等離子體及其應(yīng)用

1、 固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C密度(cm-3)溫度(度)太陽核心 磁約束聚 變霓虹燈 北極光 火 焰閃電日冕 氫彈星際空間熒光氣體氣體液液 體體固固 體體人類居住環(huán)境慣性聚變星 云太陽風(fēng)屏蔽層厚度：德拜長度屏蔽層厚度：德拜長度 l lD特征響應(yīng)時間：特征響應(yīng)時間：t tp l lD/vT1/w wp 1.1.等離子體在軍事方面的應(yīng)用等離子體在軍事方面的應(yīng)用（1）.等離子武器等離子武器（2）.隱隱 形形 武武 器器 超高頻電磁波束在高空中超高頻電磁波束在高空中聚焦，焦點(diǎn)處會形成等離子體聚焦，焦點(diǎn)處會形成等離子體云團(tuán)，飛行物體一旦撞入等離云團(tuán)，飛行

2、物體一旦撞入等離子體云團(tuán)中，都會偏離飛行軌子體云團(tuán)中，都會偏離飛行軌道而墜毀。道而墜毀。 等離子體能夠?qū)椎入x子體能夠?qū)走_(dá)波產(chǎn)生吸收或折射，達(dá)波產(chǎn)生吸收或折射，又能進(jìn)行電子干擾和造又能進(jìn)行電子干擾和造成頻譜離散與交叉調(diào)制，成頻譜離散與交叉調(diào)制，不利于雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。不利于雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。2.2.等離子顯示器等離子顯示器1939 世界第一臺電視問世世界第一臺電視問世1972 日本開始研究日本開始研究plasma顯示器顯示器1989 富士通推出世界第一部大量生產(chǎn)的富士通推出世界第一部大量生產(chǎn)的20寸等離子屏寸等離子屏1964 Philips發(fā)明單色發(fā)明單色DC型顯示器型顯示器等離子顯示屏結(jié)構(gòu)等離子顯

3、示屏結(jié)構(gòu) 3.3.等離子體的其他工業(yè)應(yīng)用等離子體的其他工業(yè)應(yīng)用集成電路集成電路 ( (芯片芯片) )等離子體刻蝕等離子體刻蝕等離子清洗等離子清洗等離子氣相沉積等離子氣相沉積等離子注入等離子注入等離子噴涂、切割、焊接等離子噴涂、切割、焊接等離子點(diǎn)火等離子點(diǎn)火等離子冶金等離子冶金等離子束表面冶金（熔覆）等離子束表面冶金（熔覆）等離子體刻蝕技術(shù)等離子體刻蝕技術(shù)(1) 超大規(guī)模集成電路的制備超大規(guī)模集成電路的制備(2)微電機(jī)系統(tǒng)微電機(jī)系統(tǒng) (MEMS) 的制備的制備MEMS在汽車工業(yè)中的應(yīng)用在汽車工業(yè)中的應(yīng)用MEMS在人體醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用在人體醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用等等 離離 子子 清清 洗洗 金屬表面常常會有油脂

4、、油污等有機(jī)物及氧化層，在進(jìn)行金屬表面常常會有油脂、油污等有機(jī)物及氧化層，在進(jìn)行濺射、油漆、粘合、健合、焊接、銅焊和濺射、油漆、粘合、健合、焊接、銅焊和PVDPVD、CVDCVD涂覆前，涂覆前，需要用等離子處理來得到完全潔凈和無氧化層的表面。需要用等離子處理來得到完全潔凈和無氧化層的表面。 在在這種情況下的等離子處理會產(chǎn)生以下效果：這種情況下的等離子處理會產(chǎn)生以下效果：1. 灰化表面有機(jī)層灰化表面有機(jī)層污染物部分蒸發(fā)或在高能量離子的沖擊污染物部分蒸發(fā)或在高能量離子的沖擊下被擊碎并被真空帶出。另外，紫外輻下被擊碎并被真空帶出。另外，紫外輻射也可以破壞污染物。（射也可以破壞污染物。（等離子處理每等

5、離子處理每秒只能穿透幾個納米的厚度，所以污染秒只能穿透幾個納米的厚度，所以污染層不能太厚。）層不能太厚。） 2. 氧化物去除氧化物去除 金屬氧化物金屬氧化物會與處理氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：會與處理氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： 這種處理要采用氫氣或者氫氣與氬氣的混合物。有時也采用這種處理要采用氫氣或者氫氣與氬氣的混合物。有時也采用兩步處理工藝。第一步先用氧氣氧化表面兩步處理工藝。第一步先用氧氣氧化表面5 5分鐘，第二步用氫分鐘，第二步用氫氣和氬氣的混合物去除氧化層。也可以同時用幾種氣體進(jìn)行處氣和氬氣的混合物去除氧化層。也可以同時用幾種氣體進(jìn)行處理。理。應(yīng)用：等離子清洗機(jī)應(yīng)用：等離子清洗機(jī) 等離子對印刷電路板是干

6、法清洗，是所有清洗方法中等離子對印刷電路板是干法清洗，是所有清洗方法中最為徹底的剝離式的清洗。等離子清洗利用電能催化化學(xué)最為徹底的剝離式的清洗。等離子清洗利用電能催化化學(xué)反應(yīng)，可在低溫環(huán)境下工作并且無污染排放。反應(yīng)，可在低溫環(huán)境下工作并且無污染排放。 傳統(tǒng)的離子注入技術(shù)傳統(tǒng)的離子注入技術(shù)缺陷：有 “視線”效應(yīng)，效率低，僅適用于簡單形狀工件。Plasma source引出系統(tǒng)引出系統(tǒng)離子束離子束工件工件 等離子體等離子體離子流離子流鞘層鞘層 等離子體源離子注入等離子體源離子注入(PSII)(PSII)示意圖示意圖 克服了視線限制，適用于幾何形狀復(fù)雜、克服了視線限制，適用于幾何形狀復(fù)雜、尺寸較大的

7、零件，且在每一脈沖注入過程中尺寸較大的零件，且在每一脈沖注入過程中包含著注入、濺射和沉積多元過程，根據(jù)需包含著注入、濺射和沉積多元過程，根據(jù)需要控制適當(dāng)?shù)墓に嚄l件可同時全方位地注入要控制適當(dāng)?shù)墓に嚄l件可同時全方位地注入多種元素，并控制注入元素的濃度分布和注多種元素，并控制注入元素的濃度分布和注入深度，形成所需要的過飽和固溶體、亞穩(wěn)入深度，形成所需要的過飽和固溶體、亞穩(wěn)相和各種平衡相，以及一般冶煉方法無法獲相和各種平衡相，以及一般冶煉方法無法獲得的合金相和金屬間化合物，可直接獲得馬得的合金相和金屬間化合物，可直接獲得馬氏體硬化表面，得到所需要的表面結(jié)構(gòu)和性氏體硬化表面，得到所需要的表面結(jié)構(gòu)和性能

8、。能。 等離子氣相沉積金剛石等離子氣相沉積金剛石1. 金剛石的性質(zhì)及用途金剛石的性質(zhì)及用途 金剛石具有許多優(yōu)異的力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和金剛石具有許多優(yōu)異的力學(xué)、聲學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)，硬度在自然界中最高（光學(xué)等性質(zhì)，硬度在自然界中最高（10000kg/ mm2），），彈性模量最高，比鋼高彈性模量最高，比鋼高57倍，是制作表面壓力傳感器倍，是制作表面壓力傳感器的理想材料。的理想材料。 有很高的折射率和強(qiáng)的散光性（鉆石）。有很高的折射率和強(qiáng)的散光性（鉆石）。 最吸引人的光學(xué)應(yīng)用是制作高超音速飛行導(dǎo)彈和攔最吸引人的光學(xué)應(yīng)用是制作高超音速飛行導(dǎo)彈和攔截器的頭罩和紅外焦平面列陣成像裝置窗口。截器

9、的頭罩和紅外焦平面列陣成像裝置窗口。 天然金剛石儲量稀少，價(jià)格昂貴！所以人工合成一天然金剛石儲量稀少，價(jià)格昂貴！所以人工合成一直是材料學(xué)者追求的夢想。直是材料學(xué)者追求的夢想。 機(jī)械級CVD金剛石膜熱學(xué)級CVD金剛石膜等離子噴涂等離子噴涂噴涂輥套（氧化鋁）用于煉油廠，耐高溫磨損 在氧化鋁薄板上噴涂氧化鋯，用于半導(dǎo)體陶瓷器件的高溫?zé)Y(jié)支撐板等等 離離 子子 焊焊 接接 等離子焊是由等離子焊是由TIGTIG焊發(fā)展而來，并于焊發(fā)展而來，并于19551955年由年由SAFSAF首次獲得首次獲得專利。專利。 基本原理是：等離子射流穿過整個焊縫并形成顯著的小孔基本原理是：等離子射流穿過整個焊縫并形成顯著的小

10、孔效應(yīng)，小孔隨電弧的前移而閉合。效應(yīng)，小孔隨電弧的前移而閉合。 等離子焊可焊接比等離子焊可焊接比TIGTIG焊更厚的鋼板在操作技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益焊更厚的鋼板在操作技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益兩方面都有不容置疑的優(yōu)點(diǎn)。兩方面都有不容置疑的優(yōu)點(diǎn)。 等離子束表面冶金的市場背景煤炭、石油機(jī)械工作條件惡劣。刮板輸送機(jī)-采煤工作面總長100萬米刮板機(jī)總重約100萬噸平均壽命310個月維修更換停產(chǎn)損失140億元/年 圖1 煤礦井下采煤工作狀況螺旋滾筒采煤機(jī)螺旋滾筒采煤機(jī) 刮板輸送機(jī)刮板輸送機(jī)圖2 堆積如山的磨損失效中部槽中部槽年消耗鋼材價(jià)值70億元采煤機(jī)截齒年消耗價(jià)值10億元 因此研發(fā)新型的表面處理技術(shù)勢在必行國外采用高合金

11、耐磨蝕加厚材料、激光熔覆，壽命長，但成本高，不適合我國國情。低合金結(jié)構(gòu)鋼，無表面處理，成本低，但壽命低。國內(nèi) 大型刮板機(jī)、高性能截齒長期依賴進(jìn)口 熱噴涂、電鍍等無法獲得高耐磨、強(qiáng)結(jié)合、耐沖擊涂層 技術(shù)關(guān)鍵 1 形成環(huán)狀負(fù)壓等形成環(huán)狀負(fù)壓等離子束，減少粉末離子束，減少粉末材料在等離子射流材料在等離子射流中的速度差異，并中的速度差異，并減少粉末散失。減少粉末散失。 基體基體保護(hù)氣保護(hù)氣等離子束等離子束粉末粉末圖3 同步注入粉末等離子束示意圖 等離子發(fā)生器噴嘴周圍增加均壓環(huán)槽，獲得柔性等離子束，減小沖刷力，防止合金氧化，穩(wěn)定弧柱。圖11 高穩(wěn)定柔性等離子發(fā)生器剖視圖 均壓環(huán)槽均壓環(huán)槽基基 材材涂層涂

12、層等離子束流等離子束流冷卻水冷卻水 離子氣離子氣保護(hù)氣粉末粉末陰極陰極 直流電源直流電源技術(shù)關(guān)鍵 2 設(shè)計(jì)高放熱原位反應(yīng)體系，通過添加B、Si、Re等元素，降低熔體粘度，提高流動性。Ni+AlNiAlFe+AlFeAl Ni+Al+TiO2+B2O3NiAl+ +TiB2+5Al2O3Fe+Al+TiO2+B2O3FeAl+ +TiB2+5Al2O3Fe+Al+Cr2O3Fe +Cr+ FeAl+ Al2O3 FeAl-TiB2-Al2O3涂層顯微組織形貌 FeAl-TiB2-Al2O3涂層磨粒磨損后的形貌 等離子原位冶金FeAl-TiB2-Al2O3涂層具有優(yōu)異的室溫濕磨粒磨損耐磨性，且具有

13、良好的載荷特性。 磨損失重隨載荷變化關(guān)系曲線60801001201401601800.020.040.060.080.100.120.140.160.180.200.22Weight Loss (g)Load (N)Fe-Al-TiO2-B2O3Fe-Cr-Ni-Nb-Si-B-C淬火45#16Mn腐蝕時間腐蝕時間(h)累累積積失失重重量量(mg)(mg) 等離子原位冶金FeAl-TiB2- Al2O3涂層與1Cr18Ni9Ti 鹽霧腐蝕失重曲線 等離子原位冶金FeAl-TiB2- Al2O3 涂層與1Cr18Ni9Ti 在海水中的 極化曲線累累積積失失重重量量(mg) ) 累積時間累積時間(

14、h) 等離子原位冶金FeAl-TiB2-Al2O3涂層 與0Cr13Ni6Mo空蝕失重曲線等離子束表面冶金設(shè)備開發(fā)等離子束表面冶金設(shè)備開發(fā) DRF-1型等離子熔覆復(fù)合耐磨板設(shè)備 該設(shè)備不僅用于新中部槽的耐磨處理，也應(yīng)用于舊中部槽、機(jī)頭機(jī)尾修復(fù)，在使用時僅磨損涂層，保護(hù)基體，實(shí)現(xiàn)中部槽循環(huán)修復(fù)再制造，節(jié)約大量鋼材。 該技術(shù)修復(fù)再制造的中部槽，過煤量超過進(jìn)口中部槽，成本僅為10%，性價(jià)比高，正逐步替代進(jìn)口耐磨合金鋼中部槽。應(yīng)用效果：滾筒滾筒截齒截齒圖圖1.1螺旋滾筒式采煤機(jī)螺旋滾筒式采煤機(jī)Fig 1.1 Spiral drum shearer DRF-3型截齒等離子 強(qiáng)化專用數(shù)控設(shè)備 （2）采煤機(jī)截齒等離子強(qiáng)化專用設(shè)備與等離子強(qiáng)化截齒 等離子強(qiáng)化無火花截齒 截齒齒體表面形成金屬陶瓷涂層，使用壽命比國內(nèi)同類產(chǎn)品提高2倍，達(dá)到國外名牌產(chǎn)品指標(biāo)，但價(jià)格比進(jìn)口產(chǎn)品降低20%，性價(jià)比高。 新型采煤機(jī)截齒成套生產(chǎn)線應(yīng)用效果 填補(bǔ)了國內(nèi)外表面工程技術(shù)領(lǐng)域高效制備超厚耐磨填補(bǔ)了國內(nèi)外表面工程技術(shù)領(lǐng)域高效制備超厚耐磨 冶金結(jié)合涂層的技術(shù)空