机械专业

特种加工论文二(2007-06-2821:27:49)转载等离子技术及其应用摘要通过对等离子体的基本概念、分类和人工产生方法三个方面的介绍，在了解等离子的基础上，介绍了等离子射流喷涂、等离子显示技术、低温等离子治疗系统和等离子清洗技术，深入说明等离子技术在生活中的广泛应用。关键字等离子体等离子体产生法等离子射流喷涂等离子显示技术低温等离子治疗等离子清洗引言等离子技术是一个新兴的领域，该领域结合等离子物理、等离子化学和气固相界面的化学反应，此为典型的高科技产业，需跨多种领域，包括化工、材料和电机，因此将极具挑战性，也充满机会，由于半导体和光电材料在未来得快速成长，此方面应用需求将越来越大。一、概述所谓等离子体，就电气技术而言，它指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质。等离子体包括有，几乎相同数量的自由电子和阳极电子。在一个等离子中，其中的粒子已从核心粒子中分离了出来。因此，当一个等离子包括大量的离子和电子，从而是电的最佳导体，而且它会受到磁场的影响，当温度高时，电子便会从核心粒子中分离出来了。1等离子体的分类1.1根据低温和高温可分为高温等离子体和低温等离子体两类。在等离子体中，不同微粒的温度实际上是不同的，所具有的温度是与微粒的动能即运动速度质量有关，把等离子体中存在的离子的温度用Ti表示，电子的温度用Te表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表示，对于Te大大高于Ti和Tn的场合，即低压体气的场合，此时气体的压力只有几百个帕斯卡，当采用直流电压或高频电压做电场时，由于电子本身的质量很小，在电池中容易得到加快，从而可获得平均可达数电子伏特的高能量，对于电子，此能量的对应温度为几万度（K），而弟子由于质量较大，很难被电场加速，因此温度仅几千度。由于气体粒子温度较低（具有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大大增加，各种微粒的温度基本相同，即Te基本与Ti及Tn相同，我们把这种条件下得到的等离子体称为高温等离子体，太阳就是自然界中的高温等离子体。1.2根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不同，可分为不活泼气体等离子体和活泼气体等离子体两类。不活泼气体如氩气（Ar）、氮气（N2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活泼气体如氧气（O2）、氢气（H2）等，不同类型的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体的等离子体具有更强的化学反应活性，这将在后面结合具体应用实例介绍。2等离子体的人工产生法2.1感应偶合式等离子体产生法（ICP）感应偶合式等离子体（Inductively－Couplede－Plasma，ICP）的工作原理，就是在线圈上加上一个高频电源，当线圈上的电流改变时，就可由“安培定律”知道，当感应产生一变动磁场，同时可由“法拉第定律”知道此变动之磁场会感应出一个反应方向的电场，此电场会加速等离子体中的电子而形成一线圈电流相反的二次电流。并且随着与加于线圈上的电流不断改变，而感应出的电场也不断改变，这不断改变电场与平板式高调波等离子体一样能用来加速电子以维持等离子体，所不同的是电场与电极方向不同。在平板式高调波等离子体中电子受电场影响而运动方向垂直于电极，所以会有许多电子逃离等离子体跑到电极上，使能量消耗在加热电极上，而在感应偶合式等离子中，电子受感应电场的影响而使运动方向与电极平行，因此不会有太多的电子损耗在电极上，固可以维持线圈周围相当高的电子密度。ICP的主要优点有：a等离子体密度高、解离率高，能够在相当大的压力范围上保持高密度等离子体。b平板式ICP可大面积操作。cICP等离子体中的电子温度低、离子动能低、等离子体电位低。d等离子体密度及离子转击基板的动能可分开控制。e设备简单。而其唯一的缺点是，线圈电极可能被离子打出而污染镀膜品质。一般改善的方法有：a将线圈电极的一端接地以降低线圈电极之电位，即减少电容效应。b并联一直流电压以防止离子转击。c可使用法拉第屏蔽（Faraday'sshielding）以消除电容效应。d将线圈以介电材料被覆（coating）以降低等离子体电位。2.2阴极等离子体产生法（HCF）在一金属管装物，可为圆形、方形、椭圆形或其他形状，在外加一高调波在此管状物上，会产生一个自我偏压，故造成整支管子都是带一偏压，这使得电子无论是往哪一方向作运动，都会被排斥，所以，电子在管内会作来回振荡的运动，固电子在碰撞到电极板前，能走更长的距离，这就是表示电子会有更多的机会或几率与中性气体原子产生碰撞，从而产生等离子体。2.3电子回旋共振电浆产生法（ECR）此为微波（Microwave）与磁场共同组合的一种等离子体产生法，电子在磁场中会作旋转的运动，当磁场强度越来越强时，电子旋转的速度会越快，在磁场强度为875GA/m时，电子旋转的频率为2.45G赫兹，此频率恰巧为微波的频率，因频率相近而产生共振，此共振现象就有利于电子吸收微波的能量，因拥有较高能量的电子，这将有助于等离子体的产生。二、等离子技术的应用1等离子技术在机械行业上的应用，以等离子射流喷涂为例。等离子射流喷涂是采用直流压缩电弧将氩氢或氮氢气体电离,产生电荷量相等的电子和离子束流。当束流内电子和离子再度复合时，放出巨大热能。由此产生的高温高速喷射焰流，能将各种金属、非金属、金属陶瓷、陶瓷粉末迅速熔化，并以极高的速度喷涂在工件表面，形成涂层。由于喷涂材料不同，性能各异。这些涂层一般具有耐磨、耐热、抗腐蚀、抗高温氧化、隔热等特点。有些涂层还具有导电、绝缘以及机械密封或间隙控制等功能。当然喷涂层亦可用于旧件的修复翻新和尺寸增补，以挽救这些超差报废件。这门技术早先用于航空、航天、原子能等国防尖端部门。近二十年来已逐渐用于国民经济各个部门。随着步入改革开放年代，在引进的众多机械产品中已广泛采用此技术。给关键零件穿上理想的保护外衣，使设备的性能有较大提高。由于等离子射流具有温度高达万度，速度近似音速，气氛可控等优点，因此涂层的质量、密度以及粘结强度、硬度等比起普通火焰喷涂层有很大的优势，涂层比电镀层、电刷涂层、渗碳层、渗氮层更厚、更硬、更防腐。为提高涂层表面粗糙度和尺寸配合精度，涂层可以用车削或磨削加工。合理的涂层厚度一般应控制在0.2mm左右。等离子束流的高温用于熔化喷涂材料不会影响基体材料的金相组织和机械性能。喷涂层一般较薄，加工余量少。这一点比起喷焊、堆焊、电焊更优，更经济，生产效率更高。对旧件的喷涂修复不需要对原件进行测绘、翻砂铸造、加工成形。现在等离子喷涂技术已广泛运用于各行业的关键设备，如：化纤机械设备的关键零件罗拉、牵伸辊、槽筒、导丝筒、导丝钩等；轧钢机械中的迷宫环和机械密封环等；石油机械中的柱塞、衬套、泵壳等；汽车零件中的同步齿环、拨叉和活塞环等；锅炉电站设备中的透平机叶片、烟机叶片；造纸、印刷设备等。这大大延长了设备的使用寿命，给企业带来可观的经济效益。2等离子在电子行业上的应用，最常见的就是等离子显示技术，如等离子显示器。近几年来等离子平面屏幕技术支持下的PDP真可谓是如日中天，它是未来真正平面电视的最佳候选者。（PDP的全称是PlasmaDisplayPanel，中文叫等离子显示器，它是在两张超薄的玻璃板之间注入混合气体，并施加电压利用荧光粉发光成像的设备。）其实等离子显示技术并非近年才有的新技术，早在1964年美国伊利诺斯大学就成功研制出了等离子显示平板，但那时等离子显示器为单色。现在等离子平面屏幕技术为最新技术，而且它是高质图象和大纯平屏幕的最佳选择。大纯平屏幕可以在任何环境下看电视，等离子面板拥有一系列象素，同时这些象素又包含有三种次级象素，它们分别呈红、绿色、蓝色。在等离子状态下的气体能与每个次象素里的磷光体反应，从而能产生红、绿或蓝色。这种磷光体与用在阴极射线管(CRT)装置(如电视机和普通电脑显示器)中的磷光体是一样的，你可以由此而得到你所期望的丰富有动态的颜色，每种由一个先进的电子元件控制的次象素能产生16亿种不同的颜色，所有的这些意味着你能在约不到6英寸厚的显示屏上更容易看到最佳画面。等离子显示器的特点是，等离子是一种自发光显示技术，不需要背景光源，因此没有LCD显示器的视角和亮度均匀性问题，而且实现了较高的亮度和对比度。而三基色共用同一个等离子管的设计也使其避免了聚焦和汇聚问题，可以实现非常清晰的图像。与CRT和LCD显示技术相比，等离子的屏幕越大，图像的色深和保真度越高。除了亮度、对比度和可视角度优势外，等离子技术也避免了LCD技术中的响应时间问题，而这些特点正是动态视频显示中至关重要的因素。因此从目前的技术水平看，等离子显示技术在动态视频显示领域的优势更加明显，更加适合作为家庭影院和大屏幕显示终端使用。等离子显示器无扫描线扫描，因此图像清晰稳定无闪烁，不会导致眼睛疲劳。等离子也无X射线辐射。由于这些突出特点，等离子堪称真正意义上的绿色环保显示产品，是替代传统CRT彩电的理想产品。3等离子在医学领域的应用，如近年来在国外耳鼻咽喉科领域已经广泛应用，临床效果也非常好的低温等离子手术系统。低温等离子治疗的基本原理是低温消融（英文称Temperature-controlledRadiofrequency，TRC或者称：Coblation)，即利用低温等离子射频的能量,以较低的温度（60～70℃左右）来进行组织的切除，从而减轻组织的损伤，并能大大减轻病人的痛苦和缩短康复的周期。传统的激光，采用发热方式来消融或切割组织。大量的能量被释放进组织引起组织结构在高温下爆裂，且有深度热渗透作用，对组织的直接和间接损伤都较大，病人的痛苦较明显。而低温消融技术是通过导电介质(盐)在电极周围形成的等离子体区内高度离子化了的粒子来粉碎组织内的有机分子的分子链，使分子与分子分离，定点消融，组织体积缩小，由于电流不直接流经组织，组织发热极少。数据显示：表面组织温度保持在40～70℃。既确保胶原蛋白分子螺旋结构皱缩，又保持了细胞的活力，加之热渗透小，所以无论是直接还是间接组织的损伤都非常小。同时，利用低温等离子体进行杀菌消毒能够替代常规杀菌消毒法。通过对该技术杀菌机理的分析,说明该技术具备短时、低温、应用广泛以及安全无害等优点。特别是在医疗卫生方面的应用，与传统技术相比，低温等离子体技术能够大大缓解食品杀菌消毒过程中能够有效地解决医疗器械不耐高温的问题及医用材料的生物相容性问题。4等离子在清洗方面的应用。等离子清洗的应用，起源于20世纪初，随着高科技产业的快速发展，其应用越来越广，目前已在众多高科技领域中，居于关键技术的地位，等离子清洗技术对产业经济和人类文明影响最大，首推电子资讯工业，尤其是半导体业与光电工业。等离子清洗已应用于各种电子元件的制造，可以确信，没有等离子清洗技术，就没有今日这么发达的电子、资讯和通讯产业。此外，等离子清洗技术也应用在光学工业、机械与航天工业、高分子工业、污染防治工业和量测工业上，而且是产品提升的关键技术，比如说光学元件的镀膜、延长模具或加工工具寿命的抗磨耗层，复合材料的中间层、织布或隐性镜片的表面处理、微感测器的制造，超微机械的加工技术、人工关节、骨骼或心脏瓣膜的抗摩耗层等皆需等离子技术的进步，才能开发完成。等离子清洗是利用等离子体内的各种具有高能量的物质和活化作用，将附着在物体表面的污垢彻底剥离去除。下面以氧气等离子体去除物体表面油脂污垢为例，说明这些作用，从分析可以看出，等离子体对油脂污垢的作用，类似于使油脂污垢发生燃烧反应，但不同之处是在低温情况下发生的“燃烧”。其基本原理是，氧气等离子体中的氧原子自由基、激发态的氧气分子、电子以及紫外线的共同作用下，油脂分子最终被氧化成水和二氧化碳分子，并从物体表面被清除。等离子体清除油污的过程可使有机大分子逐步降解，最终形成的是水和二氧化碳等小分子，这些小分子以气体形式被排除。等离子清洗的另一个特点是在清洗完成以后物体已被彻底干燥，经过等离子体处理的物体表面往往形成许多新的活性基因，使物体表面发生“活化”而改变性能，可以大大改善物体表面的润湿性能和黏着性能