备机理示意图：(a)工件表面的等离子气泡，(b)等离子气泡冷却后产生冲击波，(c)等离子气泡的坍塌与清洗作用，(d)等离子气泡的坍塌与微裂纹的形成，(e)等离子气泡的坍塌与离子的沉积，(f)沉积层随处理时间延长而增厚。,热效应：PET过程中
3、产生的热量包括：电极表面上产生的欧姆热，电化学过程所释放的能量，电极表面由等离子体热化学离子碰撞-转换反应产生的能量。而电极表面的欧姆热在上述能量之和中所占的比例大于2/3，是工件电极表面高温的主要贡献。扩散效应：工件表面的成分与气膜介质成分差异在工件表面法向形成了很高的浓度梯度，为扩散效应提供了驱动力，同时，上述的热效应导致的高温进一步促进了扩散系数的增大，非金属元素扩散系数可以提高23倍。化学效应：工件与溶液界面处的电介质被击穿后，产生了大量构成化学反应所必须的活性物质，为高温相、过饱和的固溶体和非平衡态化合物的形成提供必要的条件。电泳效应：宏观颗粒在强电场作用下电迁移到电极表面和远离电极
4、表面的现象，颗粒由电极表面向电解液方向的迁移可用于表面清洁及对表面氧化膜和涂层的去除；而颗粒由电解液向电极表面方向的迁移现象可用于增强涂层的沉积。,液相等离子电解渗入（PES).液相等离子电解氧化（PEO)液相等离子电解沉积（PED）液相等离子电解加热（PEH）,液相等离子电解渗入（PES).阴极：待渗金属，如钢、钛等。阳极：石墨或不锈钢。渗入元素：C、N、B等非金属元素的单组元渗入或共渗。电解液组成：水、易溶盐、有机物化合物。有机化合物一般选择含C、N元素浓度较高的溶液，为工件提供渗入原子。如：酰胺类、醇胺类以及尿素等。水和易溶盐，如氯化钠、氯化钾等，提高溶液的导电性，以便形成稳定的放电电弧
5、。主要研究对象：集中在最钢铁材料液相等离子电解渗氮、渗碳或碳氮共渗技术的研究。基体材料选用包括了纯铁、碳钢、不锈钢以及工、模具钢。渗层硬度在8001400HV左右。,液相等离子电解氧化（PEO).阴极：石墨或不锈钢。阳极：Al、Mg、Ti、Zr、Ta等有色金属或其合金。原理：通电后，金属表面会立即生成很薄的一层金属氧化物绝缘膜。当阳极氧化电压超过某一临界值后，表面初始生成的绝缘氧化膜被击穿，产生微区弧光放电，形成瞬间的超高温区(2000)，在该区域内氧化物或基底金属被熔融甚至气化，与电解液接触反应，熔融物激冷而形成非金属陶瓷膜层。生成的氧化物膜层硬度可达10002000HV。,液相等离子电解沉
6、积（PED).沉积陶瓷涂层：在阴极表面预先制备一层氧化物阻挡膜，当施加高压脉冲电流时，阻挡膜被击穿发生微弧放电，如果在电解液中添加某些无机粉末，则粉末的电泳效果使粉末吸附到阴极工件表面参与膜层的形成过程，形成厚的陶瓷涂层。沉积金属涂层：Meletis等用低碳钢作为基体材料为阴极，用14%的NaHCO3溶液电解，对低碳钢试样进行等离子电解清洗；清洗后的试样分别浸入ZnSO4溶液、ZnSO4+Al2(SO4)3溶液，以试样为阴极进行等离子体电解沉积，制备了厚度为1020m的Zn、Zn-Al涂层，提高了基体材料的耐腐蚀性。,液相等离子电解加热（PEH).原理：利用等离子体的热效应对工件进行热处理，工
7、件仅在表层发生相变，不形成含有液相等离子体元素的物相，如钢铁材料的淬火等。电解液：1528wt.%Na2CO3溶液、10 wt.%Na2SO4溶液、8 wt.%NaNO3溶液、5 wt.%NaCl溶液等。,PET要求精确控制微放电引燃以后的电参数，这就对供电电源提出了较高的要求。PET一般都在常压下进行，不引入毒物，对环境友好，符合当今清洁工艺的要求。采用PET制备的涂层、渗层具有很好的物理、化学性能，该技术在军工、航空航天、机械、医疗、电子、装饰等许多领域的应用前景将更加广阔。对PET的研究应致力于从反应机理的角度建立等离子体电解可靠的机理模型来对具体的工艺条件加以指导，面临的技术难题是工业化批量生产条件下装备的研究开发，如何降低单位面积的处理成本和提高处理效率。,Thank You!,南京理工大学 Nanjing University of Science and Technology,
