Модификация поверхности: что это и зачем она нужна?
Модификация поверхности — это процесс изменения характеристик поверхности материалов с целью улучшения их свойств. Это может включать в себя физические, химические или биологические изменения, которые делают поверхность более подходящей для определенных условий эксплуатации. Хотя чаще всего модификация применяется к твердым материалам, существуют и примеры изменения свойств поверхностей жидкостей.
Существует множество методов модификации, которые позволяют изменять такие характеристики, как шероховатость, гидрофильность, поверхностный заряд, поверхностная энергия, биосовместимость и реакционная способность. Эти изменения могут значительно улучшить функциональность материалов в различных отраслях.
Поверхностная инженерия: основа модификации
Поверхностная инженерия — это область материаловедения, которая фокусируется на изучении и изменении свойств поверхностей твердых тел. Она находит применение в таких сферах, как химия, машиностроение и электротехника, особенно в производстве полупроводников.
Твердые тела состоят из объемного материала, который окружен поверхностью. Эта поверхность, называемая поверхностной фазой, служит интерфейсом между материалом и окружающей средой. Объемный материал, в свою очередь, называется объемной фазой. Взаимодействие поверхностной фазы с окружающей средой может привести к ее деградации со временем. Причины этого могут быть различными: износ, коррозия, усталость и ползучесть.
Цель поверхностной инженерии заключается в изменении свойств поверхностной фазы для снижения ее деградации. Это достигается путем повышения устойчивости поверхности к воздействию окружающей среды, в которой она будет использоваться.
Применение и будущее поверхностной инженерии
Методы поверхностной инженерии находят широкое применение в различных отраслях, включая автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность, энергетику, электронику, биомедицину, текстильную и нефтехимическую промышленности. Эти методы позволяют разрабатывать материалы с уникальными функциональными свойствами, такими как износостойкость, коррозионная стойкость, а также физические и химические характеристики, необходимые для конкретных приложений.
Почти все типы материалов, включая металлы, керамику, полимеры и композиты, могут быть модифицированы с использованием различных технологий. Это также включает в себя создание покрытий из новых материалов, таких как метстекло или бета-C3N4, а также многокомпонентных и градуированных отложений.
В 1995 году рынок поверхностной инженерии в Великобритании оценивался в 10 миллиардов фунтов стерлингов, при этом покрытия, обеспечивающие защиту от износа и коррозии, составляли около половины этого рынка. Это подчеркивает важность и востребованность технологий модификации поверхности в промышленности.
Одной из уникальных технологий является функционализация антимикробных поверхностей, которая может использоваться для стерилизации в здравоохранении, создания самоочищающихся поверхностей и защиты от биопленок. Это особенно актуально в условиях пандемий и повышенных требований к гигиене.
В последние годы наблюдается сдвиг от традиционных методов, таких как гальванопокрытие, к более современным процессам, включая осаждение из паровой фазы, диффузию, термическое напыление и сварку с использованием различных источников тепла, таких как плазма, лазер, ионы и электроны. Эти новые технологии открывают новые горизонты для разработки материалов с уникальными свойствами.
По оценкам, потери из-за износа и коррозии в США составляют около 500 миллиардов долларов. В стране насчитывается более 9500 предприятий, которые зависят от технологий поверхностной инженерии, поддерживая более 23 тысяч отраслей. Это подчеркивает важность и необходимость инвестиций в исследования и разработки в этой области.
Функционализация поверхности: что это такое?
Функционализация поверхности — это процесс введения химических функциональных групп на поверхность материалов. Это позволяет создавать материалы с новыми свойствами, которые могут значительно отличаться от свойств исходного объемного материала. Яркие примеры функционализации можно найти в полупроводниковой промышленности и в области биоматериалов.
Функционализация поверхности может быть достигнута различными методами, включая химическое осаждение, плазменную обработку и другие технологии. Эти методы позволяют изменять не только физические, но и химические свойства поверхности, что открывает новые.
