液相等離子電解技術的研究進展與應用.ppt

液相等離子電解技術的研究進展與應用,南京理工大學 Nanjing University of Science and Technology,黃潔雯，楊群，樊新民，熊黨生 南京理工大學材料科學與工程學院 Email：,Contents,液相等離子體電解技術（plasma electrolysis technology，PET）：一門新興的材料表面改性技術。,液相等離子體電解處理在特定的溶液中進行，工件作為一個電極，輔助電極作為另一極，在兩極之間施加適當?shù)碾妷?，當電壓超過某一臨界值時，工件電極與溶液界面處的電勢突變產(chǎn)生的高電場強度可以擊穿界面處的鈍化膜、氣體等電介質(zhì)，表面或者附近會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即發(fā)生等離子體電解的電極程，在電解液中產(chǎn)生等離子體。這些等離子體具有很高的能量，電極表面局部產(chǎn)生瞬間高溫并發(fā)生復雜的物理、化學反應，從而在電極表面制備具有特定性能的改性層或沉積層。,PET處理原理示意圖,PET的電流電壓特性,0-U1：符合歐姆定律； U1-U2 ：不穩(wěn)定火花放電區(qū)，U2是擊穿電壓； U2-U3 ：正常等離子體輝光區(qū)，PET的工作區(qū)； U3 ：氣膜中出現(xiàn)弧光放電,PET制備機理示意圖： (a)工件表面的等離子氣泡， (b)等離子氣泡冷卻后產(chǎn)生沖擊波， (c)等離子氣泡的坍塌與清洗作用， (d) 等離子氣泡的坍塌與微裂紋的形成， (e) 等離子氣泡的坍塌與離子的沉積， (f) 沉積層隨處理時間延長而增厚。,熱效應：PET過程中產(chǎn)生的熱量包括：電極表面上產(chǎn)生的歐姆熱，電化學過程所釋放的能量，電極表面由等離子體熱化學離子碰撞-轉(zhuǎn)換反應產(chǎn)生的能量。而電極表面的歐姆熱在上述能量之和中所占的比例大于2/3，是工件電極表面高溫的主要貢獻。 擴散效應：工件表面的成分與氣膜介質(zhì)成分差異在工件表面法向形成了很高的濃度梯度，為擴散效應提供了驅(qū)動力，同時，上述的熱效應導致的高溫進一步促進了擴散系數(shù)的增大，非金屬元素擴散系數(shù)可以提高23倍。 化學效應：工件與溶液界面處的電介質(zhì)被擊穿后，產(chǎn)生了大量構成化學反應所必須的活性物質(zhì)，為高溫相、過飽和的固溶體和非平衡態(tài)化合物的形成提供必要的條件。 電泳效應：宏觀顆粒在強電場作用下電遷移到電極表面和遠離電極表面的現(xiàn)象，顆粒由電極表面向電解液方向的遷移可用于表面清潔及對表面氧化膜和涂層的去除；而顆粒由電解液向電極表面方向的遷移現(xiàn)象可用于增強涂層的沉積。,液相等離子電解滲入（PES). 液相等離子電解氧化（PEO) 液相等離子電解沉積（PED） 液相等離子電解加熱（PEH）,液相等離子電解滲入（PES). 陰極：待滲金屬，如鋼、鈦等。 陽極：石墨或不銹鋼。 滲入元素：C、N、B等非金屬元素的單組元滲入或共滲。 電解液組成：水、易溶鹽、有機物化合物。 有機化合物一般選擇含C、N元素濃度較高的溶液，為工件提供滲入原子。如：酰胺類、醇胺類以及尿素等。 水和易溶鹽，如氯化鈉、氯化鉀等，提高溶液的導電性，以便形成穩(wěn)定的放電電弧。 主要研究對象：集中在最鋼鐵材料液相等離子電解滲氮、滲碳或碳氮共滲技術的研究?；w材料選用包括了純鐵、碳鋼、不銹鋼以及工、模具鋼。滲層硬度在8001400HV左右。,液相等離子電解氧化（PEO). 陰極：石墨或不銹鋼。 陽極： Al、Mg、Ti、Zr、Ta等有色金屬或其合金。 原理：通電后，金屬表面會立即生成很薄的一層金屬氧化物絕緣膜。當陽極氧化電壓超過某一臨界值后，表面初始生成的絕緣氧化膜被擊穿，產(chǎn)生微區(qū)弧光放電，形成瞬間的超高溫區(qū)(2000)，在該區(qū)域內(nèi)氧化物或基底金屬被熔融甚至氣化，與電解液接觸反應，熔融物激冷而形成非金屬陶瓷膜層。 生成的氧化物膜層硬度可達10002000HV。,液相等離子電解沉積（PED). 沉積陶瓷涂層：在陰極表面預先制備一層氧化物阻擋膜，當施加高壓脈沖電流時，阻擋膜被擊穿發(fā)生微弧放電，如果在電解液中添加某些無機粉末，則粉末的電泳效果使粉末吸附到陰極工件表面參與膜層的形成過程，形成厚的陶瓷涂層。 沉積金屬涂層： Meletis等用低碳鋼作為基體材料為陰極，用14%的NaHCO3溶液電解，對低碳鋼試樣進行等離子電解清洗；清洗后的試樣分別浸入ZnSO4溶液、ZnSO4+Al2(SO4)3溶液，以試樣為陰極進行等離子體電解沉積，制備了厚度為1020m的Zn、Zn-Al涂層，提高了基體材料的耐腐蝕性。,液相等離子電解加熱（PEH). 原理：利用等離子體的熱效應對工件進行熱處理，工件僅在表層發(fā)生相變，不形成含有液相等離子體元素的物相，如鋼鐵材料的淬火等。 電解液：1528wt.%Na2CO3溶液、10 wt.% Na2SO4溶液、8 wt.%NaNO3溶液、5 wt.% NaCl溶液等。,PET要求精確控制微放電引燃以后的電參數(shù)，這就對供電電源提出了較高的要求。 PET一般都在常壓下進行，不引入毒物，對環(huán)境友好，符合當今清潔工藝的要求。 采用PET制備的涂層、滲層具有很好的物理、化學性能，該技術在軍工、航空航天、機械、醫(yī)療、電子、裝飾等許多領域的應用前景將更加廣闊。 對PET的研究應致力于從反應機理的角度建立等離子體電解可靠的機理模型來對具體的工藝條件加以指