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等离子体应用

等离子体是由带正、负电荷的离子和电子,也可能还有一些中性的原子和分子所组成的集合体。在宏观上一般呈电中性。等离子体可以是固态、液态和气态。电离气体就是一种气态等离子体。等离子体中的基本过程是在电场和磁场的作用下,各种带电粒子间相互作用,引起多种效应。利用等离子体的特点可使它获得多种应用,现已构成了电工发展的一个新领域。
等离子体的应用取决于它的性质和状态。等离子体的性质常取决于以下因素:①等离子体的组分,如原子、分子、离子、电子、化学基团等。②粒子所处的状态,如中性态、激发态、电离态、活化的分子及自由基。③各种粒子数密度,即单位体积中的粒子数。④各种粒子的温度。如果电子和离子的温度相等,称为平衡态等离子体;反之,是非平衡态等离子体。⑤等离子体所处的环境,如电场强度磁场强度、电极结构、气流、放电容器等。⑥各种因素的作用时间。
人工等离子体的温度大约为103~108开,电子数密度约为108~1021/厘米3,电流为毫安~兆安数量级,气体压力为百帕~百千帕,放电频率从直流到微波,这些参量决定了等离子体的不同应用。主要有高温等离子体应用、热等离子体应用、冷等离子体应用三大类。
高温等离子体应用 高温等离子体的温度为 102~104电子伏(1电子伏相当于 1.1×104开)。它主要用于热核聚变发电。典型的聚变反应为
①为氘-氘(D-D)反应,②为氘-氚(D-T)反应。由聚变反应产生的粒子具有很高的能量,将这种能量转化为热能可用于发电。核聚变发电具有清洁、价廉的优点。尤为重要的是,其燃料氘来源于海水,全世界氘的贮量可供人类享用百亿年,这是任何其他能源都无法与之相比的。
为了实现热核聚变反应,等离子体必须要有很高的温度,才能使氘核具有足以克服氘核间的库仑排斥力的巨大动能;同时,它还必须有很高的粒子密度和足够长的约束时间。这样,氘核之间才得以发生充分的核反应,放出足够的能量。由于热核聚变反应堆本身有一定的能量损失,因而,要实现聚变反应,需首先求得整个系统不耗电情况下维持运行的条件,即得失相当的条件,通常称为劳孙判据。
对氘-氘反应 T≥50keV nτ≥1015s/cm3
对氘-氚反应 T≥10keV nτ≥6×1013s/cm3
其中T为等离子体温度,n为等离子体中氘核的密度,τ为等离子体约束时间。
20世纪80年代,热核聚变主要采用磁约束和惯性约束两种方法来达到上述条件。
磁约束  由于热核聚变反应的等离子体温度极高,常规的容器都无法耐受,并将造成很大的热能损失。利用强磁场把高温等离子体约束在一定空间内,使之与容器壁隔开,维持其高温和高密度状态。属于磁约束方法的聚变反应装置有托卡马克(见图)、磁镜、仿星器等,其中托卡马克装置上的试验数据最接近劳孙条件。它有一个类似于变压器的铁心,原边为一线圈,副边就是放电室中的等离子体。当原边线圈通过电流时,等离子体中产生很大电流,以加热等离子体。沿环形放电室设置了许多同轴线圈以约束高温等离子体,使之持续稳定地运行一定时间。

惯性约束

利用强激光束或粒子束轰击毫米量级的氘-氚(DT)靶丸,在纳秒级的短时间内,由于惯性的作用,在靶丸还来不及扩散时就被加热到很高温度、压缩到很高密度从而引起热核聚变反应。研究人员正朝实现劳孙判据的条件努力。

热等离子体应用

热等离子体的温度为0.1~4电子伏,电流为1~100安及以上。这类等离子体处于热平衡态,电弧、等离子体炬属于这一类。主要用于难熔金属冶炼、机加工等。
热等离子体发生装置  可采用直流、交流或射频电源。图1为几种不同装置示意。图1a中,同轴旋转的气流吹入气室,在水冷的正极(+)和负极(-)之间形成电弧。温度为8000~30000开,功率为20~75千瓦,热效率为55~85%。由于电极的烧蚀,这种装置的运行时间不长,约 100小时。如果需要向工件(需熔化的金属)输入更多的能量,可以用图1b的方式,用工件本身作正极。图1c结构可用于陶瓷的熔解。由辅助直流炬喷出气流,再由同轴三相交流电对等离子体继续加热。热等离子体射流进入旋转离心炉,与壁材料相互作用,使其熔化。图1d是高频 (0.5~15兆赫)无电极的等离子体装置。电能通过线圈耦合到等离子体。它的优点是可以加热各种气体(包括活性的或腐蚀性的气体),进入化学反应的杂质少,热电转换效率高。但是比较贵。

加工方式编辑

热等离子体与工件相互作用的方式有几种。其中的一种如图2a所示。这种加工方式所用的是比较老式的等离子体炉,上面产生的等离子体弧直接作用在下面的工件上,使它熔化,进行化学反应。另外的加工方式如图2b、2c所示。图2b中,气体(Ar或H2等)由喷嘴射出,在二电极间产生高温等离子体。中部输入的固体原料在高温等离子体内熔化,沿落管形成液体膜,并进行反应,产品最后流入下面的容器内。用此法还原氧化铁为铁的反应器,其功率约100千瓦,最大能到 1兆瓦。图2c是扩展的加工等离子体,等离子体炬按圆环旋转,等离子体向下运动时形成锥形,固体原料由上部输入,在等离子体中螺旋运动时进行反应。等离子体的旋转可以用机械的或电磁的方法实现。后者的等离子体轨道速度可达2000~9000转/分,已在使用的功率约为100千瓦。

主要应用编辑

热等离子体主要用于以下 3方面。①等离子体冶炼:用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的锆 (Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属;还用于简化工艺过程,例如直接从ZrCl4、MoS2、Ta2O5和TiCl4中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti;用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末,如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末。 等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好,可免除容器材料的污染。②等离子体喷涂:许多设备的部件应能耐磨、耐腐蚀、抗高温,为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化,并喷涂到基体(部件)上,使之迅速冷却、固化,形成接近网状结构的表层,这可大大提高喷涂质量。③等离子体焊接:可用以焊接钢、合金钢;铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整,可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金,切割厚度大。

冷等离子体应用

冷等离子体的电子温度比离子温度高,分别为10电子伏及以下和室温,主要用于化学合成、材料表面改性和大规模集成电路的刻蚀。

冷等离子体发生装置

采用直流、交流、射频及微波电源。图3为几种装置示意。图3a是渗氮或渗碳装置,气体(N2或CH4等)在等离子体中分解、电离,产生的氮或碳离子轰击工件(基体),渗入表面,形成硬壳层。图3b是等离子体气相沉积装置,反应气体在等离子体中分解、电离,并进行化学反应,再沉积在基体上并聚合或完成其他反应,形成膜。图3c是一种微波装置,它可通过传动机构使工件在等离子体中连续移动,能作大面积的表面加工或沉积。

等离子体合成

等离子体可促使有机及无机化合物进行各种反应。①由氢化合物、 挥发性卤化合物、 氟碳化合物、氟氮化合物生成相应的高分子化合物。如由SiH4、B5H9分别制成Si2H6或Si3H8及B10H16;由SiCl4、GeCl4、BCl3分别合成为、Ge2Cl6、B2Cl4;由CF4生成C2F4、C2F6、C3F6、C3F8,合成NF2、NF3、N2F2、N2F4等。② 通过分子异构化,得到不同分子结构。 如 CH3·CH2·CH2·Cl成为CH3·CHCl·CH3;2萘基甲醚成为1甲基-2萘酚。③将原子或小分子从原分子中脱除出来。由这过程可得到多种环产物或杂环结构。④双分子反应。如用苯组成联苯或联三苯。醚可以组成多种饱和烃及未饱和烃。

等离子体聚合反应

在适合的条件下,差不多所有有机化合物都能通过等离子体进行聚合。一般用光化学或自由基引发的气相聚合只限于乙烯基的有机化合物。除非单体分子含有“极化团”,也只能得到低分子量的聚合物,如苯乙烯、丙烯腈、甲异丙醇酮等在气相中都不能聚合,除非它们先经过光敏化。相反地,等离子体聚合则不限于乙烯基类的单体,它包括普通方法不能聚合的一些单体分子。①等离子体聚合饱和的脂肪族烃。电子碰撞单体分子,产生活性粒子,主要是自由基,其次是离子及被激励的分子。它们彼此之间或与中性分子相互作用,形成聚合物。等离子体聚合饱和烃的沉积率(Rp)经验公式是
Rq=K1pP2exp【-(K2p+K3F1/2)】
式中P为输入功率,p为气压,F为单位流量,K为常数。②等离子体聚合芳香族烃。在苯的射频等离子体中主要的活性粒子是H、C2H,其次是C6H5、C6H4。而在微波放电中则是CH及C2、C2H。由CH及C2H自由基形成。它们与在相邻链上的自由键结合,得到聚合物交链。改变等离子体的输入功率W与气压p的比值,聚合物的性质可以有很大差别。③等离子体聚合未饱和烃。电子与乙烯碰撞产生原子氢,这些原子氢和乙烯、乙烷基、乙炔等相互作用,得到乙烷基、甲基、乙烯基等自由基,这些自由基的反应可以得到更大的自由基,生长气相的聚合。如果聚合过程中加载气(如氢或氮),将增加聚合物的沉积率。载气氮能将乙炔沉积率由 400提高到1500(埃/分)。但对乙烯的沉积率则不如此明显。乙烯的聚合物可以呈油状、固体或膜,随气压、单体分子流量及输入功率而定。④等离子体聚合乙烯基单体。正的单体离子与单体分子结合,生长成长链聚合物或者进行交链,接枝聚合。其他乙烯基单体的射频等离子体,如氯乙烯、氟乙烯、异丁烯酸甲酯及偏二氯乙烯,上述过程也适用。卤化烃的聚合率比简单的烃大,例如氯乙烯的聚合物形成率为160(埃/分),而乙烯的形成率为4(埃/分)。输入功率对聚合过程也有影响。例如苯乙烯的聚合,输入功率为8瓦时,沉积率及单体转化分别为0.019(克/小时)及30~35%;功率增到36瓦时,该参数分别提高到0.057及100%。

等离子体表面工艺编辑

主要用于以下两方面。
①等离子体表面处理:为了提高刀具、模具等的性能,可以用等离子体对金属表面进行氮、碳、硼或碳氮的渗透。这种方法的特点是,不是在表面加一覆盖层,而是改变基体表面的材料结构及其性能。处理过程中,工件温度比较低,不使工件变形,这对精密的部件很重要。这一方法可以应用于各种金属基体,主要有辉光放电渗氮,氮碳共渗,渗硼。
②等离子体在电子工业中的应用:大规模集成电路片心的生产工艺,过去采用化学方式,采用等离子体方法代替之后,不仅降低了工艺过程中的温度,还因将涂胶、显影、刻蚀、除胶等化学湿法改为等离子体干法,使工艺更简单,便于实现自动化,提高成品率。等离子体方法加工的片心分辨率及保真度都高,对提高集成度及可靠性均有利。

等离子体沉积薄膜

用等离子体聚合介质膜可保护电子元件,用等离子体沉积导电膜可保护电子电路及设备免遭静电荷积累而引起损坏,用等离子体沉积薄膜还可以制造电容器元件。在电子工业、化学工业、光学等方面有许多应用。①等离子体沉积硅化合物。用SiH4+N2O〔或Si(OC2H4)+O2〕,制成SiOxHy。气压1~5托(1托≈133帕),电源13.5兆赫。氮化硅沉积用SiH4+SiH3+N2。温度300℃,沉积率约180埃/分。非晶碳化硅膜由硅烷加含碳的共反应剂得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,用等离子体沉积一层薄聚合膜,制成选择性的渗透膜及反渗透膜,可用于分离混合气中的气体,分离离子与水。也可以组合超薄膜层,以适应不同的选择性,如分子大小,可溶性,离子亲合性,扩散性等。在碳酸盐-硅共聚物基片上,用一般方法沉积0.5毫米薄膜,氢/甲烷的渗透性比为0.85,甲烷的渗透性比氢的高。若用等离子体在基片上沉积苯甲氰单体,这一比值增为33,分离作用大为提高。反渗透膜可用于海水脱盐。在水流量低于一定阈值时,排盐效果才好。烯烃族、杂芳香族及芳香胺等的聚合膜具有满意的反渗透性。②等离子体沉积膜可用于光学元件,如消反射膜,抗潮、抗磨损等薄膜。在集成光学中,用等离子体可以按照所需的折射率沉积上稳定的膜,用于联接光路中各元件。这种膜的光损失为0.04分贝/厘米。

等离子体用于材料表面改性

主要有以下几个方面:①改变润湿性(又称浸润性)。一些有机化合物表面的润湿性对颜料、墨、粘结剂等的粘结性,对于材料表面的闪络电压及表面漏泄电流等电性能,都有很大的影响。衡量润湿性的量称为接触角。表1中列出一些材料的不同处理对接触角的影响。②增强粘附性。用等离子体活化气体处理一些聚合物及金属之后,可使材料与粘附剂的结合强度得到加强。原因可以是聚合物表面的交联加强了边界层的粘附力;或是等离子体处理过程中引入了偶极子而提高了聚合物表面粘附强度;也可能是等离子体处理消除了聚合物表面的污层,改善了粘附条件。电晕处理也有同样效果。表2列出一些聚合物与金属粘附的结果,等离子体处理的效果明显。③强化聚合物与聚合物的粘附。例如玻璃丝加强的环氧树脂用氦等离子体处理后,与硫化橡胶的粘附增强233%。聚酯轮胎线经过等离子体处理(如NH3)后,与橡胶的粘附强度提高8.4倍。

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