一种金属表面的等离子体大规模除锈系统及方法

本技术涉及金属除锈领域，特别涉及一种金属表面的等离子体大规模除锈系统及方法。

背景技术：

1、金属铜、生铁、不锈钢、钴等金属是芯片加工、汽车发动机制造中广泛使用的金属部件，以上部件在使用过程中需要长期暴露于酸、碱、盐、有机、高湿等复杂环境中，作为活泼的3d过渡轻金属材料，其表面更容易产生锈层，因此为了提高金属部件的重复利用率，对表面含有锈渍的金属部件进行除锈是非常必要的。

2、传统的化学除锈法通常使用强酸，使其与锈渍中的主要成分金属氧化物/氢氧化物发生化学反应，生成可溶性盐类，从而达到除锈的目的。但在处理过程中，强酸同样会与金属基底反应生成氢气，导致金属表面出现缺陷、凹槽、甚至裂痕，严重影响其性能。同时，强酸的危害性极高、危险性极大，不利于工业生产的需求。虽然以强酸为基础，添加缓蚀剂、渗透剂、促进剂等除锈剂可降低强酸的危害性，例如cn103789775a公开了一种医疗器械除锈剂，该除锈剂是一种无色透明的温和弱酸性液体，不会刺激人体呼吸系统，危害性相对较低。 cn106191878公开了一种医疗器械除锈剂及其制备方法，在保持原有除锈效率的同时，降低对金属器械设备的腐蚀。然而，除锈剂的主要成分依然是酸类化学药品，其制备成本与使用成本依然居高不下，难以实现当前工业要求的绿色、环保指标。

3、等离子体表面除锈技术作为除锈领域的新型技术，受到国内外研究团队的广泛关注。该技术通过在高电压下激发活性气体，促使活性气体粒子与金属材料表面的锈渍发生化学反应，达成除锈效果。cn107794548a公布了一种常压等离子体除锈策略，采用弧光放电技术，以醇类物质作为反应源，激发其产生弧光等离子体，并喷涂至金属材料表面对其进行处理。此外，cn110860772a公布了一种常压等离子体表面除锈的方法，该方法将压缩空气作为等离子体源，通过击穿空气产生的等离子体流吹扫金属材料表面，将锈渍通过物理碰撞的方法去除干净。

4、虽然以上方法相较于酸腐蚀除锈具有更低的应用成本与重复利用价值，但均面临单次处理效率低下、处理速度缓慢、均一性差等问题，对于大面积金属部件，例如电路板制造领域广泛使用的铜支架等大面积金属基底，以上策略难以达成其工业需求。此外，传统等离子体通常采用氩气、氮气、空气等作为放电气体，以上气体在等离子体中产生的活性粒子极为有限，除锈效果欠佳。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的问题，本技术提供了一种可大面积、快速高效处理金属表面锈渍的方法，特别是芯片加工、发动机制造领域广泛使用的铜、铁、钴、镍、不锈钢等材料。所述方法在完全干态的条件下进行，不需要添加任何化学药剂，实现对锈渍的有效去除，尤其适用于复杂结构的材料表面。

2、为实现上述目的，本技术提供了一种利用低温低压蒸汽等离子体对金属表面除锈的方法，其特征在于，所述方法是利用低温低压等离子体对所述金属表面进行除锈。

3、利用低温低压等离子体对所述金属表面进行除锈具体为：将水蒸气作为反应源通入辉光等离子腔体中，通过辉光放电系统激发水蒸气产生辉光等离子体，对所述金属表面进行除锈处理。

4、其原理是水蒸气在辉光放电中解离形成高活性含氢粒子，包括氢粒子、氢氧根粒子，由于电子在腔体中的速度远超过含氢粒子，电子会集中在金属基底表面，使金属表面形成负电鞘层，氢粒子带正电，会在负电鞘层的影响下优先与金属基底接触，与表面锈渍中的氧化物或氢氧化物反应，生成的氢氧根或水分子以游离态的形式离开金属表面，达到去除金属表面锈渍的作用。

5、本技术在除锈过程中产生的等离子体为辉光等离子体，产生原理为：腔体气压为低气压放电，水分子在腔体内以气态形式存在，分子之间的平均自由程较大，水分子分散均匀，因此产生辉光放电。辉光放电过程中，粒子分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子在腔体内分布均一，稳定性高，因此可实现大面积金属表面的高效除锈。

6、在本技术可适用的金属基底方面，金属铜、铁、镍、钴是水蒸气等离子体较容易处理金属，其原因是，金属铁、铜、镍、钴均属于3d轨道的过渡金属。在形成锈渍的过程中，空气中的氧原子与金属接触，形成金属氧化物，化学键来自于过渡金属的3d轨道与氧原子的2p轨道结合的分子轨道上。由于3d轨道离过渡金属的原子核较远，原子核对该轨道上的电子的吸引力较弱，在除锈过程中，高活性氢粒子易与氧原子的2p轨道结合，形成共价键，使其形成氢氧根脱离金属表面。而对于3d轨道上不含有电子的碱金属或碱土金属，高活性氢粒子则难以去除其表面锈渍。

7、优选地，所述水蒸气的水选自纯水或超纯水。

8、优选地，所述辉光放电系统包括微波放电、射频放电、微秒脉冲放电中的任意一种。

9、优选地，所述金属包括铜、铁、生铁、不锈钢、钴、镍中的任意一种。

10、优选地，所述金属为工业中使用的任意3d过渡金属器件。

11、优选地，所述金属的单次处理面积在1～500cm2，处理厚度在1～100mm。

12、优选地，所述低温低压等离子体除锈处理的时间为1～200s，优选10～60s。

13、优选地，所述低温低压等离子体除锈处理的蒸汽流量为5～200sccm，优选 20～70sccm。

14、优选地，所述低温低压等离子体除锈处理的腔体气压为5～200pa，优选 30～80pa。

15、优选地，所述的低温辉光等离子体除锈处理的放电功率为10～1000w，优选100～600w。

16、优选地，所述的低温辉光等离子体除锈处理的电极间距为50～1000mm，优选200～500mm。

17、优选地，所述低温低压等离子体在除锈时，所述辉光等离子腔体的温度始终保持在室温环境。

18、本技术提供了一种利用低温低压水蒸汽等离子体的金属表面除锈的系统，所述系统包括辉光等离子放电系统、辉光等离子腔体、控制单元；

19、所述控制单元将水蒸气作为反应源通入所述辉光等离子腔体中，通过所述辉光放电系统激发水蒸气产生辉光等离子体，对所述金属表面进行除锈处理；

20、其原理是水蒸气在辉光放电中解离形成高活性含氢粒子，包括氢粒子、氢氧根粒子，由于电子在腔体中的速度远超过含氢粒子，电子会集中在金属基底表面，使金属表面形成负电鞘层，氢粒子带正电，会在负电鞘层的影响下优先与金属基底接触，与表面锈渍中的氧化物或氢氧化物反应，生成的氢氧根或水分子以游离态的形式离开金属表面，达到去除金属表面锈渍的作用。

21、与现有技术方案相比，本技术至少具有以下有益效果：

22、1)本技术基于低温低气压辉光等离子体技术，提供一种具备环境友好性的金属材料表面除锈方法，利用等离子体中高活性氢粒子与金属表面锈渍发生物理化学作用，实现常温下的高效除锈；

23、2)本技术以水蒸气为原料，不使用除锈剂等化学试剂，绿色环保；

24、3)与现有弧光等离子体除锈技术项目相比，辉光放电过程中，粒子分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子在腔体内分布均一，稳定性高，因此可实现大面积金属表面的高效除锈；，金属的单次处理面积在1～500cm2，处理厚度在 1～100mm。该方法可以广泛应用于多种工业金属材料的表面除锈中，对于除锈方法的革新具有重要意义；