脈沖激光改性聚醚醚酮及表面金屬化技術(shù)研究

李家峰，王楠，白晶瑩，王旭光，佟曉波，郭中增，王駿，張立功

脈沖激光改性聚醚醚酮及表面金屬化技術(shù)研究

李家峰，王楠，白晶瑩，王旭光，佟曉波，郭中增，王駿，張立功

（中國空間技術(shù)研究院 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

賦予聚醚醚酮（Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK）材料表面良好的導(dǎo)電性，滿足其在雷達(dá)天線等航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。采用波長1064 nm的脈沖紅外納秒光纖激光對化學(xué)惰性極高的PEEK材料進(jìn)行表面改性處理，并結(jié)合化學(xué)鍍鎳技術(shù)，實現(xiàn)激光改性PEEK表面金屬層的沉積制備。利用掃描電鏡、電阻測試儀、金相顯微鏡等對PEEK材料表面改性后的微觀結(jié)構(gòu)和表面金屬層性能進(jìn)行表征。當(dāng)激光能量密度較低（<60 J/cm2）時，脈沖激光改性PEEK表面主要發(fā)生光熱作用，基材表面呈周期性起伏的微納溝槽結(jié)構(gòu)，并分布有少量孔洞特征；當(dāng)激光能量密度較高（≥60 J/cm2）時，脈沖激光對PEEK表面的光熱作用增強，并具有部分光化學(xué)作用，發(fā)生光熱解化學(xué)鍵斷裂，PEEK表面均勻覆蓋一層熔融物或熔化后重新凝固的產(chǎn)物。對激光改性后的PEEK表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳處理，當(dāng)激光能量密度>10 J/cm2時，化學(xué)鍍鎳層致密均勻，鍍層表面電阻≤20 mΩ，且鍍層結(jié)合力良好。對脈沖紅外納秒光纖激光與聚醚醚酮界面處的作用機制進(jìn)行了初步研究，并在激光誘導(dǎo)作用下實現(xiàn)了聚醚醚酮材料表面金屬層的制備。

激光刻蝕改性；聚醚醚酮；激光作用機制；表面金屬化；結(jié)合力

聚醚醚酮（Poly-Ether-Ether-Ketone，PEEK）是一種半結(jié)晶熱塑性工程材料，以其出色的力學(xué)性能[1-2]、耐熱性[3-4]、耐輻照[5-6]、耐蠕變性能以及良好的耐化學(xué)腐蝕性[7-10]等特征，成為未來結(jié)構(gòu)減重的優(yōu)選材料，特別是在航空、航天等行業(yè)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[11-16]。該種材料應(yīng)用于雷達(dá)天線等產(chǎn)品時，通常需其表面具有良好的低電阻導(dǎo)電特性，以滿足產(chǎn)品應(yīng)用時的電性能，這與PEEK基材的有機聚合物高絕緣特性相悖。因此，利用PEEK材料的高穩(wěn)特性作為基材，隨后在其表面鍍覆高導(dǎo)電連續(xù)金屬層，可以賦予產(chǎn)品表面良好的導(dǎo)電性與電磁屏蔽性能，滿足其在電子電路、雷達(dá)發(fā)射器等方面的應(yīng)用。

PEEK材料表面光滑致密，具有極高的化學(xué)惰性，僅在高濃度硫酸中發(fā)生反應(yīng)，且在反應(yīng)產(chǎn)物表面制備金屬層結(jié)合力較差，無法滿足應(yīng)用需求。因此，在PEEK材料表面制備高導(dǎo)電金屬層時，基材界面處的預(yù)處理成為影響PEEK表面金屬層結(jié)合強度的關(guān)鍵因素。脈沖激光表面改性技術(shù)具有無需掩膜、無污染、精確度高、加工速度快等優(yōu)點[17-18]，尤其是可局域選擇性地改變基材的物理、化學(xué)性能，從而具有獨特的工藝技術(shù)優(yōu)勢。目前已應(yīng)用于聚碳酸酯、聚氨酯、聚苯硫醚等塑料表面的金屬化預(yù)處理[19-21]，并對不同頻率脈沖激光、不同激光能量密度和光斑搭接率作用下材料表面的微觀形貌及化學(xué)成分進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，采用脈沖紫外皮秒/納秒激光和脈沖紅外皮秒/納秒激光對工程塑料表面的影響作用機制不同。紫外激光主要產(chǎn)生光化學(xué)作用，紅外激光則主要是光熱作用，脈沖激光束可使材料界面處發(fā)生光熱作用和/或光化學(xué)作用，從而使界面區(qū)域在極短的時間內(nèi)發(fā)生熔化等現(xiàn)象，形成凹坑狀、溝槽狀以及熔融物堆積狀結(jié)構(gòu)等，化學(xué)成分則主要表現(xiàn)為C、N、O元素含量不同。受此啟發(fā)，研究者們認(rèn)為激光處理可以改性聚醚醚酮材料表面的微觀形貌和成分，但目前尚未發(fā)現(xiàn)PEEK材料表面激光改性的相關(guān)研究，尤其是激光處理對改性后PEEK表面金屬層沉積效果的影響。

本文采用1064 nm脈沖紅外納秒激光對PEEK表面進(jìn)行改性處理，研究激光能量密度變化對PEEK材料表面微觀形貌的影響規(guī)律，探索脈沖紅外激光與PEEK材料之間的光熱作用和/或光化學(xué)作用機制。隨后對脈沖激光改性后的PEEK材料表面沉積化學(xué)鍍鎳層，實現(xiàn)PEEK表面連續(xù)致密的鎳磷合金金屬層制備，并分析激光處理對改性后表面金屬層結(jié)合力等性能的影響。脈沖激光改性PEEK輔助表面金屬層沉積技術(shù)，方法簡單，且具有良好的局域選擇性，鍍層導(dǎo)電性好，結(jié)構(gòu)致密，與基材的結(jié)合力高，從而可實現(xiàn)PEEK產(chǎn)品表面良好的導(dǎo)電性和電磁屏蔽性能，為其未來應(yīng)用于航天等領(lǐng)域奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗

1.1 材料與主要試劑

試驗所用材料為PEEK材料（南京聚隆，40 mm× 40 mm×2 mm），主要試劑有氯化亞錫溶液、氯化鈀溶液、次亞磷酸鈉溶液、化學(xué)鍍鎳溶液。

1.2 樣品制備過程

PEEK材料表面激光輔助金屬化試驗的流程如圖1所示。

1）激光改性。使用波長為1064 nm的納秒脈沖激光器刻蝕處理PEEK材料表面，激光參數(shù)見表1。其中，為頻率；為功率；為掃描速率；為掃描間距；φ為光斑橫向搭接率；φ為光斑縱向搭接率；為激光能量密度。調(diào)整激光能量密度分別為10、40、60、100、180 J/cm2，并采用未進(jìn)行激光處理的PEEK材料作對比?？涛g改性后，用去離子水充分清洗。

2）敏化。將表面處理后的試樣浸入到室溫下的敏化液（SnCl2溶液）中處理，隨后用去離子水洗凈。

圖1 PEEK材料表面激光輔助金屬化試驗流程

表1 納秒脈沖紅外激光刻蝕PEEK實驗參數(shù)設(shè)計

Tab.1 Design of experimental parameters for ns pulse infrared laser treatments

3）活化。將試樣浸入到氯化鈀溶液中進(jìn)行活化處理，之后用去離子水清洗。此過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：Pd2++Sn2+→Sn4++Pd。

4）還原。為去除表面多余Pd2+，并進(jìn)一步提高表面的催化活性，將活化后的試樣浸入到室溫NaH2PO2溶液中處理。

5）化學(xué)鍍鎳。將表面預(yù)處理后的試樣浸入化學(xué)鍍鎳溶液中處理，獲得致密均勻的鎳金屬層。

1.3 表征與測試

采用掃描電子顯微鏡（SEM，JEOL，JSM-6701 F）觀察PEEK表面激光改性前后的微觀形貌。采用金相顯微鏡（DVM6）觀察化學(xué)鍍鎳層及鍍層結(jié)合力測試后的微觀形貌。采用電阻測試儀（HM2020）測試表面金屬化樣件的表面電阻。參照GB/T 5270—2005進(jìn)行劃格試驗，驗證試件表面金屬鍍層的結(jié)合力。參照GJB 150.5A—2009進(jìn)行冷熱沖擊，溫度為–196～ 100 ℃，高、低溫各保溫10 min，10次循環(huán)后，觀察鍍層表面是否存在鼓泡、剝離或分層狀態(tài)，驗證試件表面金屬鍍層的耐高低溫苛刻環(huán)境下的試驗性能。參照GB 8642《熱噴涂抗拉結(jié)合強度的測定》測試鍍層的抗拉強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同激光能量密度誘導(dǎo)改性后PEEK表面的微觀形貌

在表面工程領(lǐng)域，要實現(xiàn)材料表面的特殊功能特性，除材料本身性能外，材料界面處的三維微納結(jié)構(gòu)特征與其宏觀性能也有極其重要的關(guān)系。例如，材料表面的潤濕性、吸附性、耐腐蝕性等。因此，激光改性可使材料界面處獲得不同的微觀特征，不僅影響PEEK基材表面的形貌、成分等特性，而且對于其表面金屬層沉積后的結(jié)合強度具有較大的影響。

在脈沖激光光斑搭接率（φ=–25%，φ=–100%）一定時，脈沖激光作用下PEEK表面刻蝕改性效果隨激光能量密度變化的宏觀狀態(tài)如圖2所示。原始PEEK基材表面呈現(xiàn)淺茶灰色外觀，隨著脈沖激光能量密度的提高，激光處理后的PEEK基材表面顏色逐漸加深，最終呈現(xiàn)灰黑色。這說明脈沖激光改變了PEEK材料表面的微觀形貌特征，使材料宏觀表面對光線的反射發(fā)生變化，從而在肉眼狀態(tài)下呈現(xiàn)出不同的色澤。

對不同能量密度激光改性后的PEEK表面微觀形貌進(jìn)行表征，如圖3所示。從圖3中可以看出，未進(jìn)行激光處理的PEEK表面呈現(xiàn)出注塑加工后的規(guī)律性粗糙表面，且高低不平。由于PEEK基材本身的疏水性，后續(xù)進(jìn)行化學(xué)鍍時，鍍液無法有效進(jìn)入基材注塑后的規(guī)律性粗糙表面區(qū)域，不利于金屬層沉積。當(dāng)采用脈沖激光對有機聚合物表面進(jìn)行刻蝕改性時，較低的能量密度會被基材界面吸收、反射及散射，僅當(dāng)照射基材表面的脈沖激光能量密度達(dá)到一定程度后，才會引起基材界面處的物理與化學(xué)綜合反應(yīng)效果，從而使材料表面的微觀形貌發(fā)生明顯的變化。

圖2 不同能量密度的激光處理PEEK表面

圖3 PEEK材料表面激光改性后微觀形貌

從PEEK基材表面脈沖激光處理后的SEM結(jié)果看，當(dāng)激光能量密度達(dá)到=10 J/cm2時，PEEK表面呈現(xiàn)出較為明顯的微觀刻蝕形貌狀態(tài)。但由于能量密度相對較低，激光到達(dá)PEEK基材界面時，激光能量基本被吸收與散射，使被處理區(qū)域的有機聚合物發(fā)生熔融、氣化，部分區(qū)域的基材熔融、氣化后冷卻，從而使材料表面微觀區(qū)域呈現(xiàn)出相對規(guī)則的形貌特征。同時，刻蝕區(qū)域與未刻蝕區(qū)呈現(xiàn)出相對明顯的界限邊界現(xiàn)象，直接照射區(qū)域微觀粗糙不平，非照射區(qū)域則呈現(xiàn)出相對平滑的表面狀態(tài)。這可能是由于當(dāng)激光能量密度較低時，非照射區(qū)域的PEEK基材界面處發(fā)生了表面極淺區(qū)域材料的熔融，但由于能量較低，無法產(chǎn)生氣化效果，急劇冷卻后，基材呈現(xiàn)出較為平滑的表面狀態(tài)。激光直接照射區(qū)域的能量密度相對較高，在基材界面極淺區(qū)域發(fā)生了有機聚合物部分區(qū)域的熔融與氣化，從而產(chǎn)生了相對粗糙的界面效果。隨著激光能量密度的增加，脈沖激光對PEEK基材表面微觀狀態(tài)的刻蝕影響效果逐漸增加，作用于基材表面的影響區(qū)域也逐漸延伸、擴展，使界面處的PEEK不僅在縱向，且在橫向尺寸上發(fā)生材料的熔融、氣化，從而使整個基材表面區(qū)域呈現(xiàn)出周期性的微觀三維起伏結(jié)構(gòu)狀態(tài)（=40 J/cm2）。同時從圖3中也可以看出，在該能量密度條件下，邊界處仍然存在較為規(guī)則的突起區(qū)域結(jié)構(gòu)，表明激光能量密度在整個PEEK基材表面仍然存在相對薄弱處，從而不能使基材界面區(qū)域產(chǎn)生相對均勻的三維結(jié)構(gòu)狀態(tài)。隨著激光能量密度的持續(xù)增加（60、100 J/cm2），影響范圍不斷擴大，從而使激光刻蝕后PEEK表面熔融物逐漸增多，周期性起伏邊界逐漸模糊，最終呈現(xiàn)出明顯的熔融物堆積形貌。

除此之外，從圖4中SEM照片可以觀察到，當(dāng)激光能量密度達(dá)到180 J/cm2時，經(jīng)脈沖激光處理后，PEEK表面微觀周期性起伏結(jié)構(gòu)上還伴隨著少量微小孔洞，孔洞隨激光能量密度的增加而逐漸增多。這是由于當(dāng)激光能量密度較高時，不僅在PEEK基材界面極淺區(qū)域發(fā)生有機聚合物的熔融、氣化，而且產(chǎn)生了二次溶解、氣化效應(yīng)，從而呈現(xiàn)出較多的微觀孔洞。

圖4 PEEK材料表面激光改性后微觀形貌放大

2.2 脈沖紅外激光與PEEK材料表面之間的作用機制

經(jīng)脈沖激光不同能量密度刻蝕處理后，PEEK表面的微觀形貌狀態(tài)存在差異，這與脈沖激光和有機聚合物材料之間的相互作用機制有關(guān)。脈沖激光與聚合物的相互作用是以光子能量作為載體的，激光處理材料表面時，材料表面吸收脈沖激光光子的方式受激光能量密度的影響。

當(dāng)脈沖激光能量密度較小時，PEEK基材以單光子吸收為主，而當(dāng)激光能量密度較大時，則主要呈現(xiàn)多光子吸收。當(dāng)脈沖激光照射到材料表面，由于光子能量和材料分子中化學(xué)鍵鍵能的不同，將可能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)或光熱反應(yīng)，從而影響激光刻蝕處理后PEEK表面的微觀形貌[22-23]。

1064 nm脈沖光纖激光的單光子能量（1.16 eV）明顯小于PEEK分子中所有化學(xué)鍵的鍵能（見表2），因此當(dāng)脈沖激光能量密度較低時，激光作用于PEEK表面時主要以光熱作用為主（如圖5所示）。瞬時的熱能引起PEEK基材界面處極淺區(qū)域產(chǎn)生熱膨脹、熔融和氣化效應(yīng)，并在材料表層沿深度方向形成一定的溫度梯度，進(jìn)而形成加工熱應(yīng)力，使PEEK的分子鏈發(fā)生相對運動。當(dāng)激光能量密度增大到一定程度時，單光子和多光子吸收的共同作用，使得PEEK表面光熱效應(yīng)更加明顯，其表面熔融或熔化后重新凝固的有機斷鏈聚合物大幅增多，逐漸連接成片并堆積（= 60 J/cm2和=100 J/cm2）。

表2 PEEK材料中化學(xué)鍵的鍵能

Tab.2 Bond energy of chemical bond in PEEK materials

圖5 激光與復(fù)合材料表面相互作用機制

當(dāng)激光能量密度增大到=180 J/cm2時，激光光子與PEEK之間的相互作用呈現(xiàn)出更加顯著的多光子吸收改性效果，PEEK表面激光作用區(qū)域的界面區(qū)域熔融、熔化程度加深，有機聚合物在瞬時高溫下熔融熔化的同時，還存在著大量的氣化效應(yīng)以及PEEK分子內(nèi)化學(xué)鍵在脈沖激光光化學(xué)作用下斷裂產(chǎn)生的CO2等氣體。該類氣體以及氣態(tài)物質(zhì)急劇膨脹，由于內(nèi)外壓差效應(yīng)，從熔融物處急速逸出，隨后熔融物快速冷卻[24-25]。該效應(yīng)使得PEEK基材激光誘導(dǎo)改性界面處在熔融、氣化與凝固的過程中形成彌散狀絮狀微結(jié)構(gòu)，并在微結(jié)構(gòu)區(qū)域伴有微小狀孔洞，從而呈現(xiàn)出特殊表面效應(yīng)特征。

2.3 激光改性后PEEK材料表面金屬層制備

PEEK材料雖然具有優(yōu)異的各項性能，但其較高的絕緣特性限制了其在雷達(dá)、天線等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，需對其表面進(jìn)行高導(dǎo)電致密金屬化處理，滿足產(chǎn)品相關(guān)電性能。因此，本文對激光誘導(dǎo)處理后的PEEK材料表面進(jìn)行了金屬化研究。

為實現(xiàn)后續(xù)工程化應(yīng)用（導(dǎo)電、焊接等實際需求），金屬化時選取目前工程中常用的化學(xué)鍍鎳層進(jìn)行鍍覆試驗，研究不同能量密度激光處理對PEEK表面金屬層可鍍性以及金屬層結(jié)合強度的影響。試驗時發(fā)現(xiàn)，原始PEEK基材表面具有一定的疏水性，其表面除油徹底后也無法形成連續(xù)的水膜，不利于其表面金屬層沉積。不同脈沖激光能量密度處理后的PEEK基材表面化學(xué)鍍鎳層沉積效果不同，如圖6所示。

圖6 PEEK材料表面激光改性后表面鍍鎳照片

當(dāng)脈沖激光的能量密度僅為10 J/cm2時，PEEK表面化學(xué)鍍鎳層與基材之間基本沒有結(jié)合強度，鍍層整體脫落。這可能是由于PEEK基材表面經(jīng)過脈沖激光誘導(dǎo)改性處理后，雖然部分區(qū)域形成了微觀的溝壑狀三維形貌，但基材仍然存在明顯的平滑微表面，從而大幅降低了金屬層與基體之間的結(jié)合強度。激光能量密度增加后，激光改性PEEK基材表面化學(xué)鍍鎳層附著均勻，且與基體之間結(jié)合強度較好。

如圖7所示，當(dāng)≥40 J/cm2時，PEEK表面化學(xué)鍍鎳層均勻良好，晶粒細(xì)密，且化學(xué)鍍鎳層與激光改性后的PEEK基材界面處三維微納結(jié)構(gòu)表面形成相應(yīng)的嵌合結(jié)構(gòu)，鍍層晶胞與PEEK基材微觀凹凸不平區(qū)域緊密結(jié)合在一起，且連接成致密結(jié)構(gòu)，無明顯缺陷，從而能夠形成高致密、高結(jié)合強度的金屬化層。

圖7 PEEK材料表面激光改性后表面鍍鎳金相照片

為滿足產(chǎn)品后續(xù)應(yīng)用時外界環(huán)境的高低溫結(jié)合強度控制要求，采用常壓狀態(tài)下的高低溫?zé)嵫h(huán)試驗驗證PEEK激光誘導(dǎo)改性后基材與表面化學(xué)鍍鎳層之間的結(jié)合強度。參照GJB 150.5A—2009進(jìn)行冷熱沖擊，在–196～100 ℃經(jīng)10次循環(huán)后，鍍層無鼓泡、剝離或分層現(xiàn)象（見圖8），說明激光改性后的PEEK與表面化鎳層之間具有良好的結(jié)合強度。

PEEK基材表面的化學(xué)鍍鎳層劃格后的微觀狀態(tài)如圖9所示。當(dāng)激光能量密度為=40 J/cm2和= 180 J/cm2時，鍍層的結(jié)合力略低于=60 J/cm2和= 100 J/cm2情況。

為進(jìn)一步說明鍍層與基材的結(jié)合強度和激光能量密度的關(guān)系，對40～180 J/cm2的PEEK激光改性后鍍鎳試片進(jìn)行焊點抗拉強度測試，測得的焊點抗拉強度變化如圖10所示。激光能量密度為40、60、100、180 J/cm2的試片，表面金屬鍍層焊點抗拉強度分別為4.2、8.5、11.3、5.4 MPa。這說明隨著激光能量密度的增加，鍍層焊點抗拉強度先升高、再降低。當(dāng)能量密度增加至180 J/cm2時，鍍層結(jié)合強度反而有所下降。

結(jié)合脈沖激光不同能量密度處理后PEEK表面的微觀形貌特征及PEEK表面金屬層結(jié)合強度差異，對鎳層沉積過程進(jìn)行分析，如圖11所示。當(dāng)激光能量密度較低（=10 J/cm2）時，PEEK微觀表面區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的刻蝕區(qū)域與平滑微結(jié)構(gòu)邊界區(qū)域的差異性微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致金屬粒子在平滑未刻蝕微結(jié)構(gòu)區(qū)域沉積時與基體之間不能形成有效的高結(jié)合強度附著點。當(dāng)化學(xué)鍍鎳層以二維方式生長時，與極高化學(xué)惰性的PEEK基材之間未能實現(xiàn)三維微納結(jié)構(gòu)的物理嵌合效果，從而導(dǎo)致化學(xué)鍍鎳層存在明顯的無結(jié)合力區(qū)域，后續(xù)進(jìn)行結(jié)合強度檢測時，就呈現(xiàn)出金屬層起皮、剝離現(xiàn)象。當(dāng)=40 J/cm2時，PEEK表面經(jīng)過激光誘導(dǎo)改性后，形成相對完整的三維粗糙結(jié)構(gòu)，但刻蝕區(qū)域的均勻性不足，從而形成了較為明顯的起伏狀結(jié)構(gòu)，后續(xù)化學(xué)鍍鎳層沉積均勻，但鍍層的結(jié)合強度無法達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。當(dāng)=60 J/cm2和=100 J/cm2，PEEK表面經(jīng)過激光誘導(dǎo)改性處理時呈現(xiàn)出明顯的光熱作用，并伴隨有微弱的光化學(xué)作用，刻蝕區(qū)域的均勻性較好，PEEK表面均勻覆蓋熔融物或熔化后凝固的產(chǎn)物，并具有少量氣化冷卻形成的孔洞結(jié)構(gòu)，有效提高了表面鍍層與PEEK基材之間的結(jié)合強度。當(dāng)激光能量密度進(jìn)一步增加至=180 J/cm2時，PEEK基材表面由于激光刻蝕效應(yīng)，在界面處產(chǎn)生了較多的彌散絮狀物。該彌散絮狀物結(jié)構(gòu)松散，密度較低，與基材之間沒有良好的結(jié)合強度。在該絮狀物表面沉積金屬層，并不能提升鍍層與基材之間的結(jié)合力，反而使鍍層與基材的結(jié)合強度下降，從而導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)起皮、剝離現(xiàn)象。

圖8 PEEK材料表面激光改性后表面金屬鍍層冷熱沖擊后的照片及典型微觀形貌（Q= 60J/cm2）

圖9 PEEK材料表面激光改性后表面金屬鍍層

圖10 PEEK材料表面激光改性后表面金屬鍍層焊點抗拉強度測試結(jié)果

圖11 脈沖紅外激光作用下PEEK表面鎳層沉積過程

通過以上試驗結(jié)果和分析，認(rèn)為采用激光能量密度60～100 J/cm2處理聚醚醚酮材料是合適的。激光改性后，基材表面均勻覆蓋熔融物或熔化后凝固的產(chǎn)物，并具有少量氣化冷卻形成的孔洞結(jié)構(gòu)，為之后的金屬層沉積提供了有效的“嵌合錨固”位點，提高鍍層與基材之間的結(jié)合強度。

3 結(jié)論

本文采用1064 nm脈沖紅外納秒激光對PEEK進(jìn)行表面刻蝕改性，研究了不同能量密度激光處理對PEEK基材表面微觀形貌特征的影響。當(dāng)激光能量密度較低（<60 J/cm2）時，激光處理PEEK表面為周期性起伏的溝槽狀結(jié)構(gòu)，并分布有少量孔洞結(jié)構(gòu)；當(dāng)激光能量密度較高（≥60 J/cm2）時，PEEK表面均勻覆蓋一層熔融物或熔化后重新凝固的產(chǎn)物。

對激光刻蝕改性后的PEEK表面化學(xué)鍍鎳，當(dāng)能量密度=10 J/cm2時，表面鍍鎳層脫落；增大激光能量密度（>10 J/cm2），鎳層致密均勻，聚醚醚酮表面激光誘導(dǎo)金屬層具有良好的結(jié)合力。當(dāng)激光能量密度在60～100 J/cm2處理聚醚醚酮材料，可獲得均勻、致密且結(jié)合力良好的金屬鍍層。

本研究實現(xiàn)了激光誘導(dǎo)作用下聚醚醚酮材料表面金屬層的制備，為聚醚醚酮材料在雷達(dá)天線等航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

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Pulse Laser Modification of Poly-Ether-Ether-Ketone for Surface Metallization

,,,,,,,

(China Academy of Space Technology, Beijing Spacecrafts, Beijing 100094, China)

In order to endow Poly-ether-ether-ketone (PEEK) with good surface conductivity and realize its application in radar antenna and other aerospace fields. PEEK with high chemical inert was modified by 1064nm-wavelength infrared pulse fiber laser, then deposited with Ni-P alloys by means of electroless plating technology. The properties of surface metal layers on PEEK were characterized by SEM, resistance tester and metallographic microscope, respectively. When the laser energy density was relatively low (<60 J/cm2), there was mainly photothermal effect on the surface of PEEK by pulsed laser, and the surface of the substrate presented periodic undulating groove structure with a small number of holes. When the laser energy density was rather higher (≥60 J/cm2), there were simultaneously enhanced photothermal effect and partial photochemical effect. As a result, the surface of PEEK was uniformly covered with melted layer or re-solidified product after melting. Besides, the nickel coatings on the PEEK have been dense, uniform and in good adhesion with the substrate for the sample after laser treatments (>10 J/cm2), of which the surface resistance of the coating was less than 20 mΩ. In this paper, the interaction mechanism of the pulse laser on PEEK surface is studied and the metals on the PEEK have been prepared under the laser-induced effect.

laser surface modification; poly-ether-ether-ketone (PEEK); laser interaction mechanism; surface metallization; binding strength

2021-04-01；

2021-09-07

LI Jia-feng (1982—), Male, Master, Senior engineer, Research focus: surface treatment technology research on metal materials and composites.

李家峰, 王楠, 白晶瑩, 等. 脈沖激光改性聚醚醚酮及表面金屬化技術(shù)研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 371-379.

TB332

A

1001-3660(2022)03-0371-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.040

2021-04-01；

2021-09-07

李家峰（1982—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為金屬材料、復(fù)合材料表面處理技術(shù)。

LI Jia-feng, WANG Nan, BAI Jing-ying, et al. Pulse Laser Modification of Poly-Ether-Ether-Ketone for Surface Metallization[J]. Surface Techno-logy, 2022, 51(3): 371-379.