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等離子體應用

等離子體是由帶正、負電荷的離子和電子,也可能還有一些中性的原子和分子所組成的集合體。在宏觀上一般呈電中性。等離子體可以是固態、液態和氣態。電離氣體就是一種氣態等離子體。等離子體中的基本過程是在電場和磁場的作用下,各種帶電粒子間相互作用,引起多種效應。利用等離子體的特點可使它獲得多種應用,現已構成了電工發展的一個新領域。
等離子體的應用取決于它的性質和狀態。等離子體的性質常取決于以下因素:①等離子體的組分,如原子、分子、離子、電子、化學基團等。②粒子所處的狀態,如中性態、激發態、電離態、活化的分子及自由基。③各種粒子數密度,即單位體積中的粒子數。④各種粒子的溫度。如果電子和離子的溫度相等,稱為平衡態等離子體;反之,是非平衡態等離子體。⑤等離子體所處的環境,如電場強度、磁場強度、電極結構、氣流、放電容器等。⑥各種因素的作用時間。
人工等離子體的溫度大約為103~108開,電子數密度約為108~1021/厘米3,電流為毫安~兆安數量級,氣體壓力為百帕~百千帕,放電頻率從直流到微波,這些參量決定了等離子體的不同應用。主要有高溫等離子體應用、熱等離子體應用、冷等離子體應用三大類。
高溫等離子體應用 高溫等離子體的溫度為 102~104電子伏(1電子伏相當于 1.1×104開)。它主要用于熱核聚變發電。典型的聚變反應為
①為氘-氘(D-D)反應,②為氘-氚(D-T)反應。由聚變反應產生的粒子具有很高的能量,將這種能量轉化為熱能可用于發電。核聚變發電具有清潔、價廉的優點。尤為重要的是,其燃料氘來源于海水,全世界氘的貯量可供人類享用百億年,這是任何其他能源都無法與之相比的。
為了實現熱核聚變反應,等離子體必須要有很高的溫度,才能使氘核具有足以克服氘核間的庫侖排斥力的巨大動能;同時,它還必須有很高的粒子密度和足夠長的約束時間。這樣,氘核之間才得以發生充分的核反應,放出足夠的能量。由于熱核聚變反應堆本身有一定的能量損失,因而,要實現聚變反應,需首先求得整個系統不耗電情況下維持運行的條件,即得失相當的條件,通常稱為勞孫判據。
對氘-氘反應 T≥50keV nτ≥1015s/cm3
對氘-氚反應 T≥10keV nτ≥6×1013s/cm3
其中T為等離子體溫度,n為等離子體中氘核的密度,τ為等離子體約束時間。
20世紀80年代,熱核聚變主要采用磁約束和慣性約束兩種方法來達到上述條件。
磁約束  由于熱核聚變反應的等離子體溫度極高,常規的容器都無法耐受,并將造成很大的熱能損失。利用強磁場把高溫等離子體約束在一定空間內,使之與容器壁隔開,維持其高溫和高密度狀態。屬于磁約束方法的聚變反應裝置有托卡馬克(見圖)、磁鏡、仿星器等,其中托卡馬克裝置上的試驗數據最接近勞孫條件。它有一個類似于變壓器的鐵心,原邊為一線圈,副邊就是放電室中的等離子體。當原邊線圈通過電流時,等離子體中產生很大電流,以加熱等離子體。沿環形放電室設置了許多同軸線圈以約束高溫等離子體,使之持續穩定地運行一定時間。

慣性約束

利用強激光束或粒子束轟擊毫米量級的氘-氚(DT)靶丸,在納秒級的短時間內,由于慣性的作用,在靶丸還來不及擴散時就被加熱到很高溫度、壓縮到很高密度從而引起熱核聚變反應。研究人員正朝實現勞孫判據的條件努力。

熱等離子體應用

熱等離子體的溫度為0.1~4電子伏,電流為1~100安及以上。這類等離子體處于熱平衡態,電弧、等離子體炬屬于這一類。主要用于難熔金屬冶煉、機加工等。
熱等離子體發生裝置  可采用直流、交流或射頻電源。圖1為幾種不同裝置示意。圖1a中,同軸旋轉的氣流吹入氣室,在水冷的正極(+)和負極(-)之間形成電弧。溫度為8000~30000開,功率為20~75千瓦,熱效率為55~85%。由于電極的燒蝕,這種裝置的運行時間不長,約 100小時。如果需要向工件(需熔化的金屬)輸入更多的能量,可以用圖1b的方式,用工件本身作正極。圖1c結構可用于陶瓷的熔解。由輔助直流炬噴出氣流,再由同軸三相交流電對等離子體繼續加熱。熱等離子體射流進入旋轉離心爐,與壁材料相互作用,使其熔化。圖1d是高頻 (0.5~15兆赫)無電極的等離子體裝置。電能通過線圈耦合到等離子體。它的優點是可以加熱各種氣體(包括活性的或腐蝕性的氣體),進入化學反應的雜質少,熱電轉換效率高。但是比較貴。

加工方式編輯

熱等離子體與工件相互作用的方式有幾種。其中的一種如圖2a所示。這種加工方式所用的是比較老式的等離子體爐,上面產生的等離子體弧直接作用在下面的工件上,使它熔化,進行化學反應。另外的加工方式如圖2b、2c所示。圖2b中,氣體(Ar或H2等)由噴嘴射出,在二電極間產生高溫等離子體。中部輸入的固體原料在高溫等離子體內熔化,沿落管形成液體膜,并進行反應,產品最后流入下面的容器內。用此法還原氧化鐵為鐵的反應器,其功率約100千瓦,最大能到 1兆瓦。圖2c是擴展的加工等離子體,等離子體炬按圓環旋轉,等離子體向下運動時形成錐形,固體原料由上部輸入,在等離子體中螺旋運動時進行反應。等離子體的旋轉可以用機械的或電磁的方法實現。后者的等離子體軌道速度可達2000~9000轉/分,已在使用的功率約為100千瓦。

主要應用編輯

熱等離子體主要用于以下 3方面。①等離子體冶煉:用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料,例如高熔點的鋯 (Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬;還用于簡化工藝過程,例如直接從ZrCl4、MoS2、Ta2O5和TiCl4中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti;用等離子體熔化快速固化法可開發硬的高熔點粉末,如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末。 等離子體冶煉的優點是產品成分及微結構的一致性好,可免除容器材料的污染。②等離子體噴涂:許多設備的部件應能耐磨、耐腐蝕、抗高溫,為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化,并噴涂到基體(部件)上,使之迅速冷卻、固化,形成接近網狀結構的表層,這可大大提高噴涂質量。③等離子體焊接:可用以焊接鋼、合金鋼;鋁、銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整,可以再加工,沒有氧化物雜質,焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金,切割厚度大。

冷等離子體應用

冷等離子體的電子溫度比離子溫度高,分別為10電子伏及以下和室溫,主要用于化學合成、材料表面改性和大規模集成電路的刻蝕。

冷等離子體發生裝置

采用直流、交流、射頻及微波電源。圖3為幾種裝置示意。圖3a是滲氮或滲碳裝置,氣體(N2或CH4等)在等離子體中分解、電離,產生的氮或碳離子轟擊工件(基體),滲入表面,形成硬殼層。圖3b是等離子體氣相沉積裝置,反應氣體在等離子體中分解、電離,并進行化學反應,再沉積在基體上并聚合或完成其他反應,形成膜。圖3c是一種微波裝置,它可通過傳動機構使工件在等離子體中連續移動,能作大面積的表面加工或沉積。

等離子體合成

等離子體可促使有機及無機化合物進行各種反應。①由氫化合物、 揮發性鹵化合物、 氟碳化合物、氟氮化合物生成相應的高分子化合物。如由SiH4、B5H9分別制成Si2H6或Si3H8及B10H16;由SiCl4、GeCl4、BCl3分別合成為、Ge2Cl6、B2Cl4;由CF4生成C2F4、C2F6、C3F6、C3F8,合成NF2、NF3、N2F2、N2F4等。② 通過分子異構化,得到不同分子結構。 如 CH3·CH2·CH2·Cl成為CH3·CHCl·CH3;2萘基甲醚成為1甲基-2萘酚。③將原子或小分子從原分子中脫除出來。由這過程可得到多種環產物或雜環結構。④雙分子反應。如用苯組成聯苯或聯三苯。醚可以組成多種飽和烴及未飽和烴。

等離子體聚合反應

在適合的條件下,差不多所有有機化合物都能通過等離子體進行聚合。一般用光化學或自由基引發的氣相聚合只限于乙烯基的有機化合物。除非單體分子含有“極化團”,也只能得到低分子量的聚合物,如苯乙烯、丙烯腈、甲異丙醇酮等在氣相中都不能聚合,除非它們先經過光敏化。相反地,等離子體聚合則不限于乙烯基類的單體,它包括普通方法不能聚合的一些單體分子。①等離子體聚合飽和的脂肪族烴。電子碰撞單體分子,產生活性粒子,主要是自由基,其次是離子及被激勵的分子。它們彼此之間或與中性分子相互作用,形成聚合物。等離子體聚合飽和烴的沉積率(Rp)經驗公式是
Rq=K1pP2exp【-(K2p+K3F1/2)】
式中P為輸入功率,p為氣壓,F為單位流量,K為常數。②等離子體聚合芳香族烴。在苯的射頻等離子體中主要的活性粒子是H、C2H,其次是C6H5、C6H4。而在微波放電中則是CH及C2、C2H。由CH及C2H自由基形成。它們與在相鄰鏈上的自由鍵結合,得到聚合物交鏈。改變等離子體的輸入功率W與氣壓p的比值,聚合物的性質可以有很大差別。③等離子體聚合未飽和烴。電子與乙烯碰撞產生原子氫,這些原子氫和乙烯、乙烷基、乙炔等相互作用,得到乙烷基、甲基、乙烯基等自由基,這些自由基的反應可以得到更大的自由基,生長氣相的聚合。如果聚合過程中加載氣(如氫或氮),將增加聚合物的沉積率。載氣氮能將乙炔沉積率由 400提高到1500(埃/分)。但對乙烯的沉積率則不如此明顯。乙烯的聚合物可以呈油狀、固體或膜,隨氣壓、單體分子流量及輸入功率而定。④等離子體聚合乙烯基單體。正的單體離子與單體分子結合,生長成長鏈聚合物或者進行交鏈,接枝聚合。其他乙烯基單體的射頻等離子體,如氯乙烯、氟乙烯、異丁烯酸甲酯及偏二氯乙烯,上述過程也適用。鹵化烴的聚合率比簡單的烴大,例如氯乙烯的聚合物形成率為160(埃/分),而乙烯的形成率為4(埃/分)。輸入功率對聚合過程也有影響。例如苯乙烯的聚合,輸入功率為8瓦時,沉積率及單體轉化分別為0.019(克/小時)及30~35%;功率增到36瓦時,該參數分別提高到0.057及100%。

等離子體表面工藝編輯

主要用于以下兩方面。
①等離子體表面處理:為了提高刀具、模具等的性能,可以用等離子體對金屬表面進行氮、碳、硼或碳氮的滲透。這種方法的特點是,不是在表面加一覆蓋層,而是改變基體表面的材料結構及其性能。處理過程中,工件溫度比較低,不使工件變形,這對精密的部件很重要。這一方法可以應用于各種金屬基體,主要有輝光放電滲氮,氮碳共滲,滲硼。
②等離子體在電子工業中的應用:大規模集成電路片心的生產工藝,過去采用化學方式,采用等離子體方法代替之后,不僅降低了工藝過程中的溫度,還因將涂膠、顯影、刻蝕、除膠等化學濕法改為等離子體干法,使工藝更簡單,便于實現自動化,提高成品率。等離子體方法加工的片心分辨率及保真度都高,對提高集成度及可靠性均有利。

等離子體沉積薄膜

用等離子體聚合介質膜可保護電子元件,用等離子體沉積導電膜可保護電子電路及設備免遭靜電荷積累而引起損壞,用等離子體沉積薄膜還可以制造電容器元件。在電子工業、化學工業、光學等方面有許多應用。①等離子體沉積硅化合物。用SiH4+N2O〔或Si(OC2H4)+O2〕,制成SiOxHy。氣壓1~5托(1托≈133帕),電源13.5兆赫。氮化硅沉積用SiH4+SiH3+N2。溫度300℃,沉積率約180埃/分。非晶碳化硅膜由硅烷加含碳的共反應劑得SixC1+x:H,x是Si/Si+C比例。硬度大于2500千克/毫米2。在多孔基片上,用等離子體沉積一層薄聚合膜,制成選擇性的滲透膜及反滲透膜,可用于分離混合氣中的氣體,分離離子與水。也可以組合超薄膜層,以適應不同的選擇性,如分子大小,可溶性,離子親合性,擴散性等。在碳酸鹽-硅共聚物基片上,用一般方法沉積0.5毫米薄膜,氫/甲烷的滲透性比為0.85,甲烷的滲透性比氫的高。若用等離子體在基片上沉積苯甲氰單體,這一比值增為33,分離作用大為提高。反滲透膜可用于海水脫鹽。在水流量低于一定閾值時,排鹽效果才好。烯烴族、雜芳香族及芳香胺等的聚合膜具有滿意的反滲透性。②等離子體沉積膜可用于光學元件,如消反射膜,抗潮、抗磨損等薄膜。在集成光學中,用等離子體可以按照所需的折射率沉積上穩定的膜,用于聯接光路中各元件。這種膜的光損失為0.04分貝/厘米。

等離子體用于材料表面改性

主要有以下幾個方面:①改變潤濕性(又稱浸潤性)。一些有機化合物表面的潤濕性對顏料、墨、粘結劑等的粘結性,對于材料表面的閃絡電壓及表面漏泄電流等電性能,都有很大的影響。衡量潤濕性的量稱為接觸角。表1中列出一些材料的不同處理對接觸角的影響。②增強粘附性。用等離子體活化氣體處理一些聚合物及金屬之后,可使材料與粘附劑的結合強度得到加強。原因可以是聚合物表面的交聯加強了邊界層的粘附力;或是等離子體處理過程中引入了偶極子而提高了聚合物表面粘附強度;也可能是等離子體處理消除了聚合物表面的污層,改善了粘附條件。電暈處理也有同樣效果。表2列出一些聚合物與金屬粘附的結果,等離子體處理的效果明顯。③強化聚合物與聚合物的粘附。例如玻璃絲加強的環氧樹脂用氦等離子體處理后,與硫化橡膠的粘附增強233%。聚酯輪胎線經過等離子體處理(如NH3)后,與橡膠的粘附強度提高8.4倍。

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