等离子体及其技术的应用

1、河北大学2013届本科生学年论文（课程设计）等离子体及其技术的应用摘要：随着等离子体技术的迅速发展，逐渐形成了一个新兴的等离子体化工体系。我 们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式 的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化 学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反 应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产 品不会产生热分解。这势必会造就很多性能优良的新物质，其也将会有广泛的应 用前景。关键词：等离子体；喷涂；焊接；尾气处理；隐身技术河北大学2013届本科生学年论文（课程设计

2、）Plasma and its technical applicationABSTRACTWith the rapid developme nt of plasma tech no logy, and gradually formed a new plasma chemical system We know, the com mon chemical reacti on and chemical engineering equipments only produce two thousand degrees temperature.The temperatures that in low te

3、mperature plasma electro nic produced by all forms of gas discharge up to ten thousa nd degrees or above,more eno ugh to fracture all sorts of the chemical bon ds, or make the gas molecule ioni zati on, produce many chemical react ions that can't happe ned in usual con diti ons , get compo und o

4、r chemical products that can't achieved in usual conditions , and the products won't occur thermal decompositi on.lt will produce a lot of new substa nces that performa nee excelle nt ,a nd have a broad applicati on prospect.keywords： plasma ； flame plati ng ； solderi ng ； tail gas treatme n

5、t ； in visible tech no logy河北大学2013届本科生学年论文（课程设计）目 录1 等离子体,2等离子体技术的应用,2.1 等离子体冶炼,2.2 等离子体喷涂,2.3 等离子体焊接,3 前景口 J门门门门）门门门）3 1 环境3 2 军事I * J 1 4 参考文献,河北大学2013届本科生学年论文（课程设计）1等离子体等离子体的概念是1928年郎谬尔早采用的，更早可追溯到 1879年不列颠协 会的威廉.克鲁克斯。他在做气体导电试验时确认放电管中存在物质第四态（等离 子体）。所谓等离子体：是包含有自由电子、离子和中性粒子整体呈现准电中性的物 质的体系。在自然界中，任何物

6、质都会由温度的不同而呈现出固、液、气三态的 转化，当气体物质继续升温，如果温度升到几万度甚至几十万度，物质就处在一 个全新的状态之下。处于如此高温之下的物质，不仅分子之间和原子之间的运动 非常剧烈，而且他们彼此之间已经难以束缚。原子中的电子具有相当大的动能， 它摆脱了原子核对它的束缚，成为自由电子。同时原子失去电子成为带正电的离 子。这样，物质就变成了一团有自由电子、离子和中性粒子组成的体系。它既不 同于固体和液体，又跟普通气体的性质有本质上的区别。故它是物质的另一种全 新的聚集态，即物质的第四态（等离子体）。一般情况下，把等离子体分为低温等离子体和高温等离子体。通常把电离度小于0.1%的气体

7、称为弱电离气体，把此气体电离后的物质也叫低温等离子体。把电离度大于0.1%的气体称为完全电离气体，把此气体电离后的物质物质叫高温等 离子体。低温等离子体中电子和分子或原子类粒子具有不同的温度，其中电子温度可 达10000K以上，而其分子和中性类粒子的温度可低至 300K-500K，从而使得 整体温度较低，故称为低温等离子体。1河北大学2013届本科生学年论文（课程设计）2等离子体技术的应用2.1 等离子体冶炼冶炼普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的锆（Zr）、钛（Ti ）、铌（Nb）、 钒（V、钨（W等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从 ZrCI、MoS TaO和 TiCI中分别等离子体获得

8、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，例如碳化钨-钻、Mo-Co等粉末等离子体冶炼其产品成分及微结 构的一致性好。2.2 等离子体喷涂为了使许多设备的部件能耐磨耐腐蚀、抗高温，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，并喷涂到部件上，使之迅速冷却、固化，形成接近网状结构的表层，大 大提高喷涂质量。近期深圳市研创精密设备有限公司推出了等离子体表面处理机， 它由等离子发生器，气体输送管路及等离子喷头等部分组成，等离子发生器产生 咼压咼频能量在喷嘴钢管中被激活和被控制的辉光放电中产生低温等离子体，等

9、离子体中粒子的能量一般约为几个至几十电子伏特， 大于聚合物材料的结合键能， 完全可以破裂有机大分子的化学键而形成新键；但远低于高能放射性射线，只涉 及材料表面，不影响基体的性能。处于非热力学平衡状态下的低温等离子体中， 电子具有较高的能量，可以断裂材料表面分子的化学键，提高粒子的化学反应活 性（大于热等离子体），而中性粒子的温度接近室温，这些优点为热敏性高分子聚 合物表面改性提供了适宜的条件。通过低温等离子体表面处理，材料面发生多种 的物理、化学变化。表面得到了清洁，去除了碳化氢类污物，如油脂，辅助添加 剂等，或产生刻蚀而粗糙，或形成致密的交联层，或引入含氧极性基团（羟基、 羧基），这些基因对

10、各类涂敷材料具有促进其粘合的作用，在粘合和油漆应用时得到了优化。在同样效果下，应用等离子体处理表面可以得到非常薄的高张力涂层 表面，有利于粘结、涂覆和印刷。不需其他机器、化学处理等强烈作用成份来增 加粘合性。2.3 等离子体焊接可用以焊接钢、铝、铜、钛等及其合金，其特点是焊缝平整，可以再加工没 有氧化物杂质，使焊接速度加快。也用于切割钢、铝及其合金。等离子粉末堆焊是 以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热 并一起熔化、混合、扩散、凝固，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面 的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好， 熔深可控性强

11、，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一 定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面， 结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减 少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀3前景3 . 1 环境随着工业现代化的不断进步和发展，排放到大气中的硫氧化物、氮氧化物及 有机废气等不断增加，大气污染造成的大气质量的恶化、酸雨现象、温室效应及 臭氧层破坏足以威胁人类在地球上的生存和居住，其后果十分严峻，废气排放造 成的环境污染问题逐渐引起人们的广泛重视。

12、大气压等离子体技术是一门新兴的 环境污染处理手段，其在废气处理应用中具有成本低，效果好、操作简单，无需 高价格的真空系统等特点，具有广泛的应用前景。大气压等离子体技术的实质也 就是气体放电原理，气体在电场作用下被击穿而导电，由此产生的电离气体叫做 气体放电等离子体。大气压等离子体分解气态污染物的机理为：等离子体中的高 能电子在大气压等离子体分解气体污染物中起决定性的作用，数万度的高能电子 与气体分子（原子）发生非弹性碰撞，巨大的能量转换成基态分子 （原子）的内能， 发生激发、离解以及电离等一系列物理和化学变化使气体处于活化状态。电子能 量小于10ev时 产生活性自由基，活化后的污染物分子经过等

13、离子体定向链化学 反应后被脱除。而当电子平均能量超过污染物分子化学键结合能时，污染物气体 分子键断裂，污染物分解，在大气压等离子体中可能发生各种类型的化学反应， 反应程度取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及 共存的气体成分。大气压等离子体在废气处理中应用的机理是在等离子体中的高 能电子、离子、自由基、激发态分子和原子等的作用下，将NOx与SO2被氧化成更易参与反应和更易吸收的 NO2和 SO3从而实现对废气的净化处理。大气压等 离子体降解污染物是一个十分复杂的过程，而且影响这一过程的因素很多，虽然 目前已有大量有关低温等离子体降解污染物机理的研究，但还未形成能指导实践

14、 的理论体系，使其工业应用缺乏理论保障。其次要实现处理装置的大型化与小型 化双向发展，处理装置的大型化与小型化是等离子体技术今后发展的两个方向。3 . 2 军事在军事高技术迅速发展的时代，以牺牲飞机的气动性能为代价的传统隐身技 术正面临挑战。“等离子体隐身技术”正在逐渐从实验室走向实用化。等离子体隐 身技术，是指产生并利用在武器装备（例如飞机、舰船等）表面形成的等离子体云 来实现规避电磁波探测的一种隐身技术。与隐身外形、隐身材料和隐身结构等传 统的隐身技术相比，等离子体隐身技术在许多方面具有独特的优势，它可以在武 器装备几乎不作任何结构和性能上的改变的情况下，通过控制武器装备表面的等 离子体云

15、的特征参数，如能量、电离度、振荡频率等，来满足各种特定要求，使 敌方雷达难以探测，甚至还能改变雷达反射信号的频率，使敌方雷达测到虚假信 号，以实现信息欺骗，从而达到隐身目的，是 21世纪隐身技术的重要发展方向。目前，用等离子体技术实现兵器隐身也存在着相当的难度和问题：（1）兵器安装等离子体发生器的部位无法隐身。（2）所需电源功率很高，设备体积大，产生等离子体并维持一定的电子密度 和范围需要消耗能源。飞机利用其隐身会减小作战半径。（3） 飞行器所用的等离子体在吸收对方雷达波的同时，对其本身的通信、导 航、雷达和敌我识别信号的传输都能造成衰减，甚至中断。等离子体隐身技术是随着等离子体物理学的发展而迅速发展起来的，虽说只 有短短几十年的历史，却发挥着越来越广泛的作用。随着科学技术的飞速发展， 等离子体隐身技术的应用为武器装备的隐身带来了突破性的革命，它不仅可以应 用于各种武器平台的雷达隐身，还可以应用于光电对抗等方面。当然等离子体隐 身是一项十分复杂的系统工程，是大气等离子体技术、电磁理论与工程、空气动 力学、机械与电气工程等的交叉学科。如何设计一种易于产生、易于控制的等离 子体发生器，并能适应各种武器平台的技战术要求成为实现有效隐身的关键。一 旦关键技术被突