等离子|等离子体|等离子体技术|等离子体的应用

等离子体技术简介

　　等离子体是物质的第四态，其来源于气态但又不同于气态，当气态物质升温到一定温度时，原子核外电子便会逃离原有轨道而成为自由电子，而逃离的电子和失去电子的原子核在数量上相等，使得整个体系的正电荷数与负电荷数相等，故称之为等离子体。由此而产生的等离子体的组分有原子、分子、离子、电子、光子、活性组分、激发态的粒子等。

　　获得等离子体的方法较多，有热电离、光电离、气体放电、辐射放电、冲击波等，常规产生方法主要有2种，即电晕放电和辉光放电.电晕放电是指在大气压力下，通过在电极间施加高强度电压而产生的弱电流放电，介质通常为空气;而辉光放电则是电场强度更高、气压低于大气压的高频低压放电，介质可以选用不同气体.

　　等离子体技术中Z明显的特点就是等离子体具有一定的化学反应特性。可以以一种不同于其他物质的第四状态存在，电子、正负离子、激发态原子、分子以及自由基等粒子等是组成等离子体的主要成分。在性能上表现为一种准中性非凝聚系统。

　　学术上对等离子体的分类方式有很多，按照温度来区分，可以分为热力学平衡态和非热力学平衡态等离子等离子体。热力平衡状态的等离子体所处于的环境较高，因此也可以称之为高温等离子体，相应的非热力学平衡状态的等离子体也被称为低温等离子体。

等离子体技术——生物医用材料应用

　　作为生物医用材料，除了要满足特定功能外，还必须具备生物相容性。生物相容性包括血液相容性和组织相容性两部分。前者表示材料与血液之间相互适应的程度，而后者反映材料与除了血液以外的其他组织之间相互适应的能力。大量实验表明，低温等离子体技术确实能有效地改善生物医用材料的血液相容性和组织相容性。

　　1、血液相容性

　　对植入生命体内的材料的一个重要的要求就是它能与血液相容而不会引起血凝结、毒性和免疫反应，这样的材料称为血液相容性材料。材料表面和血液接触后，首先是血浆蛋白立即被吸附到材料表面，然后经过一系列

　　表面等离子体是一种电磁表面波，它在表面处场强Z大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括材料学家，化学家，物理学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。

表面等离子体发展历史

　　表面等离子体的研究Z早可追溯至上世纪。

　　自Wood发现电磁波在刻有光栅(Grating)的金属表面上会产生异常的反射光谱后;

　　Fano首次提出此现象与沿着金属表面传播的电磁波共振有密切的关系，Hessel和Oliner也提出相同的观点。

　　在此同时，Ritchie发现当高能电子通过金属薄膜时有额外的能量损失，认为其与金属薄膜的界面有关，其后又结合了可见光频段光栅绕射现象提出了表面等离子体的概念。

　　同年Kretschmann及Otto等人借由棱镜耦合的方式成功地激发了此种非辐射性的表面波。至此，关于表面等离子体现象的描述已逐渐建立。

　　后续一连串的研究又发现刻有纳米结构的金属薄膜，例如周期性的孔洞阵列(Hole Array)或凹槽(Grooves)，会使电磁波的穿透特性产生明显的改变，让原本不透光的金属薄膜，在特定波长范围内有很高的穿透率，一般认为造成这种特殊现象的原因是和入射电磁波与金属表面等离子体的耦合共振相关联的。

表面等离子体原理

　　若以微观的尺度看，当金属结构尺度缩小至比入射光的波长更为微小之时，我们称其具有次波长结构，此时其上的电子与外加电磁场(波)间具有集体强烈交互作用，将使得物质产生新颖的光学特性，可与原组成物质大不相同，此特性即所谓的表面等离子共振效应。

　　历史上的例子为Lycurgus杯(见下图)。古代工匠尽管不知道具体原理，却已经知道在制作玻璃艺术品时掺入微小的金属颗粒会使其产生色彩上的变化。事实上，由于表面等离子效应的发现，我们才知道其原因是存于其中的金属颗粒能与特定波长的可见光产生耦合

低温等离子体简介

　　等离子体是指电离度大于0.1%，且其正负电荷相等的电离气体。它是由大量的电子、离子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成，电子和正离子的电荷数相等，整体表现出电中性，它不同与物质的三态(固态、液态和气态)，是物质存在的第四种形态。

　　其主要特征是:

　　1、带电粒子之间不存在净库仑力;

　　2、它是一种优良导电流体，利用这一特征已实现磁流体发电;

　　3、带电粒子间无净磁力;

　　4、电离气体具有一定的热效应。

　　根据体系能量状态、温度和离子密度，等离子体通常可以分为高温等离子体和低温等离子体。前者的电离度接近1，各种粒子温度几乎相同，体系处于热力学平衡状态，温度一般在5×104K以上，主要应用于受控热核反应研究方面;而后者各种粒子温度并不相同，电子的温度远远大于离子的温度，系统处于热力学非平衡状态，体系在宏观上温度较低，一般气体放电产生的等离子体都属于这一类型，其与现代工业的生产关系更为密切。

　　低温等离子体的电离率较低，电子温度远高于离子温度，离子温度甚至可与室温相当。所以低温等离子体是非热平衡等离子体。低温等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强，更易于和所接触的材料表面发生反应，因此它们被用来对材料表面进行改性处理。

　　与传统的方法相比，等离子体表面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优点，同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。20世纪七八十年代起，等离子体在对金属、微电子、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展，形成向多学科交叉的研究方向。

　　早期的大部分工作主要集中在低气压低温等离子体环境下的等离子体表面改性研究，为了工业应用的便利和廉价。Z近几年来，大气压非平衡等离子体发生技术及其应用是目前备受关注的热点，涉及应用领域也非常宽广。

低温等离子消融术

　　等离子切割(PAC)产生于20世纪40年代，直至20世纪50年代中期开始投入工业应用。它是利用高能量密度的等离子弧和高速的等离子流，将融化的金属从割口处吹走，从而形成连续缺口的一种切割方法。

等离子切割工艺

　　切割对象：

　　用于切割各种氧气等燃气难以切割的金属，如不锈钢、铜、铝、钛、镍、铸铁等。用于切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切割法的5～6倍。

　　工艺内容：

　　1、工作气体

　　采用空气、氩气、氢气、氦气、氮气、水蒸气以及某些混合气体作工作气体。它是等离子弧的导电介质，又是携热体，同时还要排除切口中的熔融金属。

　　2、一般等离子切割

　　一般等离子切割不用惰性气体保护。引弧时，喷出小气流离子气体作为电离介质;切割时喷出大流量气体以排除熔融金属。

　　3、空气等离子切割

　　使用压缩空气作为离子气，其在电弧中加热、分解和电离。充分电离了的空气等离子体热焓值高，可迅速放热切割金属。

　　4、电源

　　空载电压一般为120 V～600V，弧柱电压一般为空载电压的一半。电流在200A。

　　5、其他工艺要求

　　①适当的工作气体流量。

　　②合适的电极内缩量——电极到割嘴端面的距离，一般取8mm～11mm。

　　③合适的割嘴高度——割嘴端面到被割工件表面的距离，一般为4mm～10mm。

　　④切割速度：在保证切割质量的前提下，尽可能提高切割速度，以减少被割工件的变形量和割缝区的热影响区域，避免黏渣增加。

　　6、等离子切割设备

　　等离子切割设备由供气装置、电源、割枪等部分组成。

　　供气装置：空气等离子切割供气装置为功率大于1.5 kW 的空气压缩机。切割时所需气体压力为0.3MPa～0.6MPa。选用其他气体，采用瓶装气体经减压后供气。

　　电源：常用空载电压为350 V～400V。

　　割枪：60A以下割枪为风冷结构;60A 以上多采用水冷结构。其电极采用纯钨或钍钨等材料，优先选用铸钨。

等离子切割优点

等离子喷涂简介

　　等离子喷涂的基本原理：

　　等离子喷涂基本原理如下图所示。它是将非金属(或金属)粉末送入刚性非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，并伴随等离子焰流高速喷射并沉积到预先经过处理过的工件表面上，从而形成一种具有特殊性能的涂层。

　　等离子喷涂技术具有如下特点：

　　1、可以获得各项性能的涂层。由于等离子喷涂火焰温度极高、速度极快，几乎可以熔化并喷涂任何材料，形成的涂层具有结合强度较高、孔隙率低且喷涂效率高、使用范围广等优点，故在航空、冶金、机械、机车车辆等方面得到广泛的应用，在热喷涂技术中等离子喷涂占据着Z重要的地位。

　　2、涂层平整光滑，可精确控制厚度。

　　3、涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制在1%～10%，结合强度可达60～70MPa。

　　4、涂层氧化物和杂质含量少，与电镀、电刷、渗碳、渗氮相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。

　　5、喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化。工件受热温度可控制低于250℃，因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂。

　　等离子喷涂的分类：

　　等离子喷涂的主要类型如下图所示。

等离子喷涂技术发展概况

　　在过去的一段时间里，等离子体喷涂技术得到了很好的确立和广泛的应用，其范围从耐腐蚀、耐热、耐磨涂层到生产整体的近Z终形状金属或陶瓷部件。“玻璃”金属粉末不必改变它们的非结晶性能即可进行等离子体喷涂，如近年来证实，超导材料可以通过等离子体喷涂过程进行沉积。

　　除了Z普遍的常压空气中等离子体喷涂过程(APS)外，其他等离子体喷涂过程也得到了发展。诸如低压喷涂(LPPS)，超声速喷涂，控制环境喷涂(如氩气中)甚至水下等离子体喷涂。针对各种等离子体涂镀过程的等离子体炬设计基本如下图所示。其原理是在棒状阴极和喷管状阳极之间通过直流电弧产生等离子体射流。　　近年来对等离子体炬的研究涉及ZY喷射微粒子、等离子体

　　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Z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FZ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。

　　等离子技术是一新兴的领域，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。

等离子体清洗的机理

　　1、什么是等离子体

　　等离子体是物质的一种存在状态，通常物质以固态、液态、气态3种状态存在，但在一些特殊的情况下可以以第四种状态存在，如太阳表面的物质和地球大气中电离层中的物质。这类物质所处的状态称为等离子体状态，又称为物质的第四态。

　　等离子体中存在下列物质:处于高速运动状态的电子;处于激活状态的中性原子、分子、原子团(自由基);离子化的原子、分子;分子解离反应过程中生成的紫外线;未反应的分子、原子等，但物质在总体上仍保持电中性状态。

　　2、等离子体的产生

　　在清洗工艺中应用的等离子体，一般都采用人工方法获得。

　　Z早是在1927年，当水银蒸气在高压电场中的放电时由科研人员发现等离子体。后来发现通过多种形式，如电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等，都可以使处于低气压状