急求電子束加工技術的發(fā)展史，使用的設備和工藝，以及發(fā)展趨勢？

【專家解說】：電子束(EB)應用技術的發(fā)展1952年查爾斯發(fā)現聚乙烯的原子爐輻射交聯後，放射線交聯已經經曆了50多年的曆史。美國、歐洲和日本等發(fā)達國家從上世紀50年代末，先後建立了各種高分子輻射改性研究機構並開始生產電子束交聯的聚乙烯電線，拉開了高分子電子束輻射加工的序幕。之後，電子束輻射技術在聚乙烯泡沫、熱收縮材料、汽車輪胎，塗層固化等領域獲得了廣泛的應用，同時應用於醫(yī)療器件的殺菌、食品消毒防腐、環(huán)境保護等領域。  工業(yè)用輻射源主要有鈷60（γ射線）和電子束設備（電子束和X射線），從使用等角度，電子束更具優(yōu)勢，到目前為止，在工業(yè)應用中，電子束（EB）成為了主流。 　　最近，通過電子束輻射技術實現材料的功能化和高附加值等方麵已獲得了長足的發(fā)展，本文就電子束輻射技術進行概述。 　　EB輻射技術的應用現狀 　　EB輻射技術在能源、交通、環(huán)保、衛(wèi)生、食品等各個領域，已成為許多產業(yè)領域材料改良的基礎技術。按技術領域劃分，可主要分為：材料交聯、接枝聚合、塗層固化、殺菌、食品輻射與環(huán)保等。 　　電子束輻射交聯技術的應用 　　通過EB輻射使分子之間交聯結合而形成三維結構，以此來改善高分子材料的耐熱和機械力學等性能，該技術最早用於耐熱包覆電線、耐熱板與耐熱膜、熱收縮管與熱收縮膜等的製造。與傳統的化學交聯技術比較，EB輻射交聯技術具有可適用於類別廣範的材料改性，已成為材料改性的重要工程手段。 　　?電線與膠帶中 　　現在，用於電子設備、汽車的PE（聚乙烯）和PVC（聚氯乙烯）包覆電線的改良主要是通過E B 輻射技術實現。EB輻射交聯的PE（聚乙烯）和PVC（聚氯乙烯）膠帶具有優(yōu)秀的抗老化特性，大量用於電線束的耐熱保護。 　　?熱收縮管與熱收縮膜 　　對PE等進行電子束輻射交聯之後，加熱至融點附近，然後施加外力，在使其變形得狀態(tài)下進行冷卻，外力去除變形得以保留；再次加熱至融點附近，其性質具有收縮至不加外力時的原有狀態(tài)，我們將此記憶性質稱之為記憶效果或者熱收縮特性?，F在軟管和薄膜熱收縮材料已廣泛用於配線端部與連接部的防腐蝕、食品包裝等領域。 　　?聚烯烴泡沫材料中 　　EB輻射交聯法與以往的化學交聯法相比較，具有交聯與發(fā)泡可通過不同工藝進行的優(yōu)點，具有可控製氣泡、衝擊吸收性良好及表麵平滑性良好等特點。泡沫聚烯 烴（PE、PP（聚丙烯）、EVA（乙烯/醋酸乙脂）等）廣泛用於汽車內部裝飾材料、建築與土木領域、隔熱工業(yè)領域、農林與水產領域、電線絕緣體等。 　　?橡膠材料 　　EB輻射交聯硫化技術與化學硫化相比，具有不含有害的亞硝基胺、不產生亞硫酸氣體及在自然環(huán)境中易於分解的特點。天然乳膠的放射線交聯在日本、馬來西亞與印度尼西亞等國被用於手術用手套等。在美國，屋頂橡膠材料大量使用EB輻射技術，在橡膠軟管以及其它各種部件的製造中也獲得了應用。 　　?碳化矽纖維 　　對聚碳酸脂—— 矽烷（polycarbo - sulane）纖維進行10Mgy以上EB輻射以及熱氧化非熔化處理製造所得碳化矽纖維用於纖維強化陶瓷複合材料，具有1500°C以上耐熱性，是宇宙航空領域、原子能發(fā)電與熱核反應堆等的極其重要的結構材料。 　　?自控性塑料發(fā)熱體（6） 　　對將碳黑與塑料通過適當組成混合的發(fā)熱體進行通電的話，就會發(fā)熱，然而由於電阻隨著溫度的上升而增加，發(fā)熱量會減少，因此輸出被控製。但是如果是普通塑料，一旦超過融點電阻則急劇減小，成為發(fā)熱體著火的原因。因此若事先對此進行EB交聯，即使超過融點，也可獲得電阻並不減小的發(fā)熱體。該特性被應用於農業(yè)、園藝領域。 　　?工程塑料等的交聯 　　工程塑料對放射線較為穩(wěn)定，因此其交聯並不容易。但是通過使用適當的交聯加速劑經過EB交聯，在300°C的鉛焊液中不融解的工程塑料獲得應用。熱穩(wěn)定性好的 TAIC最能促進交聯，TAIC對PET與PBT等也有效。耐熱材料之一的PTFE是最易發(fā)生放射線分解的聚合物，不能在放射線環(huán)境下使用。但在溶融狀態(tài)下，對此進行放射線輻射的話，就會進行交聯，有可能作為新的抗放射線性的材料。 　　接枝聚合技術的應用 　　接枝聚合是改良聚合物性質的重要途徑。EB輻射接枝聚合一般有兩種途徑，一是通過EB輻射首先在主幹聚合物上生成遊離基後，與單分子物體進行反應的預輻射法，二是與單分子物體共存狀態(tài)下，用EB輻射進行接枝聚合的同時輻射法。EB輻射接枝聚合的特長： 　　? 賦予材料功能性：比如合成與由原材料物理性分離功能和離子吸附形成的化學性分離功能的複合功能；賦予材料的阻燃功能等。 　　? 官能基複合物的合成：通過利用共接枝聚合法，可以形成宮能基的複合物。 　　? 馬賽克膜的合成：通過對屏蔽技術的應用，可以獲得功能上的馬賽克化。 　　? 反應場的控製、聚合物與單分子的溶解度係數的控製：可以進行表麵層接枝聚合、均勻表麵層接枝聚合等。 　　?可進行遊離基生成（電子束輻射工藝）與接枝聚合工藝的分離：所生成的遊離基通過保存在其聚合物的玻璃轉移點以下，可以長期保存。 　　?在EB接枝聚合的情況下，遊離基的生成與等離子和紫外線接枝技術相比，由於是從聚合物的內部生成的，因此接枝後的性能更加穩(wěn)定可靠。 　　固化技術的應用 　　六十年代後期以塗料廠家為中心，開始了電子束塗層固化技術的研究開發(fā)，EB塗層固化技術是在基本材料的表麵噴圖單分子與齊聚物，通過EB輻射聚合形成保護膜。與類似的UV（紫外線）技術硬化相比較，EB輻射固化技術在未來更具有優(yōu)越性。 　　EB固化塗層在高耐候性塗層、磁性介質、印刷電阻、極高交聯密度的高硬度保護膜（鉛筆硬度8~9H以上的高硬度保護膜）、非透明且厚的保護膜塗層、熱敏基材表麵塗層、防霧膜、表麵防污處理等方麵已獲得了實際的工業(yè)應用，用傳統UV（紫外線）加工技術難於實現。 　　醫(yī)療用具的消毒殺菌 　　通過放射線對醫(yī)療用具消毒殺菌的出發(fā)點是1956年美國使用範德格喇夫型EB裝置（2MV，0.5KV）進行腸線縫合線的商業(yè)消毒。之後，丹麥與法國也使用高能量的EB裝置進行醫(yī)療用具的消毒殺菌。以1960年在英國的γ射線殺菌的應用輻射為開端，繼此γ射線商業(yè)消毒設施在全世界不斷建設，γ射線殺菌的普及得到快速發(fā)展。關於EB殺菌的轉機，大型的EB殺菌設施實在1979年在美國建設。以此為契機，作為經濟型更高的適用性係統，開始提高EB裝置的大功率化、可靠性與操作性。全世界在1980年以後，EB輻射設施趨向增加，與此相呼應，EB殺菌產品占放射線殺菌的比例逐年上升。日本1989年茨城縣築波市建設了通過EB委托殺菌設施。現在，殺菌對象產品不僅涉及醫(yī)療用具，而且涉及無紡布質地的長袍、服裝、口罩與試驗用檢驗器具類（殼體等）、醫(yī)藥品容器等。 　　食品輻射 　　利用放射線抑製食品品質的下降與腐爛的研究始於1942年在美國通過由EB發(fā)生的X線對漢堡包用肉進行輻射保存效果開始的。由γ線進行的輻射研究是進入五十年代之後開始的。1980年由WHO、TAEA、FAO的聯合委員會進行的『安全宣言』以來，已有27個國家使輻射食品在國內流通。在全世界流通的輻射食品大約為50萬噸，香辣調味料約占2.4萬噸。 　　環(huán)境保護 　　工業(yè)廢氣，廢液和固體物的無害化和綜合利用等方麵，EB輻射技術已被證明行之有效。使用10kGy左右的吸收束量，可以去除工業(yè)廢氣中80%以上的NOx和94%以上的SOx。 　　通過EB進行水的輻射處理可以氧化分解水中有機氯化物、農藥、殺蟲劑等。此外對下水排出水的殺菌，作為氯處理的代替技術，有望采用放射線處理。還確認了 對於污泥脫離業(yè)與印染排水的處理也有效。污泥是在廢水處理與下水處理過程中產生的有機廢棄物，通過對病原菌與寄生蟲等進行放射殺菌處理，可作為肥料與飼料或者微生物農藥使用，世界各國對此正在進行研究。通過EB輻射對廢水或者廢氣處理後的活性炭進行再生的研究結果表明，吸附性可回複到90%以上。該方法具有工藝簡單，此為節(jié)能工藝及幾乎不存在活性炭的損失等特點，有望實用化。 　　半導體 　　通過在半導體內形成晶格缺陷，可以高精度地控製載體壽命，載體壽命越短，越能進行高速（高頻）動作。比較3種1EB、2γ線、3質子加工方式由，由於EB的能量可連續(xù)變化，可以均勻地輻射廣泛的麵積，因此具有易於控製晶格缺陷狀態(tài)的特長，已獲得廣泛的產業(yè)應用。EB輻射技術的未來 　　交聯技術 　　一般認為此為成熟技術，將來也為重要技術，今後其應用領域也會不斷擴大。 　　固化技術 　　該技術是將來大幅度成長的技術領域。比如：通過塗層賦予普通薄膜特有的功能性、無溶劑型粘接迭層等。 　　接枝聚合技術 　　一般認為，通過接枝聚合技術，對通用材料賦予新功能的需求是無限的，因此認為，通過接枝聚合技術開發(fā)新功能材料是將來最有前途的技術領域。 　　滅菌技術 　　一般認為EB與鈷60相比，由於其易於操作，因此會不斷被EB取代。此外，也期待普及使EB與鎢和鉭一樣原子序號大的金屬相撞擊而獲得的製動X線。 　　食品輻射 　　關於輻射食品的完整性，由於國際上已經得出結論，因此研究的主流轉向對輻射食品的檢驗方法。我們認為食品的EB輻射處理已在世界範圍內得到推動，此為未來大有前途的技術領域。 　　環(huán)保 　　從地球環(huán)保的立場來看，導致酸雨原因的各種排氣處理到應用隻差一步之遙；污水污泥的處理等是今後成長的領域。而且通過EB進行的CO2處理作為未來研究的課題也很有價值。 　　半導體 　　通過對矽片電子注入生成載體卸波電路改善高頻開關的特性已經成為有用技術被認可，今後將在許多企業(yè)得到應用。而且被稱為下代半導體製造技術的超擴現象今後大有成為研究開發(fā)的課題。 　　總之，EB應用技術作為許多產業(yè)領域對材料改良的基本技術，其領域將不斷擴大。此外，由於EB裝置符合操作性、節(jié)能、節(jié)省空間這一時代性的要求，以及EB裝置的製造成本的不斷降低，EB應用技術會涉及多領域，工業(yè)利用會更加活躍。 高能束流加工技術的應用與發(fā)展高能束流加工技術以高能量密度束流（電子束、激光、離子束等）為熱源與材料作用，從而實現材料去除、連接、生長和改性。高能束流加工該技術具有獨特的技術優(yōu)勢，被譽為本世紀先進制造技術之一，受到越來越多的重視，應用領域不斷擴大。經過多年的發(fā)展，高能束流加工技術已經應用到焊接、表面工程和快速制造等方面，在航空、航天、船舶、兵器、交通、醫(yī)療等諸多領域發(fā)揮了重要作用?！　「吣苁魇雌焚|的發(fā)展　　高能束流加工技術的應用與發(fā)展和高能束流束源品質有著密切的關系。隨著科學技術的不斷發(fā)展，無論是電子束還是激光束，束流品質越來越好，能量密度、功率等參數越來越高，加工能力和加工質量都有所提高?！　‰娮邮髌焚|主要有2 方面的內涵：一是束流和高壓的穩(wěn)定性；二是束流的形態(tài)和能量分布。前者主要取決于高壓電源及相應控制系統；后者主要取決于電子槍及其電磁聚焦系統。　　高壓電源是電子束加工設備的重要組成部分，自20 世紀50 年代以來，高壓電源的設計及制造技術經歷了3 個階段，即工頻變壓器、中頻發(fā)電機組、高頻開關式電源。在每個發(fā)展階段，高壓電源性能都得到了很大提高，特別是開關式高壓電源，高壓調節(jié)范圍更廣，有效功率更高、高壓紋波、設備體積更小。目前，高壓開關電源的各個部分均實現了高頻工作方式，通常在束流滿量程的情況下，束流穩(wěn)定度達到±0.25％，高壓的穩(wěn)定度達到±0.25％?！　∈餍螒B(tài)和能量分布主要取決于電子槍及其所屬的電磁聚焦系統，目前沒有專屬的量化指標，通常可對束流的不同截面進行能量分布的測定，來分析束流形態(tài)和能量分布是否良好。目前，電子束流發(fā)生裝置（電子槍）技術發(fā)展迅速，已經由低壓小功率型發(fā)展到高壓大功率型，大大提升了加工能力和加工質量，同時拓展了電子束加工技術手段。　　我國高壓電子束焊接設備的研制開發(fā)起步較晚，這主要因為高壓電子束加工設備中的電子槍和高壓電源設計制造技術難度大，測試試驗不易開展。目前，國內開展電子束焊接設備的研究較多，但主要局限于中壓、小功率電子束焊機的研究，高壓、大功率設備的研究相對較少。目前已經解決了大功率高壓電源和高壓電子槍的問題，國防科技重點實驗室對高能束流加工技術進行了系統深入的研究，并取得了一定成果，高壓電源的高壓、束流穩(wěn)定度均達到了±0.25％，同時也開發(fā)了新型電子束能量密度測量裝置，以進行相關電子槍的研究改進?！　⌒滦图す馄鞯牟粩喑霈F和技術上的不斷改進完善，有力地推動了激光技術在各個領域的應用，特別是20 世紀80 年代中后期以后，Nd:YAG 激光器和CO2激光器的性能進一步提高，輸出功率增大到千瓦和萬瓦級，使得材料的激光加工技術應用范圍進一步擴大，特別是激光焊接技術已由熱傳導焊向深熔焊轉變，焊接機制和原理發(fā)生了根本性變化?！　≡趪猓敵龉β试?0kW 左右的CO2激光加工系統已經成為穩(wěn)定應用于各工業(yè)部門的常規(guī)焊接設備。在大功率激光焊接應用方面，法國焊接研究所于1993 年安裝并完成了45kW CO2激光器的調試工作，正在開展大厚度（40 ～ 50m m）單道焊技術基礎研究工作。1994 年和1996年，日本的Kinki先進材料加工研究所和日本鋼鐵公司也先后完成了45kW CO2激光器的安裝工作。與此同時，YAG 激光焊接系統的輸出功率也有較大提高，輸出功率4k W的商品化設備已推向市場?！　≡趪鴥龋す獠牧霞庸ぜ夹g經歷了30 多年的發(fā)展歷史。經過國家多個五年計劃的攻關，激光加工設備從無到有，輸出功率一步步提高，還有多家單位都具有生產2～10kW CO2激光器系列產品的能力，也可制造千瓦級以下的YAG固體激光器。但是與國外相比，光束品質較差，元器件可靠性、穩(wěn)定性方面需進一步提高。　　目前，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能進一步提高。對于Nd:YAG激光器，為了克服其在高功率運轉時嚴重的熱透鏡效應、提高激光器的輸出功率和光束質量，發(fā)展了板條、管狀等新型激光器結構形式；另外，光纖傳輸極大地提高了焊接操作的靈活性。與此同時，CO2激光器由最初的橫流結構改為快速軸流結構，輸出功率極大提高；射頻激勵和微波激勵模式的建立減小了CO2激光器的體積，提高了效率和可調制性。　　20 世紀90 年代，二極管泵浦固體激光器的出現，使激光器的體積大大縮小，光束質量高、壽命長，泵浦效率遠遠超過燈激勵方式，是一種很有前途的新型激光加工能源，必將在很大程度上替代現有的激光加工設備。　　近年來，一些新型激光器相繼進入激光加工領域（如準分子激光器、發(fā)射5μm附近激光波長的CO激光器等），這將拓展激光焊接設備的新領域，促進激光加工技術向前發(fā)展。特別是光纖激光器的出現，無論是束流品質還是輸出功率都應該說是激光加工技術的一場革命性變化。