CN112376030A - 激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法 - Google Patents

激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，是先利用激光加工系统，将聚酰亚胺表面采用“单脉冲同点间隔多次”工艺进行圆形凹坑阵列织构化处理，再采用Mevva‑5.Ru真空电弧离子源，在经织构化处理的聚酰亚胺表面注入Al金属离子，获得改性聚酰亚胺。改性聚酰亚胺的摩擦系数从0.80降低至0.20左右，具有低摩擦性能，可用于航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域，也可以作为桥梁、建筑滑板表面处理的新技术，提高其耐磨和润滑性能。

Description

激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的 方法
技术领域
本发明涉及一种聚酰亚胺表面耐摩擦改性方法，尤其涉及一种激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，以改善聚酰亚胺摩擦学性能。
背景技术
聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环（-CO-NH-CO-）的一类聚合物，以含有酞酰亚胺结构的聚合物最为重要。聚酰亚胺是一种具有优良的耐高温、化学稳定、优异的力学性能和电性能的特种工程材料，常常被用于高科技、高附加值领域，如航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。
目前，摩擦磨损是制约聚酰亚材料在高科技、高附加值领域高可靠、长寿命服役的因素之一，低摩擦聚酰亚胺的获得是解决上述问题的途径之一，对聚酰亚胺的表面改性使其具有低摩擦性能是十分必要的。表面处理作为一种有效的方法，广泛应用于材料表面的减磨抗磨。ZL 200610120943.3公开了一种钛合金零件表面全方位离子注入与沉积复合强化处理方法，它涉及一种金属材料表面全方位离子注入与沉积强化处理的方法。它解决了表面抗磨损层与钛合金零件基体间残余应力大、结合力和承载能力差，易从钛合金基体上剥落的问题。ZL 201510300707.9公开了一种金属材料表面改性层的制造方法及装置，采用离子注入方法以WS2为靶材对金属材料的表面改性，该制造方法包括金属材料的预处理；将所述金属材料放入真空室内，采用离子注入方法以WS2为靶材生成金属材料表面改性层；将表面生成表面改性层后的所述金属材料清洗后烘干并真空密封封存。该方法利用离子注入技术在金属表面制备二硫化钨固体润滑功能层，可在不改变工件尺寸的前提下显著降低工件表面摩擦系数。但是，随着科技的进步，如何提高聚酰亚胺表面的耐磨性能，降低摩擦系数，仍然面临困境。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，以获得低摩擦聚酰亚胺聚合物。
一、激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性低摩擦聚酰亚胺
本发明激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，是先利用激光加工系统，将聚酰亚胺表面采用“单脉冲同点间隔多次”工艺进行圆形凹坑阵列织构化处理，再采用Mevva-5.Ru真空电弧离子源，在经织构化处理的聚酰亚胺表面注入Al金属离子，获得具有低摩擦性能的改性聚酰亚胺。具体工艺如下：
（1）将聚酰亚胺在聚离子水中超声清洗15~20 min，重复2~4次，去除表面的污染物；
（2）将清洗后的聚酰亚胺放入激光加工系统，采用“单脉冲同点间隔多次”工艺对聚酰亚胺聚合物表面进行圆形凹坑阵列织构化处理：调节扫描速度为2~8 mm/s, 功率6~12 W，脉冲频率固定15kHz，重复打标次数为30~50次；
（3）将表面经过织构化处理的聚酰亚胺放入真空室，并真空抽至1×10-4 Pa；真空腔中预先安置了Al靶材作为离子注入材料；
（4）打开电弧电源，调节电流10~25 A，占空比为56%，产生束电流密度为0.15~0.28 A/100 cm2·s，控制加速电压-15 kV，采用真空电弧离子源注入金属离子Al，注入处理80~300s，待腔体冷却后取出，即得改性聚酰亚胺；
上述真空电弧离子源采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源。电弧电源采用直流脉冲弧电源。
通过上述织构及金属离子（Al）注入，获得改性聚酰亚胺的表面结构见图1。
二、激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性低摩擦聚酰亚胺的低摩擦性能
测试方法：在摩擦试验机上检测表面改性处理后的聚酰亚胺，选择直径为ø5 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为9 N，线速度为72 mm/s，旋转半径为5mm，湿度34 %，测试时间为80 min。
测试结果：本发明激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性低摩擦聚酰亚胺的摩擦系数从0.80降低至0.20左右，具有低摩擦性能，可用于航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。
本发明对聚酰亚胺表面进行织构进而注入金属离子，织构具有一定的储油和提高承载的作用；注入金属离子复合，进一步降低了摩擦系数，提高聚合物的整体摩擦磨损性能，使其同时具有低摩擦高耐磨性。
附图说明
图1为本发明激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺的表面结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性低摩擦聚酰亚胺的制备过程和改性产品性能作进一步说明。
实施例1
（1）将聚酰亚胺在聚离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除表面的污染物；
（2）将清洗后的聚酰亚胺放入激光加工系统，采用“单脉冲同点间隔多次”工艺对聚酰亚胺聚合物表面进行圆形凹坑阵列织构化处理：调节扫描速度为5 mm/s，功率10 W，脉冲频率固定15 kHz，重复打标次数为35次；
（3）将表面经过织构化处理的聚酰亚胺放入真空室，并真空抽至1×10-4 Pa；真空腔中预先安置了Al靶材作为离子注入材料；
（4）打开电弧电源，调节电流20 A，占空比为56%，产生束电流密度为0.24 A/100 cm2·s，控制加速电压-15 kV，采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源注入金属Al，注入时间250 s，待腔体冷却后取出，即得改性聚酰亚胺；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性聚酰亚胺的摩擦性能。选择直径为ø5 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为9 N，线速度为72 mm/s，旋转半径为5 mm，湿度34%，测试时间为80 min，摩擦系数为0.43。
实施例2
（1）将聚酰亚胺在聚离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除表面的污染物；
（2）将清洗后的聚酰亚胺放入激光加工系统，采用“单脉冲同点间隔多次”工艺对聚酰亚胺聚合物表面进行圆形凹坑阵列织构化处理：调节扫描速度为8 mm/s，功率6 W，脉冲频率固定15 kHz，重复打标次数为50次；
（3）将表面经过织构化处理的聚酰亚胺放入真空室，并真空抽至1×10-4 Pa；真空腔中预先安置了Al靶材作为离子注入材料；
（4）打开电弧电源，调节电流17 A，占空比为56%，产生束电流密度为0.19 A/100 cm2·s，控制加速电压-15 kV，采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源注入金属Al，注入时间160 s，待腔体冷却后取出，即得改性聚酰亚胺；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性聚酰亚胺的摩擦性能。选择直径为ø5 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为9 N，线速度为72 mm/s，旋转半径为5 mm，湿度34%，测试时间为80 min，摩擦系数为0.17。
实施例3
（1）将聚酰亚胺在聚离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除表面的污染物；
（2）将清洗后的聚酰亚胺放入激光加工系统，采用“单脉冲同点间隔多次”工艺对聚酰亚胺聚合物表面进行圆形凹坑阵列织构化处理：调节扫描速度为2 mm/s，功率12 W，脉冲频率固定15 kHz，重复打标次数为30次；
（3）将表面经过织构化处理的聚酰亚胺放入真空室，并真空抽至1×10-4 Pa；真空腔中预先安置了Al靶材作为离子注入材料；
（4）打开电弧电源，调节电流25 A，占空比为56%，产生束电流密度为0.28 A/100 cm2·s，控制加速电压-15 kV，采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源注入金属Al，注入时间80 s，待腔体冷却后取出，即得改性聚酰亚胺；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性聚酰亚胺的摩擦性能。选择直径为ø5 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为9 N，线速度为72 mm/s，旋转半径为5 mm，湿度34%，测试时间为80 min，摩擦系数为0.22。
实施例4
（1）将聚酰亚胺在聚离子水中超声清洗20 min，重复3次，去除表面的污染物；
（2）将清洗后的聚酰亚胺放入激光加工系统，采用“单脉冲同点间隔多次”工艺对聚酰亚胺聚合物表面进行圆形凹坑阵列织构化处理：调节扫描速度为3mm/s，功率8W，脉冲频率固定15kHz，重复打标次数为45次；
（3）将表面经过织构化处理的聚酰亚胺放入真空室，并真空抽至1×10-4 Pa；真空腔中预先安置了Al靶材作为离子注入材料；
（4）打开电弧电源，调节电流10 A，占空比为56%，产生束电流密度为0.15 A/100 cm2·s，控制加速电压-15 kV，采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源注入金属Al，注入时间300 s，待腔体冷却后取出，即得改性聚酰亚胺；
（5）在摩擦试验机上检测表面改性聚酰亚胺的摩擦性能。选择直径为ø5 mm 的GCr15钢球作为对偶球。具体参数如下：摩擦载荷为9 N，线速度为72 mm/s，旋转半径为5 mm，湿度34%，测试时间为80 min，摩擦系数为0.25。

Claims (5)

1.激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，是先利用激光加工系统，将聚酰亚胺表面采用“单脉冲同点间隔多次”工艺进行圆形凹坑阵列织构化处理，再采用Mevva-5.Ru真空电弧离子源，在经织构化处理的聚酰亚胺表面注入Al金属离子，获得具有低摩擦性能的改性聚酰亚胺。
2.如权利要求1所述激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，其特征在于：具体工艺如下：
（1）将聚酰亚胺在聚离子水中超声清洗15~20 min，重复2~4次，去除表面的污染物；
（2）将清洗后的聚酰亚胺放入激光加工系统，采用“单脉冲同点间隔多次”工艺对聚酰亚胺聚合物表面进行圆形凹坑阵列织构化处理；
（3）将表面经过织构化处理的聚酰亚胺放入真空室，并真空抽至1×10-4 Pa；真空腔中预先安置了Al靶材作为离子注入材料；
（4）打开电弧电源，调节电流10~25 A，占空比为56%，产生束电流密度为0.15~0.28 A/100 cm2·s，控制加速电压-15 kV，采用真空电弧离子源注入金属离子Al，注入处理80~300s，待腔体冷却后取出，即得改性聚酰亚胺。
3.如权利要求1所述激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，其特征在于：织构化处理工艺：调节扫描速度为2~8 mm/s, 功率6~12 W，脉冲频率固定15kHz，重复打标次数为30~50次。
4.如权利要求1所述激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，其特征在于：上述真空电弧离子源采用Mevva-V.Ru真空电弧离子源。
5.如权利要求1所述激光织构圆形凹坑阵列金属离子注入改性聚酰亚胺表面的方法，其特征在于：电弧电源采用直流脉冲弧电源。
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