什么是等離子體處理

等離子體的獨特性能使其成為一種功能非常強大的工業制造和加工手段。等離子體的獨特作用是基于下列等離子體環境中的各種效應而言的。

(1)等離子體中存在大量從電場獲取能量的電子。

(2)等離子體中的電子動能轉化為空間電荷的電場和熱能。

(3)等離子體邊界處存在電場較強的鞘層區域,帶電粒子在該區域內將被加速。

(4)等離子體中的中性原子和分子受到高能電子和離子的碰撞,會變成帶電的自由基粒子。

(5)等離子體中的高能粒子與材料相互作用,導致材料表面發生濺射和蒸發,而釋放出相關組元的粒子。

(6)等離子體產生過程中的高能輻射是由原子躍遷或與電磁場的相互作用產生的。

實驗證明,在一個等離子體發生器中,這幾種效應往往同時存在,在這些效應的共同作用下,引發了很多現象,因此很難分析出引發這些現象的具體原因,這就是人們認為的繁學。但是目前這種情況正在改變,等離子體技術是一種應用科學,如果想要進一步改進等離子體工藝,就必須認識等離子體工藝的科學原理,因為認識一個過程背后的科學原理才是改進改過程至關重要的依據。

優化和加強等離子體的放電參數后,可使其適用于某種特殊的應用上。例如,對聚變等離子體而言,需要對它的粒子溫度升至上億度,它是一種雜質含量最少的等離子體,產生時要求一種強約束;而對磁流體(MHD)等離子體而言,要求它的流速和電導率都很高。同理,對于用于材料處理和加工手段的等離子體,需要對其放電參數進行控制和優化。

用于材料加工和制造的等離子體的相關物理過程包括:

(1)將電能轉化為工作氣體加熱和電離的能量。

(2)形成產生化學反應所需的基團和活性。

(3)動能、動量或質量被傳輸到處理區域或邊界區域,包括傳輸到電極上。

(4)在恰當的時候停止或終止反應,移走產物。

用于材料處理的等離子體,在許多方面不同于其他等離子體。首先,這種等離子體在與材料相互作用時,沒有條件限制的要求。對材料的處理效果是由沉積到材料表面的、帶有能量的各種粒子的通量決定的。這些粒子的能量分布是不平衡的,這意味著這種等離子體將賦有非平衡等離子體中粒子形成和消失的特點和某些特性。其次,在這種等離子體中存在電離放電的粒子成分,這些粒子會對原子的物理和化學過程產生重要影響。

等離子體與材料之間的相互作用,以及等離子體參數和氣體參數之間的關系相當復雜。反應器的功能主要由等離子體的產生技術、氣相化學反應以及材料表面的相互作用決定。這幾張技術都需要用到等離子體技術和材料科學。反應器的工作參數由初始條件、邊界以及氣體成分、壓力、速率、功率等輸入參數組成,此外還包括不同粒子間以及粒子與邊界間相互作用的參數,如橫截面、速率和傳遞系數以及發射、反射和黏性系數等。此外,在處理過程中,由于實際的空間尺寸和時間尺度的差異,等離子體的分布隨空間和時間而變通常是不均勻的。

等離子表面處理

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