CN102414263A - 使用多种能量He+和He2+离子处理弹性部件表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用氦离子处理固体弹性部件的至少一个表面的方法。根据本发明，同时注入多能量的He+和He2+离子，其中比率RHe＝He+/He2+，式中He+和He2+以％形式来表示，RHe小于或等于100，例如小于20。采用这种方法，可以非常显著地减小处理部件的摩擦特性。He+和He2+离子可由诸如ECR源来提供。

Description

使用多种能量He+和He2+离子处理弹性部件表面的方法
本发明的目的在于使用多种能量He+和He2+离子处理弹性部件表面的方法。
本发明应用于例如生物或汽车领域，用于例如减小接触表面上的弹性部件的摩擦，以减小阻力、磨损消耗或者甚至是噪声。
弹性部件与粗燥硬表面的接触通过在对立表面上的粗糙硬表面的封套而形成。这就会产生由黏合力(由于van der Waals力)和形变力所导致的切向力。形变力取决于弹性部件在与对立的粗燥表面摩擦之后恢复其初始形态之前所经历的延迟。该延迟被称为摩擦力的滞后分量。增加弹性能够减少该延迟时间。摩擦力也是摩擦力和滞后力(hysteresis force)之和。
摩擦力系数主要取决于：
●弹性体的表面结构；
●对立面的表面结构；
●对立表面的粗糙度；
●接触压力；以及
●温度。
黏合是弹性体非常重要的效应，其能量对应100mJ/m2量级。
弹性体可以滑率(slip)G来定义，与它们的摩擦系数μ成反比。滑率以下述方式表示：
G＝(1/μ)＝(1/s)·(m+p)
式中：s表示黏合力，m表示弹性部件随对立表面移动的特性以及p表示接触压力。
提供一个实例，在0.5至3巴(bar)之间的压力下，天然橡胶在静止状态下的摩擦系数对应于4至1.5之间。
在动态状态下，随着速度的增加，弹性体在接近滑动速度(creepspeeds)时产生黏合力的峰值并在非常高的速度下产生滞后力的峰值。
弹性体产生一种特殊的声音。在位移的作用下，出现在弹性体和对立表面之间的接触分离区域的范围内。因此，弹性体的表面经历表层塌滑(reptation)过程，包括以摩擦力相反方向传播的分离波。这就会产生尖锐的噪声，使人非常不舒适。要加以改善，一种方法是降低静态和动态摩擦系数之间的差异。为此目的，通常使用卤化，诸如氟化、溴化或甚至氯化处理的化学方法，但是这些方法仅适用于少数的弹性材料。这样处理的最大缺点是：它们的污染很大；并且还需要大量加热的水，因此它需要非常昂贵的再生处理设备来过滤。这种卤化处理的效果很大程度上取决于弹性材料的化学成分以及能够产生亲电子力倍增的化学双键的浓度。例如它们非常难以应用于EPDM(ethylene propylene diene monomer)类型的弹性材料。在这样的情况中，推荐使用较高温度的氯化处理。
除了摩擦力的问题，弹性体部件必须能工作于相对活跃的化学环境，包括环境湿度、环境氧气、非常低或相对较高的温度等等，这些都有可能加速老化。
某些弹性材料会注入化学试剂，用于防止UV或氧化。这些释放在弹性体材料外部的化学试剂的效果会使弹性体材料失去表面机械性能。
但是，一些具有非常良好机械性能的弹性材料不能用于医疗或制药的用途，因为需要最小化有毒物质释放的危险，实际上这样排除了一些性能良好的弹性体。
某些弹性体是绝缘隔热的并且会吸附灰尘，这些灰尘因为生产过程中在其表面上产生的静电荷而被保留或者甚至是粘合着。
某些弹性体需要使用滑石粉，从而避免在生产或装配过程中相互的部件粘连。
本发明的目的在于减少上述的缺点，尤其是减少块状弹性体材料部件的表面摩擦力，同时还能保持块状弹性体材料的特性，并且避免使用污染的化学处理。因此，本发明提供了一种使用氦离子处理块状弹性体材料部件的至少一个表面的处理方法，其特征在于，同时注入多种能量的He+和He2+离子，其中比率RHe＝He+/He2+，式中He+和He2+以％形式表示，比率RHe小于或等于100，例如小于20。
发明人已经发现：与仅注入He+或He2+离子的现有处理方法相比，He+和He2+离子的同时存在使得弹性体的表面特性可有非常显著的改善。并且已经验证：当RHe等于或小于100时，例如等于或小于20时，可获得非常显著的改善。
值得注意的是，本发明有可能减小在对立面上的块状弹性体材料部件的黏合力和/或减少块状弹性体材料部件的表面滞后分量和/或减少块状弹性体材料部件的磨损消耗和/或减少相同弹性体材料所构成部件之间的黏合情况和/或消除吸附灰尘的情况。
本发明还有可能增加弹性物体的化学阻力，例如通过形成渗透屏障来产生。这种屏障可以减缓环境氧气传播进入弹性体内和/或延缓在弹性体材料内的化学保护试剂扩散到外部和/或抑制在弹性物体中的有毒试剂渗出至外部。
优选的是，本发明还有可能摒弃诸如氟化、溴化、氯化等现有的污染处理工艺，使用物理工艺来替代，适用于各类弹性材料，并在材料和能量消耗方面没有更大的成本。
在本发明中，术语“块状”是指由大量材料通过化学或物理转换所产生的弹性体材料部件，例如通过挤压、成型或其它适合转换大量弹性体材料的技术。使用这样的转换操作，可获得不同形状的块状部件，例如三维部件、更多的是两维部件、例如成带状或薄片的剖面，以及更多的是一维部件，例如丝索。
有利于采用本发明工艺处理的弹性材料产品，包括：车身封条、液压缸密封圈、O型密封圈、唇形密封圈、球型的连接密封、挡风玻璃雨刷刮片、飞机机翼前缘、飞机引擎舱前缘和皮下注射注射器活塞。
此外，可以明确地是，所述块状弹性体部件可以是采用其它材料所构成部件中的一个部件，例如粘结在由其它材料所构成的部件上。
作为实施例，在上述弹性材料中，下列材料可用于根据本发明的处理：
●天然橡胶，具有良好的使用以及耐撕裂和耐磨损性能，对断裂具有较长的延长性能；
●丁腈橡胶，具有可能获得较好的耐热水、蒸汽、弱酸、碱和盐溶液的密封性能；
●氯丁橡胶(例如DuPont de Nemours公司的Neoprene品牌)，具有优异的耐磨损、机油、汽油、油脂、溶剂、臭氧和许多化学品的特性，以及具有良好的压载之后保持的弹性恢复能力；
●EPM或EPMD类型的乙烯-丙烯弹性体材料(例如DuPontde Nemours公司的Nordel品牌或Esso-Chimie公司的Vistalon品牌)，它们特别能够耐臭氧、酸、碱、洗涤剂和乙二醇，并且在非常低的温度下(-65℃)仍能保持柔韧性；
●丙烯酸弹性体材料(例如Goodrich公司的Hycar
Figure BPA00001449254400053
品牌)，可用于-40℃至200℃，具有良好的耐压强度以及能够承受下列物质：油基润滑剂、石油、油脂、液压油；氧化剂、臭氧、柴油；
●乙烯-丙烯酸弹性体材料(例如DuPont de Nemours公司的Vamac
Figure BPA00001449254400054
品牌)，它们能够很好地承受很高的温度以及能够较好地承受较低的温度，并且还可以具有良好的减震效果；它们还具有较好的撕裂强度以及较高的延展性。此外，它们还能耐热油、碳氢基和乙二醇基的润滑剂以及传送液；
●氟化弹性体材料(例如DuPont de Nemours公司的Viton
Figure BPA00001449254400055
的品牌)，具有出色的耐油和耐化学的性能，即使是在较高的温度下。这类弹性体材料系列具体包括称为FKM的氟橡胶；
●FEP(氟化乙丙烯)弹性体材料，具有与氟化弹性体材料相类似的特性，并且具有非常好的耐磨性；
●纯氟化弹性体材料(例如DuPont de Nemours公司的Kalrez的品牌)，具有与PTFE相类似的耐化学性，并且工作温度限制可超过300℃；
●聚酯弹性体材料(例如DuPont de Nemours公司的Hytrel的品牌)，可用于需要非常好的韧性和出色的耐弯曲疲劳的应用中。它们对钢铁的摩擦系数相当高；
●聚氨酯弹性体材料(例如DuPont de Nemours公司的Adiprene
Figure BPA00001449254400058
的品牌)，具有非常高的适用性和耐磨损性以及较高的拉伸强度；它们非常适用于在平移运动中的密封(刮铲的密封)，并具有高强度和低摩擦系数；以及
●弹性聚硅酮类材料，用于例如在-70℃至220℃之间的静态密封，并能够耐热机油、柴油、汽油和冷却液。
根据一个实施例，He+和He2+离子由电子回旋加速器(ECR)的离子源同时产生。
使用本发明的处理方法，有可能保持弹性体材料的原有颜色，而且还能具有更加光泽的外观。
已经发现：在工业需求中不会延长处理时间。
此外，该工艺具有较低的能量要求，低成本，并且可用于不影响环境的工业情况中。
弹性体部件的处理通过同时注入多能量的氦离子来实施。这些都是具体通过以一个和相同的提取电压来提取在电子回旋共振(ECR)离子源的等离子腔体中所产生的单电荷或多电荷的离子来获得的。由所述源所产生的各个离子具有正比于其电荷状态的能量。因此，具有最高电荷状态的离子可以具有最大的能量，这些离子能以更大的深度注入弹性部件。
使用ECR源的注入既快又廉价，因为其不需要高的离子源提取电压。事实上，为了增加离子的注入能量，优选的经济方式是增加离子的电荷状态而不是增加注入电压。
值得注意的是，使用常规的He离子源，例如尤其适用于等离子体浸没或灯丝注入(filament implanter)的离子注入的源，可能不能获得适用于同时注入不同能量He+和He2+离子的束，在所述不同能量He+和He2+离子中的比率RHe等于或小于100。采用这类源，所述比率远远小于或等于1000。
本发明者还发现：这种处理方法能够在不影响块状弹性体材料性能的条件下对弹性体材料部件进行表面处理。
根据本发明的一个实施例，源为产生多能量离子的电子回旋共振源，所述离子可在低于50℃温度下注入部件，并且注入束的离子注入通过源的提取电压以可控制的深度同时执行。
不希望受限于任何科学理论，可以认为，在根据本发明的处理方法，离子在运动中会激发出弹性体的电子，引起共价键的断裂，其通过交联机制立即重组来产生高密度的共价化学键。这种共价化学键的致密具有增加弹性体表面硬度、弹性以及密度的效果，还具有提高其耐化学性能的效果。交联过程能够有效地使离子更轻。
在这方面，氦是一种有效的粒子(projectile)，因为：
●其具有非常快的共价键的电子，并因此能非常有效地激励这些相同的电子，且这些电子没有时间来变更它们的轨道；
●其能够渗透至1微米量级的较大深度；
●其对弹性体的氢原子的影响较小；
●其不具有危险；以及，
●其是一种惰性气体，它不会改变弹性体材料的物理化学特性。
根据本发明处理方法的各种实施例，可进行组合：
-比率RHe大于或等于1，其中RHe＝He+/He2+，He+和He2+以％表示；
-用于注入多能量He+和He2+离子的源的提取电压在10至400kV之间，例如等于或大于20kV和/或小于或等于100kV；
-多能量He+和He2+离子剂量在5x1014和1018离子/cm2之间，例如小于或大于1015离子/cm2和小于或等于1017离子/cm2，或者甚至等于或大于3x1015离子/cm2和/或小于或等于1016离子/cm2；
-预先的步骤，执行预先的步骤，以确定块状弹性部件表面行为的性能特征，例如表示所要处理部件的弹性材料的表面弹性模量E、表面硬度或摩擦系数，通过多能量He+和He2+离子剂量的函数来表示，以便确定离子剂量的范围，从而有利于选择的特征性能的变化范围，并在由所述离子剂量所形成的三个连续离子剂量的区域内以不同的方式变化，在这三个区域的各个区域内具有大致线性的变化，并且在第一区域和在第三区域中的变化斜率的绝对值大于在第二区域中的变化斜率的绝对值，在第三离子剂量区域内选择多种能量He+和He2+离子的剂量，以便处理块状的弹性部件；
-调节源的参数和待处理的弹性部件表面的位移参数，使得待所要处理的聚合体或弹性部件的表面单位面积的处理比率在0.5cm2/s至1000cm2/s，例如等于或大于1cm2/s和/或小于或等于100cm2/s；
-调节源的参数和待处理的弹性部件的表面位移参数，使得注入的氦剂量在5×1014和1018离子/cm2之间，例如等于或大于1015离子/cm2和/或小于或等于5×1017离子/cm2；
-调节源的参数和待处理的弹性部件的表面位移参数，使得处理的弹性部件的表面上的氦渗透深度在0.05至3μm之间，例如等于或大于0.1μm和/或小于等于2μm；
-调节源的参数和待处理的弹性部件的表面位移参数，使得弹性部件的表面温度在处理过程中不超过100℃，例如不超过50℃。
-待处理的弹性部件是汽车的部件，例如挤压的带状部件，并且所述部件通过处理装置运行，例如以5m/min至100m/min的速度运行。作为一个实例，弹性部件呈外形带状，可以纵向运行；
-所要处理部件表面的氦是由多个离子源所产生大量多种能量的He+和He2+离子束来执行的。作为一个实例，离子源沿着所要处理部件的移位方向放置。优选的，所述源是分开的，使得两个离子束之间的距离足以使得部件可在每一次离子注入之间得到冷却。所述源产生直径与所要处理轨迹宽度相匹配的离子束。通过减小束的直径，例如减小至5mm，就有可能在源和处理腔体之间提供非常有效的差压真空系统，使得所要处理的弹性体处于10-2mbar，而源的抽取系统中的真空为10-6mbar；
-所述部件的弹性体材料选自天然橡胶、合成橡胶(例如聚氯丁烯)或者这两类弹性体的半合成化合物。基于交联工艺的一般属性，其它类型的弹性体材料也是有可能的。
已经发现：非弹性聚合体(诸如聚碳酸脂)的获得技术，涉及注入离子He+和/或He2+而获得的表面性质变化不能转换成根据本发明方法处理而获得的目前的观测的结果和优势。
本发明还涉及氦的注入深度，所述深度等于或者大约50nm，例如等于或大于200nm，并且其表面弹性模量E等于或大于15MPa，例如等于或大于20MPa或者甚至等于或大于25MPa。
本发明还涉及上述用于处理块状弹性部件的处理方法，其中块状弹性部件选自：包括挡风玻璃雨刷刮片、车身密封、O型密封圈、唇形密封圈、液压缸密封圈、球型连接密封、飞机机翼前缘、飞机涡轮引擎驾驶舱前缘、皮下注射针筒活塞或用于阻尼接触部件之间振动的汽车衬垫。
本发明将通过下述参考附图的非限制性实施例进行阐述，附图包括：
-图1示出了根据本发明氦注入天然橡胶中的分布；
-图2和图3示出了两种注入特性的实例，用于说明根据本发明注入所要处理的天然橡胶中的氦原子浓度的变化；
-图4示出了根据本发明处理的天然橡胶样本的表面弹性模量在一定氦剂量下的深度的函数的变化；以及，
-图5示出了根据本发明处理的天然橡胶样本的表面弹性模量在三个深度的氦剂量的函数的变化。
图1示出以根据本发明在天然橡胶中以深度函数来表示氦注入分布的示意性实例。曲线101对应He+的分布，曲线102对应He2+的分布。可以预测出，具有100keV能量的He2+离子行进大约800nm的平均距离，具有10eV/埃
Figure BPA00001449254400101
的平均电离能量。对于50KeV能量而言，He+离子行进的平均距离大约500nm，具有4eV/埃的平均电离能量。离子的离化能量正比于其交联的功率。在He+/He2+等于或小于100的情况下，最大的处理深度预测为大约1000nm，即1微米。这些预测与电子显微镜的观察结果是一致的，已经证明；在由40kV提取的束以及3×1015离子/cm2的总剂量和(He+/He2+)＝10的情况下可以观察到大约700至800nm的交联层。
图2显示了注入特性200的实例，用于说明注入天然橡胶中的氦原子浓度(以％表示)是注入深度(以埃
Figure BPA00001449254400103
表示)的函数。在该实例中，并且对于50keV的He+和100keV的He2+而言，剂量为3×1016离子/cm2且(He+/He2+)＝10。这显示了与橡胶的原子成分相比，氦(He+和He2+)浓度非常小，因为该浓度仅为大约2％。这显示了注入氦的剂量最大值大约在0.4μm深度处，并且大量He的注入可深入至0.8μm。
图3显示了注入特性300的实例，用于说明注入天然橡胶中的氦原子浓度(以％表示)是注入深度(以埃
Figure BPA00001449254400111
表示)的函数。在该实例中，对于50keV的He+和100keV的He2+而言，剂量为3×1016离子/cm2并且(He+/He2+)＝10。可以发现具有两个峰值301、302，被标记为分别对应He+和He2+的He注入最大剂量的注入最大的深度。
几种具有不同特征的方法使得本发明的优点更加明显。
在下述实例中，在块状弹性部件的至少一个表面的注入He+和He2+氦离子的处理是通过使用由一台ECR源同时产生多种能量He+和He2+来执行。所要处理的弹性体材料具体包括：天然橡胶(NR)、聚氯丁烯(CR)、三元乙丙(EPDM)、氟橡胶(EKM)、丁腈橡胶(NBR)、热塑性弹性体(TPE)。在所有情况下，都可发现能够明显地减小与玻璃表面的摩擦系数。
关于摩擦系数测试的对比实验已经证明：
-大大减小了与玻璃表面的摩擦系数。在以总剂量为3×1015离子/cm2且具有40keV的He+为90％和90keV的He2+为10％的处理之后，与处理之前所获得的相比较，测得下述列出的摩擦系数：
  弹性体类型   测试前   测试后
  天然橡胶(NR)   2.35   0.35
  聚氯丁烯(CR)   2.4   0.31
  三元乙丙(EPDM)   2.1   0.46
  氟橡胶(FKM)   4.5   0.6
-无论玻璃表面具有怎样的状态，都能大大减小具有各种不同表面状态(干、湿、干燥阶段)的玻璃表面的摩擦系数。例如以总剂量为2×1015离子/cm2且40keV的He+为90％和90keV的He2+为10％来处理EPDM弹性体材料，测得下列摩擦系数：
  玻璃的表面状态   处理之后的摩擦系数
  干   0.54
  湿   0.68
  干燥状态   0.52
-此外，还发现由摩擦所产生的噪声源功率可减小至少两倍。
此外，还可获得其它有利的表面特性：
-表面电阻率测试可根据IEC60093标准在总剂量为3×1015离子/cm2且40keV的He+为90％和90keV的He2+为10％的条件下处理的天然橡胶的薄板上来执行。这些测试揭示了处理后的表面电阻率可以减小至5.2倍。处理后的天然橡胶的电阻率为1.1Mohms/每平方米，而未处理的天然橡胶的电阻率为5.9Mohms/每平方米。表面电阻率的降低使得抗静电的性能增强，从而避免灰尘的粘附，正如所观察到的那样；以及，
-根据本发明处理之后的弹性部件可以看到光泽的外形，这可解释为材料表面电导率的改善，这是碳双键产生从而允许离位电子流动的结果。导电的表面是其自然属性。这就可以建立在相对光泽区域(以在相同曝光条件下的反射光线区域的百分比(以％表示))与弹性材料所接收到的剂量(以离子/cm2表示)之间的关系式。该关系式从在剂量的有限值范围内呈大致线性的关系的。当大于限制剂量时，就会发生饱和并总剂量的增加不再影响光泽区域的相对比例。这种关系可以有效地用于控制对弹性部件进行处理的量。该方法包括在相同曝光条件(光源、部件在光源下的位置以及和照片拍摄的角度)下获得原始部件的数字图像和采用不同离子剂量(以离子/cm2表示)处理后的部件的数字图像。每个数字图像都转换成黑白的。图像的各个像素都可具有在0和256比特之间的灰度值。设置灰度的层级的阈值，像素在该数值之下，像素为黑色而在该数值之上的阈值像素为白色。最终，就可以通过收集白色像素来计算部件的光泽区域，而通过收集黑色像素来计算部件的黑色区域。以百分比表示的相对光泽区域对应于(白像素区域)/(白像素区域+黑像素区域)之比。这种质量控制的方法十分简单、廉价和非常快速，并且可以简单地应用于连续处理的流水线。作为一个实例，下述表格给出了以包含90％的40keV的He+和10％的90keV的He2+的束来处理天然橡胶制成的挡风玻璃雨刷刮片的所涉及相对光泽区域(以％表示)作为接收剂量(以离子/cm2表示)的函数的变化结果。所述雨刷刮片以45°入射角的垂直光线进行照射的。所述图像沿着水平反射轴进行拍摄。
  剂量   0   1015   2×1015   3×1015   4×1015   5×1015   6×1015   7×1015
  相对光泽区域％   14   27   37   42   41   43   40   41
相对光泽的面积仅有未处理刮片面积的14％(在根据本发明处理前)。该光泽面积在3×1015离子/cm2剂量处理后可线性增加至41％。在此之上，可观察到饱和平稳状态，相对光泽的面积不再变化并且维持等于刮片面积的42％。
根据一个实施例，可以预测弹性体的表面特性，尤其是摩擦系数，通过使用1015离子/cm2的剂量能够得到显著改善，其表现为包括4.5mA的He+离子和0.5mA的He2+离子的氦束具有大约30cm2/s的处理率。
根据需要待处理部件的要求和形状，可以不同的深度同时注入氦离子。这些深度尤其取决于注入束的离子的注入能量。例如对弹性材料而言，这些深度可以在0.1至0.3μm之间变化。对机械强度较高的应用而言，例如涉及玻璃板上的车身密封，可以使用大约为1微米的处理深度。对期望防粘性能的实例应用，小于1微米的深度就能满足了，因此减少了相应的处理时间。
根据一个实施例，选择He+和He2+离子的注入条件，使得弹性部件维持其块状粘弹特性，其得益于将部件的处理温度保持在50℃以下。这个结果具体通过具有40kV提取电压的60微安的总电流所激发的直径4mm的束所获得，所述束在100mm的位移幅度内以40mm/s的速度移动。该束具有20W/cm2的单位面积功率。为使用具有相同提取电压和相同单位面积功率的更大电流的束并保持块状粘弹性能，可以运用比例规则，其包括按对应(所需电流/60微安)的平方根比例来增加束的直径、增加位移速率以及增加位移幅度。例如对6毫安的电流(即，60微安的100倍)，束可具有40mm的直径，以维持20W/cm2的表面功率。在这些条件下，就需要将速度增加10倍和位移幅度增加10倍，来得到40cm/s的速度和1m的位移幅度。通过次数的数量还应该增加相同比例，以便最终获得相同的处理剂量(以离子/cm2表示)。在连续处理的情况下，例如沿着带状路径所放置的微型加速器的数量以相同比例增加。
还可以发现：籍助于根据本发明的处理方法，其它表面特性也有显著的改善，并且已经证明其它技术不能达到这样的性能水平。
图4和5显示了根据本发明采用由ERC源获得的He离子束处理天然橡胶样本的表面弹性模量的变化，其束包括90％的He+(40keV)和10％的HE2+(80keV)。
表面弹性模量具体可以使用检测的纳米压痕技术进行检测。该技术适用于表征零点几到几十纳米量级深度的材料表面的机械特性。该原理包括在表面上通过压头执行加载。该装置测量对应材料响应压力的渗透和数量(刚度，相位等)。因此，表面弹性模量可由深度的函数进行测量。在弹性材料的情况下，加载后的卸载，其具有可逆的特性，并且分析以时间为函数的卸载行为，以便确定材料的粘弹性能并且推断表面弹性模量。该测量可以静态或动态的方式来执行。
下述文献用于阐述这类用于确定弹性体表面弹性模量的计量方法：
-J.L.Loubet，J.M.Georges，O.Marchesini，“Vickers indentationCurves of Magnesium Oxide  (MgO)”，Journal of Tribology，1984，Vol.106 pages 43-48；
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-J.B.Pethica，R.Hutchings and W.C.Oliver，PhilosophicalMagazine，1983，Vol.A48(4)，pages 593-606；
-B.N.Lucas，W.C.Oliver，G.M.Pharr，“Time dependentdeformation during indentation testing”Materials Research SocietySymposia Proceedings，1997，Vol.436，pages 233-238；and
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图4示出了由多种He离子剂量处理外表面上的深度(μm)为函数所表示的表面弹性模量(MPa)的测试数值，其中示出的曲线对应在下表中示出的离子剂量：
Figure BPA00001449254400151
图5示出了以He离子剂量(1015离子/cm2)函数表示的表面弹性模量的测量数值，其中示出的曲线501、502和503分别对应深度为0.2、0.6和0.8μm的测量结果。
可以发现的是，能够获得具有等于或大于15MPa表面模量E的弹性部件(例如等于或大于20MPa或甚至等于或大于25MPa)。这些表面弹性模量数值是显著的并且未被弹性体所发现的。令人惊喜的是，可以发现表面弹性模量E在三个连续He离子剂量范围中的变化是不同的，在这三个区域具有基本线性的行为：从0至大约3×1015离子/cm2，表面弹性模量的增加非常显著；在大约3x1015离子/cm2至大约8×1015离子/cm2，表面弹性模量的增加相对缓慢；在大约8×1015离子/cm2之上，表面弹性模量的增加相对较快。这种现象是值得注意的，因为离子注入有可能改善原始材料表面行为的性能特征通常是可以接受，然而当注入离子的剂量增加时，这种改善在达到一个制高点后通常会出现退化。
在所述情况中，可以发现：在处于大约3x1015离子/cm2至大约8×1015离子/cm2之间的第二区域之上，会形成一个制高点的范围，使得弹性体材料的表面行为性能特征可以得到更大的改善。
根据一个实施例，当需要弹性体材料的表面特性改善有显著的变化时，就需要确定离子剂量的范围，在该剂量范围内，有利于所选择的特征性能的变化，且其行为在由该离子剂量范围所形成的三个连续的离子剂量区域内是不同的，在这三个区域中的各个区域内具有基本线性的行为，并且在第一区域和第三区域中的变化斜率的绝对值大于在第二区域中的变化斜率的绝对值，以及在第三离子剂量区域中选择He+和He2+离子的多种能量剂量，以便处理块状弹性体的部件。
本发明不局限于这些类型的实施例，并且可理解为非限制性的，因此可包括适用于任何类型弹性体的处理方式。
同样的，根据本发明的处理方法并不局限于ECR源的使用，甚至认为使用其它源的优势较小，根据本发明的处理方法可以由单个离子源或其它多个离子源来提供这些离子，从而允许同时注入具有多种能量的He+和He2+离子。

Claims (15)

1.一种使用氦离子处理块状弹性部件的至少一个表面的处理方法，其特征在于，同时注入多种能量的He+和He2+离子，其中比率RHe＝He+/He2+，式中He+和He2+以％形式表示，比率RHe小于或等于100，例如小于20。
2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述He+和He2+离子由电子回旋加速器源(ECR)离子源同时产生。
3.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，所述比率RH率大于或等于1。
4.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，所述用于注入多种能量He+和He2+离子的源的提取电压在10至400kV之间，例如等于或大于20kV和/或小于或等于100kV。
5.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，所述多种能量的He+和He2+离子剂量在5×1014至1018离子/cm2之间，例如等于或大于1015离子/cm2和/或小于等于1017离子/cm2或甚至等于或大于3×1015离子/cm2和/或小于或等于1016离子/cm2。
6.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，执行预先的步骤，以确定块状弹性部件表面行为的性能特征，例如表示所要处理部件的弹性材料的表面弹性模量E、表面硬度或摩擦系数，通过多能量He+和He2+离子剂量的函数来表示，以便确定离子剂量的范围，从而有利于选择的特征性能的变化范围，并在由所述离子剂量所形成的三个连续离子剂量的区域内以不同的方式变化，在这三个区域的各个区域内具有大致线性的变化，并且在第一区域和在第三区域中的变化斜率的绝对值大于在第二区域中的变化斜率的绝对值，在第三离子剂量区域内选择多种能量He+和He2+离子的剂量，以便处理块状的弹性部件。
7.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，调节源的参数和待处理的弹性部件表面的位移参数，使得待所要处理的聚合体或弹性部件的表面单位面积的处理比率在0.5cm2/s至1000cm2/s，例如等于或大于1cm2/s和/或小于或等于100cm2/s。
8.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，调节源的参数和待处理的弹性部件的表面位移参数，使得注入的氦剂量在5×1014和1018离子/cm2之间，例如等于或大于1015离子/cm2和/或小于或等于5×1017离子/cm2。
9.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，调节源的参数和待处理的弹性部件的表面位移参数，使得处理的弹性部件的表面上的氦渗透深度在0.05至3μm之间，例如等于或大于0.1μm和/或小于等于2μm。
10.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，调节源的参数和待处理的弹性部件的表面位移参数，使得弹性部件的表面温度在处理过程中不超过100℃，例如不超过50℃。
11.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，待处理的弹性部件是汽车的部件，例如挤压的带状部件，并且所述部件通过处理装置运行，例如以5m/min至100m/min的速度运行。
12.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，注入待处理部件的弹性表面的氦使用由多个离子源所产生的大量多种能量的He+和He2+离子束来执行。
13.根据上述任一权利要求所述的处理方法，其特征在于，所述弹性部件(the elastomer of the part)选自天然橡胶、丁腈橡胶、聚氯丁烯、天然和丁腈橡胶的合成材料、乙丙弹性材料、丙烯酸弹性材料、氟化的乙丙弹性材料、全氟化弹性材料、聚合弹性材料、聚氨基甲酸乙酯弹性材料和硅基弹性材料。
14.弹性部件具有至少一个氦注入的表面，其特征在于，所述氦注入的厚度等于或大于50nm，例如等于或大于200nm，并且其表面弹性模量E等于或大于15MPa，例如等于或大于20MPa或者等于或大于25MPa。
15.根据权利要求1至13中任一所述处理方法的使用方法，用于处理块状的弹性部件包括：挡风玻璃雨刷的刮片、车身密封、液压缸密封圈、O型密封圈、唇形密封圈、喷射引擎的引擎舱前缘、飞机机翼前缘、皮下注射注射器活塞、汽车振动阻尼的线型或球型的连接密封。
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