材料表面工程技术等离子体

材料表面工程技术报告学生班级： 材料物理 081 班 学 号： 30 号 姓 名： 课程成绩： 等离子体摘要 等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。它的用途非常广泛从我们的日常生活到工业、农业、环保、军事、宇航、能源、天体等方面，它都有非常重要的应用价值，并拥有广泛的应用前景。 The plasma is by part were deprived of electronic after atoms and atomic ionization produced after the positive and negative electrons ionized gas shape material. It USES very extensive. From our everyday life to industrial, agricultural, environmental protection, military and aerospace, energy, objects, etc, it has very important application value, and have broad application prospect. 主题词 等离子体、环境Keywords plasma, environment 1.基本概述等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。 看似“神秘” 的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在恒星（例如太阳） 、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。2.分类2.1 按等离子体焰温度高温等离子体：温度相当于 1010 K 完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。 低温等离子体： 热等离子体：稠密高压（1 大气压以上） ，温度 1010K，如电弧、高频和燃烧等离子体。 冷等离子体：电子温度高（1010K） 、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD 介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。 2.2 按等离子体所处的状态(1)平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。（2）非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下 DC 辉光放电和高频感应辉光放电，大气压下 DBD 介质阻挡放电等产生的冷等离子体。3.等离子技术的应用现状3.1 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 ZrCl、 MoS、TaO 和 TiCl 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 3.2 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。 3.3 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。 3.4 等离子体刻蚀在半导体制造技术中，等离子体刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种方法，等离子体产生的带能粒子（轰击的正离子）在强电场下，朝硅片表面加速，这些例子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料，从而完成一部分的硅刻蚀。 3.5 等离子体隐身在军事应用于飞行器的隐身。 3.6 等离子体核聚变托克马克及 ITER 装置，都是研究核聚变应用发电的实例 4.应用前景4.1CP-AES 在饲料无机元素测定中的应用前景饲料中存在大量的无机元素，有些是为了满足动物的生长需要被添进饲料中的元素如钾、钙、钠、镁、铜、锌、铁、锰等；有些是危害动物、影响食品安全和人类生命和健康的重金属元素如铬、镉、铅和砷等。因此为了保证饲料品质和安全性，饲料中无机元素的检测是及其重要和必要的。现阶段饲料中无机元素的分析方法主要有紫外-可见分光光度法（UV）如磷的测定，火焰原子吸收光谱法（FAAS）如铜、锌、铁、锰的测定，石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）如铬的测定，原子荧光光谱法（AFS ）如砷的测定等。这些方法均为单个元素的检测方法，且不同检测方法必须采用不同的前处理手段，在检测饲料中的众多无机元素时，这些单元素检测方法势必将耗费很多的人力、物力及时间。表 1 将 5 种检测方法做了比较，从表 1 不难看出 ICP-AES 可以同时检测饲料中百分含量级直至 mg/kg 级的无机元素浓度 ,这将大大的缩短检测周期，提高工作效率。因此，ICP-AES 作为快速分析无机元素的新方法，以其优异的分析性能，在饲料检测中必将具有很好的应用前景。但是我国现阶段还欠缺 ICP-AES 法用于饲料检测方面的标准，因此有必要加快相关标准的制订工作，以促进其在饲料检测中的应用。4.2 等离子体 MEMS 红外光源的应用前景红外气体传感器工作的基本原理是依赖于气体独特的红外吸收特征波长（其中大部分气体分子的波长是在 214 mm 之间） ，这就需要利用高性能、可调谐窄带的相干光来定性判别待测气体分子的种类和定量分析其浓度大小。I.Puscasu 等12,13已经成功研制出了高性能的等离子体 MEMS 红外光源器件，如图 10（a）所示。该器件一般是采用 MEMS 技术在单晶硅衬底上制作二维 MDPC 结构，经加热后就能够辐射出可调谐窄带红外光谱。这项先进技术使得将组件复杂且制作成本高的 NDIR 红外气体传感系统 MEMS 成为可能。I.Puscasu 等27提出了一种新颖的低成本等离子光学红外气体传感系统概念，如图 10（b）所示。他们考虑建立一个低成本等离子光学技术平台：包括所有的单个光学元件如热辐射器、滤波器和探测器都能够集成到一个单一的硅芯片上，从而降低了系统的大小、功耗、复杂性和成本。图 10(c）所示的就是 MEMS 芯片 NDIR 气体传感系统在气体开路氛围中的气体测量装置示意图，即 MDPC 加强红外气体传感器（加热的等离子体MEMS 红外光源既作光源又作光探测器，其对面放置一面球面镜作反射镜） 。在这个测量过程中，如果没有其他被吸收的气体种类，测热辐射计会同其周围环境达到热辐射平衡状态；若光路中存在能够被吸收的气体，则经过球面镜反射回到热辐射源器件的光能量会减少，从而造成测热辐射计灯丝降温。这种由被吸收气体浓度的变化而引起热辐射源器件温度的变化是很容易通过探测该器件的热灯丝电阻的变化来评价的。4.3DBD 等离子体研究及其环境工程方面的应用前景尽管介质阻挡放电在一些领域已经获得应用并正向新的领域扩展,但仍有许多问题需要解决。问题主要表现在工业应用中机理不清、工艺过程复杂且重复性差、产率不高、效率低下并缺乏有效的诊断手段等一系列问题,因此有必要在相应的基础研究方面加大力度。重点需要研究的方面有:(1)应用过程中的参数优化:通过实验与理论分析,找出影响产生等离子体状态的主要作用参量,并研究控制等离子体化学反应方向的参量;(2)弄清 DBD 微放电机理;(3)优化 DBD 反应器结构,优化电源、放电形式与反应器之间的匹配,提高能量利用效率;(4)窄脉冲和高介电常数介质阻挡层的研究;(5)DBD 伏安特性研究,对等离子体电源设计和提高放电效率有重要的指导意义。一旦在理论、诊断及相互作用机理上有所突破,必将进一步推动 DBD 在工业领域的应用,将会带来更大的经济效益和社会效益。参考文献：1美国 Thermofisher 公司.ICP 电感耦合等离子原子发射光谱培训教程Z.美国：Thermofisher 公司.2陈新坤 .电感耦合等离子体光谱法原理和应用M.天津：南开大学出版社，1987.3孔德营 .微波消解 ICP-AES 法在甘草、山药中重金属残留检测的应用研究D.西南大学，2007.4J.R.Garbarino,H.E.Taylor.Statistical evaluation of an inductively coupled plasma atomic emission spectrometric method forroutine water quality testing,Appl.Spectrosc.,1985,39(3):535-5415G.Scamarcio,F.Capasso,C.Sirtorietal.High-power infrared super lattice lasers J. Science ,1997, 276(5313):7737766C.H.Mastrangelo,J.H.Yeh,R.S.Muller.Electrical and optical characteristics of vacuum-sealed polysilicon microlampsJ.IEEE Trans.Electron Dev.,1992,39(6):136313757 T.Corman,E.K 覿 lvesten,G.Stemme et al.An optical IR-source and CO2-chamber system for CO2 measurementsJ.IEEE ASME J.Microelectromech.Syst.,2000,9(4):5095168B.Eliasson and U.Kogelschatz,Nonequilibrium volume plasmachemical processing.IEEE Trans.Plasma Sci.,vol.19,pp.1063-1077,Dec.1991.9GherardiN et al.Mechanisms cont rolling the transit ion fromglow silent d