第十二章,微波、等离子、激光技术!.ppt

第十二章 微波 等离子体 激光合成技术 目录 微波技术 什么是微波 微波通常指波长为1m到0 1mm范围内的电磁波 其相应的频率范围是300MHz 3000GHz 1 通信1 25cm波长范围用于雷达 其它的波长范围用于无线电通讯 2 加热家用或工业用微波加热设备的微波频率是2450MHz 波长12 2cm 和915MHz 波长32 8cm 家用微波炉使用的频率都是2450Hz 915MHz的频率主要用于工业加热 2 微波可以做什么 从电介质的角度来说 分子可分为两类 一类是无极分子 其分于的正负电荷中心重合 如H2 O2等 另一类是有极分子 其分子的正负电荷中心不重合 如H2O H2S等 若将极性分子置于外电场中 极性分子在电场作用下总是趋向电场方向排列 这时我们称这些分子被极化 3 微波为什么可以加热 微波加热大体上可认为是介电加热效应 没有电场作用 在有电场作用 E E E 交变电场作用 由于微波是一种每秒振荡上百亿次的电磁场 放在这样的电磁场中 分子的排列方向就要每种钟随之改变上百亿次 这样 大量分子吸收了微波的能量而高频率的剧烈的转动 便产生了大量的内能 使物体的温度升高 材料内可极化的因子 依不同层次有 1 电子极化 原子极化2 分子极化 偶极子转向极化 3 界面极化 晶格极化 晶粒极化 晶界极化 表面极化 在微波介电加热效应中 主要起作用的是偶极极化和界面极化 电子 原子极化的驰豫时间在10 15 10 16和10 12 10 13之间 而微波交变电场振动1周的时间约为10 9 10 12之间 物质分子振动与微波有相似的频率 3 微波加热和加速反应的特点 1 体加热作用 可在反应体系不同深度同时加热 2 加热速度快 节约时间 3 加热均匀 反应转化率高 4 加热效率高 节约能源 5 选择加热性 50ml溶剂在500W微波功率 2450MHz频率下作用1min的升温情况 室温 4 微波的选择加热性 1 物质的极性 结果 极性分子溶剂吸收微波能而被快速加热 而非极性分子溶剂几乎不吸收微波能 升温很小 物质的介电性 微波加热固体物质产生的温度变化情况 室温 描述材料介电性质的两个参数是介电常数是 和介电损耗 用来描述分子被电场极化的能力 也可以认为是样品吸收微波能的量度 是电磁辐射转变为热量的效率的量度 tan 介电损耗正切 也称介电耗散因子 tan 它表示在给定频率和温度下 一种物质把电磁能转变成热能的能力 因此微波加热机制部分地取决于样品的介电耗散因子tan 大小 吸收微波能的物质 其耗散因子是一个确定值 微波加热能力如何衡量 1 微波干燥 微波真空冷冻干燥 2 微波杀虫灭菌 微波膨化3 微波诊断和治疗4 微波合成微波固相合成微波水热合成微波等离子体化学气相沉积微波烧结 多数陶瓷类材料的室温介电损耗较小 微波加热的应用 微波干燥的应用实例 微波固相合成的应用实例 微波烧结陶瓷 微波加热的设备 等离子体合成技术 星系 北极光 宇宙中90 物质处于等离子体态 天然等离子体 以闪电 极光的形式 地球表面向外 等离子体是几乎所有可见物质的存在形式日常生活中 日光灯 电弧 等离子体显示屏 臭氧发生器典型的工业应用 等离子体刻蚀 镀膜 表面改性 喷涂 烧结 冶炼 加热 有害物处理高技术应用 托卡马克 惯性约束聚变 氢弹 高功率微波器件 离子源 强流束 飞行器鞘套与尾迹 概念 所谓等离子体就是被激发电离的气体 达到一定的电离度 气体处于导电状态 这种状态的电离气体就表现出集体行为 即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子 同时也受到其他带电粒子的约束 由于电离气体整体行为表现出电中性 也就是电离气体内正负电荷数相等 称这种气体状态为等离子体态 由于它的独特行为与固态 液态 气态都截然不同 故称之为物质第四态 什么是等离子体 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体 电离气体 等离子体是高度电离的气体 自由基粒子 普通气体 等离子体 特点 粒子具有高能量 是极活泼的反应性物种 化学反应在高激发态下进行的 具有特大活化能的体系 粒子群集体运动 导电流体 宏观电中性 空间电荷抵消 带电粒子系 运动受到磁场的支配 等离子体的特点 如何得到等离子体 气体放电 是指在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象 由此产生的等离子体叫作气体放电等离子体 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体 电离气体 等离子体的类型 平衡等离子体 非平衡等离子体 非平衡等离子体的特点 热等离子体 高温加热冶金 焊接 切割 材料合成 加工陶瓷烧结 喷涂 三废处理 光源强光源 等离子体的应用 冷等离子体 等离子体合成低温刻蚀化学气相沉积 成膜 等离子体材料处理表面改性表面冶金 光源冷光源 节能 等离子烧结陶瓷实例 放电等离子烧结等离子体活化烧结是利用开关直流脉冲电压在粉末颗粒间或空隙内产生瞬间的高温等离子体 而等离子体是一种高温 高活性离子化的电导气体 它能产生4000 10000K的高温 因此 等离子体能迅速消除粉末颗粒表面吸附的杂质和气体 促使物质产生高速度的扩散和迁移 从而有效地降低烧结温度 促使烧结过程加快 即能在较低温度下和较短时间内实现固结 等离子体显示器PDP 基本原理 PDP是在两片玻璃板之间注入电压 产生气体及肉眼看不到的紫外线使荧光粉发光 利用这个原理呈现画面 因其可以挂在墙上 故又称壁挂式电视 微波等离子体合成技术 1 微波等离子体的特点 微波激发产生的等离子体独特的优点 1 电离度高 电子浓度大 2 电子和气体分子的温度比Te Tg很高 即电子动能很大而气体分子却保持较低的温度 这为实现低温条件下化学气相沉积提供了良好的条件 3 适应气体压强很宽 4 无极放电避免了电极污染 5 微波的产生 传输 控制技术已十分成熟 2 微波等离子体的应用 3 微波等离子体烧结陶瓷 用微波等离子体技术合成长余辉发光材料 4 微波等离子体应用实例 结论 用该方法制备的发光材料相对于固相法具有发光性能好 纯度和结晶质量高 产品疏松 粒度小 快速省时 合成温度低 耗能少等特点 在长余辉材料制备的应用方面具有巨大潜力和工业应用价值 但微波等离子体技术作为一种合成长余辉材料的新方法 还存在一些问题 激光合成技术 概念 激光是高亮度 单色性佳 相干性强 方向性好的相干光束 激光又名镭射 Laser LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写 它的全名是 辐射的受激发射光放大 激光的概念 光照射物质时 光子与物质原子相互作用过程中 存在三种类型的跃迁 2 激光是如何产生的 吸收当外来光子的能量hv恰好等于原子的某两能级之差时 光子才能被吸收 自发辐射这种过程与外界作用无关 各原子的辐射都是独立地进行 因而所发光子的频率 初相 偏振态 传播方向等都不同 不同光波列是不相干的 受激辐射 处于激发态的原子 在其发生自发辐射前 若受到某一外来光子的作用 而且外来光子的能量恰好满足 原子就有可能从激发态E2跃迁至低能态E1 同时放出一个与外来光子具有完全相同状态的光子 受激辐射的特点受激辐射出的光子 与入射光子具有相同的频率 相同的初相 相同的传播方向 相同的偏振态等 即与外来光子具有完全相同的状态 在受激辐射过程中 输入一个光子 可以得到两个状态完全相同光子的输出 因此受激辐射得到的光是相干的 1 粒子数反转 产生激光的必要条件 实现粒子数反转 因此要选择适当能级结构的工作物质 3 产生激光的必要条件 激励 泵浦 实现粒子数反转的过程 具有亚稳态的原子结构 才能实现粒子数反转 2 光学谐振腔 选择一个适当结构的光学谐振腔 对所产生受激辐射光束的方向 频率等加以选择 从而产生单向性 单色性 强度等极高的激光束 1 单向性极好普通光源向四面八方发射能量 其能量分布在全空间4 立体角内 而激光则是沿一条直线传播 能量集中在其传播方向上 其发散角很小 一般为10 5 10 8球面度 激光这种良好的单向性可用于定位 测距 导航等 2 单色性极强利用激光良好的单色特性 可以作为计量工作的基准光源 4 激光的特点 连续光谱 太阳光谱线状光谱 霓虹灯单一颜色谱线 激光 3 高亮度光源亮度是指光源单位发光表面在单位时间内沿单位立体角所发射的能量激光器的输出功率并不一定很高 但由于光束很细 光脉冲窄 光功率密度却非常大4 能量集中由于激光光源使光能量在时间和空间上高度集中 因此 能在直径极小的区域内 10 3毫米 产生几百万度的高温 工业上利用激光高亮度的特性 在金属钻孔 焊接 切割 表面热处理 表面氧化等方面的应用近年来有很大的发展 5 相干性好用激光做光源进行光的干涉 衍射实验 可以得到非常好的效果 另外 激光问世以来 推动了全息光学技术 激光光谱技术的发展 相干长度 单色性越好 相干长度越长普通光源 几厘米激光可达 105千米 4 激光技术的应用 1 激光加工 包括切割 焊接 表面处理 打孔 打标 划线 微调等 2 激光化学 因为激光携带着高度集中而均匀的能量 可精确地打在分子的键上 传统的化学过程往往需要加热 或者还要加压 加热的缺点在于分子因增加能量而产生不规则运动 这种运动破坏原有的化学键 结合成新的键 而这些不规则运动破坏或产生的键 有时会阻碍预期的化学反应的进行 3 激光涂敷4 激光热处理5 激光医疗 按工作物质的性质分类 1 气体激光器氦氖混合气体632 8nm氮气337 1nm2 固体激光器红宝石激光器钇铝石榴石3 液体激光器 5 激光发生装置 La2 MoO4 3材料激光快速合成及热膨胀性研究采用激光烧结快速合成技术制备了La2 MoO4 3材料 有效克服了传统合成方法工艺复杂 反应时间长 产物反