高能束表面改性技术原理及应用

中国粉体网讯  高能束表面改性是指当高能束发生器输出功率密度达到1000/cm²及以上的能束定向作用在材料表面，并通过刻蚀、注入、热辐射等方式使其产生物理、化学或相结构转变的一种新的表面处理技术。

激光表面改性技术

高能量密度激光照射在材料表面，逆向轫致辐射被材料表层吸收转变为热能，材料表面温度快速升高，发生相变、熔化甚至气化，随后热量向材料深处快速传导，表面温度又快速降低，经此“骤热极冷”过程，实现材料表面的强化处理。激光表面改性在工艺上主要包括激光相变硬化、激光熔覆和激光冲击强化等方式，另外还有激光退火、激光合金化、激光熔凝等。

近年来，随着材料表面性能要求的进一步提高，激光表面改性技术逐渐在高分子聚合物、陶瓷粉末、合金颗粒材料上应用。Snehashis Pal等采用不同的激光能量密度对Ti6Al4V粉末进行了表面改性并制备了块体材料，研究了其耐腐蚀行为。结果表明表面受到激光的不同热效应使颗粒之间的微观结构发生了显著的变化，从而影响了其腐蚀性能。此外激光表面改性技术在碳化硅颗粒增强的HA-Ag生物活性陶瓷涂层方面也有应用。

电子束表面改性技术

电子束分为连续型与脉冲型两种，其中连续型电子束主要用于打孔、焊接和切割，脉冲型电子束主要用于金属材料的表面改性。脉冲型电子束又细分为低能量密度长脉冲电子束和高能量密度窄脉冲电子束，其中低能量密度长脉冲电子束改性效果不显著，实际应用中更多使用高能量密度窄脉冲电子束，即强流脉冲电子束（High current puls edelectron beam，HCPEB）。

高能电子束的撞击能量可以引起材料表面的物理和化学反应，从而改变其结构和性质，包括表面的融化、溶解、蒸发、析出等过程，以及晶体结构的改变、晶粒尺寸的调控等。例如Yakovlev等提出了一种用稀土元素包覆金属粉末的新方法。在包覆稀土元素之前，采用低能大电流电子束在熔点以上对平均粒径为40μｍ的Al粉进行脉冲辐照，结果表明，电子束辐照可使铝颗粒表面的氧化物变得光滑和清洁。随着脉冲数的增加，处理的均匀性及平均颗粒尺寸会增加。此外，电子束表面改性技术还可以用于沉积薄膜和纳米结构的制备，通过控制电子束的束流密度和扫描模式，在材料表面上沉积原子或分子，形成致密的薄膜或纳米结构。这种方法可以实现高质量、高精度的薄膜制备，广泛应用于电子器件、光学涂层、传感器、造纸印刷等领域。

离子束表面改性技术

离子束表面改性是指在真空环境中利用离子束改变材料表面的形态、化学成分、组织结构和改善应力状况，赋予材料表面特定性能，使其表面与心部获得最优的性能组合，从而有效提高产品质量和使用寿命。离子束表面改性主要包括强流脉冲离子束技术和离子束辅助沉积技术。

经过几十年的发展，目前离子束表面改性技术比较成熟，应用领域也越来越多。在电子封装导热领域，Yang和Sang等采用低能Ar＋离子束（Ar＋刻蚀）轰击金刚石颗粒，强化了界面反应与粘接，实现了复合材料高导热性能。在功能陶瓷领域，Hisato Ogiso等研究了Al离子注入到Al₂O₃颗粒表面引起的空位与间隙原子等缺陷对其强度的影响，研究发现离子注入引起的缺陷对强度影响不大。

高能束表面改性技术优缺点对比

综合而言，激光表面改性技术具有非接触式加工、无污染、高精度、局部处理和快速加工等优点；但也面临着激光能量分布不均匀、热影响区域扩散和表面粗糙度增加等挑战。离子束表面改性技术的精确可控性、局部处理与无需高温等特性，将在材料科学、微电子学、材料加工等领域中发挥重要作用。电子束表面改性技术具有加工精度高、控制性强、适用于多种材料等优点；但它也面临着一些挑战，例如对真空环境的要求、束流束斑大小的限制以及材料表面的热效应等。

在实际应用中需要根据具体需求和材料特性进行合理选择和优化。未来，激光束、电子束、离子束辐照不同材料进行表面改性的机理研究仍需深入开展；需要提高高能束表面改性装备的稳定化、专业化、自动化和智能化，进一步满足现代工业的发展要求；发展激光束、电子束、离子束等技术的组合使用，以实现束源的复合与集成，进而推进材料表面改性的高品质、高效率、多功能及一体化发展。

参考资料：

陈军等.高能束表面改性技术在航空领域的应用

桑建权等.微纳米颗粒表面改性技术研究进展

（中国粉体网编辑整理/黑金）

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