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给细管“贴膜”——细管内壁涂层技术的革新

导语:

北京时间2017年10月,第14届“等离子基离子注入和沉积技术国际学术会议”(the 14th International Conference on Plasma Based Ion Implantation & Deposition PBII&D 2017)在上海召开,期间我校机械工程及自动化学院李刘合教授团队博士研究生许亿的学术论文荣获最佳展板奖(“Best Poster Award”)。该项成果中首次提出了EGD-PIII&D管内等离子体放电过程中的自增强等离子体放电效应,并研究了该效应的控制规律,得到了PBII&D2017组织委员会、与会国内外专家的高度评价。

 

科研背景:现有技术的局限

低温等离子体表面改性,是一种融合了物理、化学等交叉学科知识的前沿技术。目前,这一技术已经广泛地应用于医药学、环境科学、轻工纺织等领域,但其在管状工件内壁应用时仍存在着重大局限:对于内径较小且长径比较大的管状工件来说,外部等离子体难以进入管状工件内部,等离子体在其内部也难以发生。

然而,管状工件作为机械化工、生物医药等领域产品的关键部分,其性能极大程度上影响着产品的功能发挥。以人造血管为例,目前世界上虽然存在内径小于3mm的人造血管,但因其使用寿命过短,应用效果通常不尽如人意。因此,对管道内壁进行涂层或改性,以延长管道的使用年限、拓宽应用领域,成为了该领域研究者所共同关心的问题。

人造血管模型

 

科研成果:制造技艺的革新

EGD-PIII&D装置是许亿博士导师李刘合教授的专利,一次偶然的机会,许博士发现利用装置点状阳极和大面积阴极靶的独特设计,可以在实验中制造出足够数量和能量的二次电子。这一现象引发许亿博士联想到,它能够作为管内等离子体的发生和维持的荷能粒子源。基于此,许亿博士首次提出将电子聚焦电场增强等离子体基离子注入/沉积(EGD-PIII&D)技术应用于管内等离子体的产生,破解了内径较小且长径比较大的管状工件内离子体难以发生的问题,因而得到了“等离子体基离子注入及沉积”领域最高水平国际会议PBII&D的高度认可。

EGD-PIII&D 装置示意图

管内壁DLC薄膜沉积过程中自增强等离子体放电效应主要过程

许亿博士的研究,目前已进展至能够利用EGD-PIII&D技术,在内径细至0.8mm、长超过100mm的石英毛细管的内壁沉积了DLC薄膜,并将该技术拓展至螺旋管、C形管等异形管内壁薄膜的沉积。此外,许亿博士针对管内壁DLC薄膜沉积过程中初始阶段注入电流快速增长的现象,研究了管内壁材料对等离子体放电的影响,揭示了自增强等离子体放电效应,又对管内壁涂层不均匀的问题设计了多项试验,最终掌握了管内壁DLC薄膜沉积过程中气体流量和电压大小对薄膜均匀性的影响规律。

直管和异型石英管内壁沉积DLC薄膜前后对比图

 

科研心得:积累+细节=成功

在谈及自己成功的背后,许亿博士最大的感悟,就是科研人员应当尽可能丰富自己的知识储备。研究者必须要去阅读大量的文献,熟悉所在领域国内外前沿,才能一方面避免重复他人已经实践的工作,提升研究的回报率;另一方面,从他人的成果中不断汲取灵感,可以启发自己探索出解决问题的新思路。

在研究电子聚焦电场增强等离子体离子注入且沉积问题的同时,许亿博士还进行过质点网格法/蒙特卡洛算法(PIC/MC)及高能脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)等方向的研究,并发表过3篇SCI-Q1区论文、1篇EI论文。对此,许亿博士表示,科研中应当不放过任何细节之处,只有把握住每一次实验所带来的机遇,不断深入、融汇贯通,才能够实现事半功倍的效果。

许亿博士

结语:

新的技术和方法往往能带来一系列产品的革新,许亿博士关于毛细管内壁涂层方法的改良,对于机械化工、生物医药等领域都将产生一定影响。虽然已经在国际会议上崭露头角,但许亿博士的科研之路却绝不会止步。在北航建设世界一流大学的征程中,我们也期待有更多创新人才的涌现。

 

策划/文案:张金星、李培源

设计:杨彦卓 技术:曹嘉辉 英文编辑:李明珠

鸣谢:机械工程及自动化学院、许亿博士

编审:北航门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn