教案：等離子表面技術

1、.第一章 緒論金屬表面厚度為0.510nm，成分往往與內(nèi)部不同，如不銹鋼表面Cr含量甚至可高達內(nèi)部的7倍，另外表面會吸附一些外來原子。 原子排列的周期性不同，在表面出現(xiàn)所謂的原子重構(gòu)和弛豫現(xiàn)象。 晶體表面存在各種缺陷，主要有：臺階、彎折、空位、凸沿、吸附原子等。金屬有氧化物覆蓋層，氧化物有時會呈樹枝狀生長，因此最為平滑的表面也是不規(guī)則的。 真實接觸面積要比表觀面積小很多。實驗室條件下的鋼表面，在10kg/cm2負荷下，真實接觸面積約為表觀面積的0.01。 摩擦時真實接觸面積局部溫度可升高好幾百度，并且最高溫度相當于熔點較低的金屬的熔點。曾發(fā)現(xiàn)鋼在玻璃上滑動時局部溫度可高達12000C。當溫度升

2、高時，表面擴散過程也隨之加劇。固體的表面擴散活化能比本體擴散活化能低，當溫度接近固體熔點時，表面區(qū)域已局部液化，產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象。1、表面改性技術： 拋光，噴丸，滾壓，毛化，刻蝕，高頻表面淬火，電接觸表面淬火，電解液表面淬火，滲碳，滲氮，滲硼，滲硫，滲金屬，機械能助滲，雙層輝光離子滲金屬，鑄滲，雙金屬鑄造，氧化，磷化，離子注入等。激光表面淬火，激光表面熔凝，等離子束表面淬火，等離子束多元共滲相變強化，等離子束表面冶金（分為熔覆和熔凝）。2、表面涂覆層技術： （1）薄膜技術： PVD，CVD，濺射，多弧離子鍍，機械鍍。 （2）厚膜技術（有機涂裝除外）： 搪瓷，涂覆燒結(jié)，電鍍，電刷鍍，化學鍍，熱浸鍍，

3、線熔爆，冷噴涂，熱噴涂（火焰噴涂，電弧噴涂，等離子噴涂，爆炸噴涂，超音速噴涂，真空等離子噴涂等），堆焊，噴焊（噴熔或重熔），熱軋包覆，爆炸復合，自蔓延燒結(jié)，激光熔覆，等離子束表面冶金（熔覆）。11等離子體的分類物質(zhì)的狀態(tài)在一定的溫度和壓力下可以呈固態(tài)、液態(tài)、氣體和等離子體狀態(tài)存在，宇宙中，絕大多數(shù)物質(zhì)都是以等離子狀態(tài)存在的。等離子也稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體由分子、原子（處于基態(tài)或各種激發(fā)態(tài)）、電子、正離子和質(zhì)子所組成。等離子體是電中性的，其中的帶電離子由氣體本身電離產(chǎn)生。其實把電離的氣體作為等離子體只是一種俠義的定義，而并非等離子體的全部。廣義等離子體還包括正電荷總數(shù)和負電荷總數(shù)相等的其他許

4、多帶電粒子體系，如金屬、半導體、電解質(zhì)水溶液等都可稱為等離子體。一般來說我們講的等離子體僅限于氣體離解及電離生成的等離子體。等離子體的分類有很多種方法：111 產(chǎn)生原因自然等離子體和實驗室等離子體自然等離子體廣泛存在于宇宙中，實驗室等離子體諸如日光燈中放電、電弧放電、氣體激光、受控核聚變、原子彈爆炸、某些化學反應如燃燒、紫外線或x射線輻照等，它們都是由人工產(chǎn)生的。112 按照氣體電離程度可劃分為：1、完全電離；2、部分電離；3、弱電離113 按照等離子體的溫度可劃分為：1）高溫等離子體 即粒子的溫度為105108K 2）低溫等離子體 室溫到 3×105 K左右，其中按照重粒子溫度水平

5、還可分為 熱等離子體核冷等離子體。在材料表面改性技術中，濺射、離子鍍、離子注入、等離子化學熱處理等工藝應用的是冷等離子體，而等離子噴涂、等離子淬火及多元共滲相變強化、等離子表面冶金等工藝應用的是熱等離子體。通常是指壓縮電弧等離子束流。114 按照粒子的密度來劃分：1）致密等離子體（高壓等離子體），粒子的密度n> 1015-1018cm-3此時粒子間的碰撞起主要作用。2）稀薄等離子體（低壓等離子體），粒子的密度n< 1012-14 cm-3時，粒子間的碰撞基本不起作用，例如輝光放電115 實驗室等離子體或稱人工等離子體也可以按照產(chǎn)生等離子體的方式劃分：1）燃燒等離子體 2）電弧等離子

6、體 3）高頻等離子體 4）激波等離子體 5）激光等離子體 6）聚變等離子體 當然，并非任何電離氣體都能算作等離子體的，因為只要絕對溫度不等于0，任何氣體中總是可能有少許原子電離的。因此，準確的說，只有當帶電粒子密度達到其建立的空間電荷足以限制其自身運動時，帶電粒子才會對體系性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，這樣密度的電離氣體才轉(zhuǎn)變成等離子體。此外，等離子體的存在還受其特征的空間核時間的限制。12 人工產(chǎn)生等離子體的方法121 氣體放電法 我們一般把在電場作用下氣體擊穿而導電的物理現(xiàn)象稱之為氣體放電，由此產(chǎn)生的電離氣體叫做氣體放電等離子體。1 常用電場類型一般按照所加電場的頻率不同，氣體放電可分為直流放電、低頻

7、放電、高頻放電、微波放電等就等離子體化學領域而言，直流Dc)放電因其簡單易行，特別是對工業(yè)裝置來說可以施加很大的功率至今仍被采用低頻放電的頻率范圍一般為1100kHz，在實際工作中用得不多目前，在實驗裝置中和工藝設備中用得最多的莫過于高頻放電裝置其頻率范圍為10一100MHz由于這屬于無線電波頻譜范圍，故又稱為射頻放電(Radio frcquon。7dischar6e)，略稱R F放電，最常用的頻率為1356MH2當所用電場的頻率超過l GHz時，屬于微波放電(MicrovaYo dlschar8c)，略稱MW放電常用的微波放電頻率為2450MHz由于微波放電能導致電子回旋共振，增加放電頻軋有

8、利于提高工藝質(zhì)量，因此在應用上明顯地呈發(fā)展趨勢。在常壓等離子表面改性核等離子噴涂領域，主要用直流噴射等離子炬，它是在陰極核陽極之間用高頻高壓電擊穿后，由軟特性直流電維持放電的。在低壓直流等離子體噴射氣相生長金剛石時，也是使用此類裝置。2 幾種放電形式氣體放電的形式和特點與放電條件有關，一下以直流放電過程介紹幾種主要的放電形式。圖32為氖氣在相距50cm，直徑為2cM的圓板電板間， 于133 x l 02Pa氣壓條件下放電過程的伏安特性曲線圖中附有測量此伏支持險的線路示意圖回路中串接著可調(diào)式直流高壓電源Ea、放電管和限流電阻R顯然，放電管的極間電壓VEa一RI其中I為放電電流，極間電壓V也叫做管

9、壓降由圖中伏安特性可見，當電極間開始加電壓時電流隨電壓的增加而增大但電流值極小，一般低于1014A這是出于在通常情況下氣體內(nèi)所含自由電荷極少的緣故對普通氣體來說，雖然因宇宙射線或其他外界輻照源的作用龍會有氣體粒子發(fā)生電離，但電高度極小因此加極間電壓時只能形成微弱電流，電流值隨外界電離劑作用的強弱而變化，是隨機電流脈沖當電壓升至能使產(chǎn)生的所有荷電粒子全部到達兩極時達到飽和電流值，這時即使繼續(xù)升高電壓，電流也不會上升，與此對應的是伏安特性上出現(xiàn)電流平臺此后隨著伏安特性的繼續(xù)變化，即可接放電中占主導地位的基本過程及放電時的特有現(xiàn)象對氣體放電形式作如下分類1）湯生放電 在圖3.2中伏安特性曲線上，當越

10、過飽和電流區(qū)繼續(xù)升高電壓時電流按指數(shù)關系再度增加這表明除外界電路劑引起的初始電離外，又有新的電離機制但這時雖然極間電壓較高放電電流都依然很小，放電管內(nèi)也不發(fā)光當電壓升到某個臨界值時，氣體被“擊穿”，也叫“著火”。該點對應的電壓稱為氣體擊穿電壓VB或者著火電壓。此時由于氣體絕緣破壞，電流急驟上升，一躍增大幾個數(shù)量級。這種現(xiàn)象表明，又有造成大量自由電荷的新過程出現(xiàn)湯生最早對這一放電過程進行了理論解析，故稱之為湯生放電(Townsend discharge) 實驗研究表明，在氣體擊穿之前放電必須靠外部電離環(huán)境來維持如果把外部電離環(huán)境撤除放電也就停止了，故這種放電又叫做非自持放電但在氣體擊穿之后。即使

11、撤去外界電離環(huán)境放電也能靠自身內(nèi)部的電離機制來維持，叫做自持放電圖中曲線D段對應的電流稱為自持電流 2）電暈放電由于氣體擊穿后絕緣破壞，內(nèi)阻降低，當迅速越過自持電流區(qū)后便立即出現(xiàn)極間電壓減小的現(xiàn)象，并同時在電極周圍產(chǎn)生昏暗輝光，稱為電暈(corona)放電對應著圖中曲線E段 3) 輝光放電越過電暈放電區(qū)后，若限流電阻R選擇得當，繼續(xù)增加放電功率時放電電流將不斷上升同時輝光逐漸擴展到兩電極之間的整個放電空問，發(fā)光也越來越明亮，叫做輝光放電(Glow discharge)按其狀態(tài)輝光放電又可分為三個不同階段，即前期輝光、正常輝光和異常輝光 圖3.2伏安特性的G段對應的是正常輝光放心其特點是放電電流

12、隨輸入功率的增大而增加，但極間電壓幾乎保持不變且明顯低于著火電壓在此之前，由電暈放電到正常輝光之間的過渡區(qū)叫做前期輝光而在正常輝光之后，即圖中伏安特性早急騾上升態(tài)勢的H段為異常輝光放電， 輝光放電一種穩(wěn)定的自持放電，是低溫等離予體化學領域廣泛采用的放電形式 4) 弧光放電若進一步增加異常輝光放電的電流，當其達到一定值時伏安特性會突然“急轉(zhuǎn)直下”管壓降陡降而放電電流大增，這表明放電機制發(fā)生了質(zhì)的變化也就從輝光放電過渡到弧光 (Arc) 放電了弧光放電也是一種穩(wěn)定的放電形式其主要特點是陰極發(fā)射電子的機理與輝光放電不同，可能是熱發(fā)射或場致發(fā)射；管壓降很低，只有數(shù)十伏，而放電電流很大，可以從0.1A到

13、數(shù)kA同時電極間整個弧區(qū)發(fā)出很強的光和熱所發(fā)生的等離子體稱為電弧等離子體，屬予熱等離子體，在高溫等離子體化學領域有著廣泛而重要的應用如等離子切割，等離子噴涂，等離子冶金，等離子點火，等離子表面淬火及重熔合金化，等離子噴射法氣相生長金剛石，等離子有機合成等。3 電場和氣壓對等離子體性質(zhì)的影響1.2等離子體類型與P/E的關系電場強度和氣壓這兩個可操作的宏觀參量濕影響放電的關鍵性因素。圖1.2表明氣體放電等離子體的類型與電場強度E, 氣壓P，電流密度間的大致相依關系，一般來說，在低氣壓，強電場條件下，電流密度小時易產(chǎn)生輝光放電，電流密度增大到一定數(shù)值后過渡到弧光放電。若在一個大氣壓或更高氣壓條件下，

14、則往往不經(jīng)輝光放電而直接從電暈放電過渡到弧光放電。在定電流條件下，等離子體溫度對于氣壓的依賴關系如圖1.3所示由圖可見，在從常壓到約100Torr(即1.33×104Pa)的各氣壓條件下電子溫度和氣體溫度相同，即Te=Tg這是由于在此氣壓范圍內(nèi)電子不可能被電場充分加速，其能量經(jīng)碰撞被高密度的氣體分子有效吸收而變成熱能，使體系達到熱平衡。但在低壓條件下則不同，電子溫度與氣體溫度的差別逐漸增大，以致Te>>Tg。13 等離子體溫度和氣壓的關系122 射線輻照法利用各種射線或粒子束輻照使氣體電離也能產(chǎn)生等離子體。123 光電離法當入射光子的能量hv大于某種原子或分子的電離能Ei

15、時，便能發(fā)生光電離，即： AhvAe 124 激光等離子體激光輻照電離與光電離一樣也是依靠光子能量產(chǎn)生等離子體的，單因其電離機制和所得結(jié)果與普通光電離法有所不同，所以單列一類，一般來說，激光輻照法易獲得高溫高密度等離子體。125熱電離法利用外部加熱或利用自身化學反應熱如燃燒來使物質(zhì)產(chǎn)生等離子體狀態(tài)使一種常用的方法，熱電離法實質(zhì)上是借助熱運動能足夠大的原子，分子間相互碰撞引起電離的：AMAeM 也就是說，熱致電離機制也是碰撞相互作用。126 激波等離子體近年來發(fā)展起來的超聲波化學實際上就是研究由于超聲波的作用，在固液界面上產(chǎn)生了瞬間的高溫、高壓或低壓等遠離平衡狀態(tài)的局部環(huán)境下所發(fā)生的許多異?；瘜W

16、現(xiàn)象的新學科，山東科技大學材料工程研究所進年來開發(fā)成功的室溫超聲波催化酸性化學鍍鎳工藝就是利用這一獨特過程來實現(xiàn)的。13 人工等離子體的產(chǎn)生原理131 湯生放電理論一）湯生第一電離系數(shù)二）電子數(shù)目增長函數(shù)三）自持放電條件和自持電流1）正離子碰撞引起的電離2）陰極發(fā)射二次電子的作用132 帕刑定律14幾種氣體放電時的帕刑曲線1）氣體擊穿電壓 氣體擊穿電壓VB是放電開始所必需的最低電壓，實際上不難測定帕邢(F. Paschen) 在湯生提出雪崩擊穿理論之前便在實驗室中發(fā)現(xiàn)，在一定的放電氣壓范圍內(nèi)，VB是氣壓和極間距離乘積的函數(shù)，即VBf(pd)這種因數(shù)關系被稱為帕邢定律，對確定的放電氣體而言，存在

17、著VB的極小值。實際上，直流放電的帕刑定律是由放電自持條件導出的，即 這便是直流放電時的帕刑定律表達式。它給出了氣體擊穿電壓與放電時氣壓和極間距離乘積pd間的函數(shù)關系。其中是湯生第二電離系數(shù)，A,B均為由氣體種類決定的常數(shù)。 從而，求得氣體擊穿電壓極小值為第二章 低溫等離子體特性等離子的理論研究要進一步降低電耗,提高槍及爐體壽命,必須進行模擬實驗,研究等離子體中電磁學、熱傳遞、能量轉(zhuǎn)換及流體流動等現(xiàn)象。因為只有透徹地了描述和表示等離子特性的方法有3種:等離子物理、磁流體力學及經(jīng)驗漸進線關系:(1)等離子物理。以物質(zhì)的動力學理論為基礎,用分布函數(shù)描述等離子系統(tǒng)中電磁現(xiàn)象,熱現(xiàn)象以及流體流動現(xiàn)象。

18、通常分別對電子和離子寫獨立的方程。在教學用書中24對此基本方法有詳細的討論。這些分布方程的復雜妨礙了它們對處理工程類問題的應用。(2)磁流體力學。采用近似將等離子區(qū)域作為導電介質(zhì)對待,其傳導性取決于溫度。將問題通過麥克斯韋()方程(計算電磁場)、歐姆定律(計算電流分布和發(fā)熱模式)、紊流的內(nèi)維爾 斯托克斯( )方程(計算速度場)以及不同的熱能平衡方程(計算溫度分布)表示,采用迭代的方法對不同方程進行數(shù)值求解。這一方法雖然也復雜,但在許多情況下可以認為是合理的折衷方法。(3)經(jīng)驗漸進線關系。包括在近似的應用中的近似計算方法需要使用計算機。在類似370系統(tǒng)的計算機上需要運算50200.為了評價等離子

19、體系統(tǒng)的一些特殊性質(zhì),可以使用稍微簡單一些漸進線表達,借助簡單的代數(shù)式表達描述等離子體行為的一些情況,但不能得出用方法所獲得更精確的理解。在本章中，我們主要講述一下低溫等離子體物理基礎。21 等離子體的溫度在本節(jié)中主要從微觀碰撞的角度描述等離子體溫度的概念及其意義。我們主要描述中均以電弧等離子體發(fā)生裝置等離子炬為主要例證。低溫等離子中的熱等離子體粒子溫度較高，接近局部熱力學平衡狀態(tài)，但是在近電極區(qū)與弧柱仍有區(qū)別。等離子體中各種粒子的溫度是由其平均動能確定的，粒子i的運動速度與溫度Ti的關系為 （2-1）K為波爾茲曼常數(shù)，Mi 為氣體中粒子i的質(zhì)量，Vi為粒子i的均方根速度在低壓下和相同力場中，

20、電子由于質(zhì)量輕，能獲得比重粒子大得多的速度，加之碰撞次數(shù)不多，可使得電子溫度高于重粒子溫度。在靠近電極的近電極區(qū)，由于碰撞不足，該電子的溫度遠遠高于重粒子的溫度，電位梯度也是很大的。電場中電子的能量是在其平均自由程中獲得增益的，即在兩次碰撞中得到加速，其加速度是 Ve是電子的瞬時速度，e為電子的電荷，Me為電子的質(zhì)量由此可見，電場強度越大，電子所獲得加速度就越大，實際上在低壓直流等離子體噴射條件下，增加電場強度是不容易的，但是它可以提高效率，因為在相同輸出功率的條件下，高電壓和低電流可減小電源和電路中電阻熱損耗。電子的高速運動不僅對提高等離子體的溫度有好處，而且會加速氣體的分解和電離。由電子的

21、能量增益定義電子的溫度Te Mh為重粒子的質(zhì)量，Th為重粒子的溫度從上式可知，在其他條件不變時，若單純增大平均自由程L，即提高直流噴射等離子束方法中的非轉(zhuǎn)移弧等離子發(fā)生器的工作環(huán)境真空度，也可以增加電子溫度，但是卻會產(chǎn)生下述問題：首先隨著氣流量的減小，等離子炬內(nèi)外壓力差急劇下降，等離子弧縮入陽極噴嘴內(nèi)部，噴嘴外部區(qū)域溫度下降很快，即便氣體在等離子炬內(nèi)分解率很高，當以不大的速度逸出陽極噴嘴時，又很快的復合，根本無法達到所需的等離子體能量密度。隨著氣體壓力的下降，其伏安特性曲線向下移動，且形狀發(fā)生改變。低壓推至極限時就成了電子槍了，這種狀態(tài)主要用在電子束表面淬火及離子注入表面改性等方面，也就是以后

22、要將的轉(zhuǎn)移弧。在一般的等離子體表面改性和等離子噴涂技術中應用的較少。2.2 等離子體的傳熱2.2.1 平行板間的流體傳熱在等離子炬的電弧通道中，流動過程與傳熱過程是同時發(fā)生的，它們之間是相互影響的、相互依賴的。等離子體屬于非常物性流體，我們只是定性的介紹一下它的傳熱情況。假設平行板平行于x方向，在x方向有流體流動，比熱是Cp在x方向流動的速度為u，在y方向流動的速度為v，則其對流換熱的微分方程為 其中 Cp為流體的比熱，為流體導熱率我們通常把傳熱的方式分為導熱、對流和幅射。從物理本質(zhì)來看，對流換熱實際上就是流體流動情況下的導熱問題。下面我們來看看流體的流動是如何影響傳熱的。等離子炬電弧通道一般

23、為圓柱形通道，設弧柱沿軸向的溫度梯度為零，則得到 如果rR時，則TTw 也就是說流體的流動起著內(nèi)熱源的作用，改變了原來的溫度分布，使通道壁面處的溫度梯度增大。即保持著與外界的溫差，正是這種溫差的驅(qū)動力，使熱量源源不斷地傳導出去。但是等離子體本身還存在不同于一般熱流體的特點，如電磁幅射，化學傳熱等，這些特點都將影響到液相的凝固組織的變化?，F(xiàn)在結(jié)合等離子體的電導，從微觀的角度進行分析。2.2.2 等離子體的化學傳熱在等離子炬的兩極間，粒子存在著各種運動，因電弧區(qū)溫度很高，故粒子首先具有熱運動，其次是整體向噴嘴方向的宏觀運動，此外還有離子的拉莫爾運動，在溫度梯度下的熱擴散、締合基團的熱泳運動等。首先

24、從能量平衡的角度進行分析，為了簡化，假設如下條件：1) 電弧弧柱是軸對稱的，等截面的，無限長的，即一維假定；2) 電弧弧柱內(nèi)部和外部介質(zhì)均無宏觀介質(zhì)流動，3) 定常的工作條件，排除其他因素的干擾推倒出能量平衡方程 與是電弧等離子體的電導率和導熱系數(shù)，都與溫度有關，r為弧柱半徑，etr是幅射相設電弧在通道中熾燃，而冷的通道壁起穩(wěn)弧作用，則稱壁穩(wěn)弧。一維壁穩(wěn)弧的邊界條件為rR時，TTw；r0時，對于穩(wěn)定工作的電弧，都有其確定的弧徑和相應的溫度分布，這就是弧壓最小值原理。（電弧總是穩(wěn)定地熾燃在使其電場傾度最小時的半徑上，也就是說，如果弧半徑稍有增加或減小，都會使弧電壓增大，從而使電弧的能量增加。從熱

25、力學的觀點來說，這是不穩(wěn)定的狀態(tài)，它總是要回到能量最小值狀態(tài)，即回到具有弧壓梯度最小值弧半徑2.3 等離子體的焓在許多等離子體表面技術改性工藝過程中，氣體的壓力基本上是恒定的，其壓力值是由供氣系統(tǒng)的減壓裝置所決定的，這樣，等離子體和外界的熱交換量就對應著等離子體焓的變化，所以焓是描述等離子體狀態(tài)最重要的熱力學函數(shù)之一。在等離子體條件下的焓值，其特點在于它由各種形式的能量所組成的：其中 h代表等離子體的焓值，下標KEDI分別對應著平均動能，激發(fā)能，分解能和電離能的焓。在電弧通道中，由于徑向溫度梯度很大，因而在距離弧中心不同的局域中，各部分的焓值，有其是對應分解能和電離能的焓值變化很快大，導致了個

26、區(qū)域等離子體焓的不規(guī)則變化，但是總的趨勢是隨著溫度的升高焓值增大，在同一溫度下，不通氣體的焓值也有很大的差別。以往的書中多講的焊接，切割，熔煉用的電弧等離子炬必須用雙原子或著多原子氣體等離子體作為工質(zhì)，以提高焓值，減小溫度的變化，增強與工件的換熱效果等，實際上并非雙原子或多原子氣體提高了輸出功率，而是在大流量的高焓值氣體情況下，其穩(wěn)態(tài)工作點對應的輸出效率提高了，即電源供給的能量大大提高了，還有一點應該指出的是沒在上述工作條件下，氣體流速很高且流量很大，大部分熱量可以隨之導出，尤其在轉(zhuǎn)移弧的情況下更是如此。然而在低壓條件下，利用非轉(zhuǎn)移弧直流噴射等離子炬進行化學氣相沉積或表面改性工作時，一般氣流量

27、與氣體流速都比較小，加之電弧通道較長，徑向散熱比重上升，高焓值的氣體徑向散熱根隔日嚴重，因此采用雙原子或多原子氣體提高焓值必須注意到工藝的特殊性，不然在設計等離子炬時就會出現(xiàn)事與愿違的結(jié)果。關于這部分內(nèi)容，想要深入學習的同學可以參考有關專著。24 等離子體的熱流體力學問題電弧在通道中間通過時相當于一條強發(fā)熱體，氣體在電弧中加熱分解電離并以傳導、流動、幅射等方式向外傳導能量。氣體加熱后劇烈膨脹，密度降低，從而產(chǎn)生壓力降，對氣流的影響表現(xiàn)為一種阻力，稱為熱阻力。也就是說當平行前進的氣體遇到一個物體時，氣流就會繞過該物體而繼續(xù)流動，當外加冷的氣體順著電弧方向吹入時，由于熱阻力的存在，電弧柱中的氣流量

28、是很少的，這種現(xiàn)象也稱為熱繞流。比如在火焰噴涂或等離子噴涂時，會產(chǎn)生一個大的壓力差，這樣僅有少部分氣體穿入熱區(qū)，而大部分氣體將圍繞在熱區(qū)周圍流動。熱繞流的物理意本質(zhì)為, 在熱區(qū)內(nèi)氣體密度降低使氣體向外排擠，所造成的壓力梯度趨于達到與外界相平衡，表現(xiàn)為對流體起著滯止的作用。由于可將加熱對流動的影響與質(zhì)量注入對流體的影響向比擬，設電弧區(qū)平均溫度為T1,通道壁與電弧區(qū)之間區(qū)域的平均溫度為T2,則氣體通過兩個區(qū)域的質(zhì)量流速（單位面積單位時間流過的量，并分別設為m1和m2）之比是： 試驗中出現(xiàn)的等離子體弧顏色分層現(xiàn)象就是熱繞流的一種表現(xiàn)。適當增加電弧正柱區(qū)的半徑，減小溫度梯度，增設徑向旋轉(zhuǎn)磁場形成鐘罩式

29、電弧，控制進氣方式與流量等，會有效地解決氣體的混合問題。電弧在通道中并非穩(wěn)定地處于中軸線上，隨著長度的增加，擺動幅度增大，這就造成了電弧流動的不穩(wěn)定性。在氣相沉積工藝中，等離子炬冷卻強度的變化，氣體成分的調(diào)節(jié)，氣壓的變化，電壓電流的波動等，都是造成干擾的因素。解決這一問題的方法就是在放電通道的適當位置設置限束環(huán)。在日常生活中我們可以經(jīng)常見到煤油燈燈罩長時間使用后會變黑，這就是燈罩中熱氣流的熱泳所致。什么是熱泳呢，就是當氣溶膠處于一非等溫場中，懸浮在氣體介質(zhì)中的微顆粒會收到一個與溫度梯度方向相反的作用力而運動，這種現(xiàn)象就叫做熱泳。在電弧通道中，氣體沿通道軸線運動，在徑向上又存在著溫度梯度。其中締

30、合的碳粒很小，會隨著氣流運動，在運動過程中也同樣產(chǎn)生熱繞流，即熱繞流和熱泳都對離子施加一個與溫度梯度方向相反的作用力。但是熱泳現(xiàn)象只取決于溫度梯度的存在，熱繞流現(xiàn)象是溫度梯度和氣流流動同時存在。此外，在靠近壁面處由于溫度梯度增大，故熱泳力占優(yōu)勢，而在遠離壁面處則是熱繞流的影響是主要的。在用于CVD，表面改性，氣相合成等的非轉(zhuǎn)移弧長通道大口徑直流噴射等離子炬的工作過程中，經(jīng)常會看到等離子弧顏色分層的現(xiàn)象。這說明在高溫低質(zhì)量流速的等離子弧柱周圍，有較低溫度的高質(zhì)量流速氣流，這就是熱繞流的存在。該現(xiàn)象不僅造成氣源的浪費，也使得所沉積的膜層質(zhì)量與厚度不均勻。2.5 氣體的電離與電流密度低溫等離子體應用

31、于工業(yè)上，其獨特的電磁學性質(zhì)也是很重要的。在用等離子體噴射法進行氣相合成或表面表面改性時，為了讓電弧等離子體擴束而不是限束，以獲得大面積均勻的等離子體流，必須在電弧階段給予有力的控制，這樣從控制的角度看，兩放電電極間救應有足夠的距離，以便控制元件。我們可以根據(jù)工藝的要求對等離子炬噴嘴加以控制，可以調(diào)節(jié)等離子束流的直徑，稱為機械壓縮。當自由電弧的弧柱長度較大時，將其看做由無數(shù)平行的小股電流所組成的，每股電流都將受到一個落倫茲力，而這些洛倫茲力都是指向弧柱中心的，就像一束電線當電流通過時愈箍愈緊那樣，自由電弧的弧柱直徑將受到壓力而縮小，這就是自磁壓縮。 而弧柱中的洛倫茲力將由徑向壓力梯度來平衡，也

32、就是說弧柱軸心處的壓力必然高于其他地方的壓力。由于電弧斷面的溫度不是一個不變的值即中心溫度高，邊緣溫度低，由此導致的氣體電離率也不同，在相同的弧電場強度下，電流密度就會隨著半徑的變化而變化。這樣，弧柱處壓力高于周圍大氣壓的數(shù)值稱為附加壓力 在多數(shù)情況下，電弧在電極之間熾燃的。由于電級的溫度總是低得很多，在電極附近處的弧柱溫度也將降低，其結(jié)果將使弧柱直徑縮小，稱為冷卻壓縮。冷卻壓縮與流體的對流，幅射，傳導，化學傳熱，碰撞等因素有關。這樣，由壓力附加公式可知，該處的弧柱中心的附加壓力將會升高，從而在軸向上存在壓力梯度，這個壓力梯度將會驅(qū)動弧柱中的等離子體從高壓向低壓處流動，即從近電極向遠電極的電弧

33、處流動。在這一流動的同時，為了保持電弧壓力的平衡，在陰極附近的弧柱將會吸抽周圍的冷氣體到弧柱中來，這樣就形成了從陰極附近由外部吸抽氣體進入電弧弧柱，并向陽極方向運動的連續(xù)流動，稱為陰極射流。其實這完全是溫度場的變化造成了洛倫茲力場的變化所引起的流動，也就是說在洛倫茲力場中的熱驅(qū)動流。當存在著溫度梯度及壓力梯度時，等離子體中的電荷將沿著電場方向及壓力梯度、溫度梯度的負方向運動，這樣電荷以某種速度擴散造成電流。這要注意等離子體束流的速度與氣流量和電子的速度有關。而電荷的速度只確決于電場強度也就是說無論氣流由陰極向陽極方向流動多快，只要保持一定的極間電壓，則電子由陰極擴散至陽極的軸向速度就不會改變。

34、2.5 等離子體流與磁場的相互作用由于電弧等離子體的良導電性，我們可以通過外加磁場來改變電弧的位置和形狀，因為電弧本身會產(chǎn)生自磁場，所以隨著電弧的形狀和運動狀態(tài)的改變，電弧中的電流密度也會發(fā)生變化，從而自磁場也會發(fā)生變化。目前科學研究只是針對外加磁場對等離子體的影響，而自磁場的影響目前只有很少的人研究，沒有什么模本可以遵循。我們給等離子體加上一個正交磁場，則磁場主要作用于電子運動的平均自由程，這種在平均自由程內(nèi)由于正交磁場分量所導致的帶電離子運動的變化稱為拉莫爾運動。質(zhì)量為M的電荷q在磁場B0中運動時所受的力為式中 v為垂直于磁場B0的速度矢量，t為時間。電荷在垂直于磁場B0的平面上運動軌跡投

35、影議程為 r為拉莫爾半徑。也就是對于電子而言，。 拉莫爾運動的物理意思1) 不斷改變運動方向，從而加劇了電子碰撞機率，提高了電離率。2) 攪拌作用，使成分更加均勻化。3) 由于磁攪拌作用，使得在陽極斑點和陰極斑點以極高的頻率跳動，使之不易駐扎在一點上，防止電極燒蝕。從宏觀上來說，電流從陽極向陰極流動，在磁場中就存在一個宏觀的力，這個力使電弧繞中心陰極的宏觀旋轉(zhuǎn)運動，而且速度會越來越快。此時電弧弧柱不可能再保持直線的形狀，而是象揮舞的繩子那樣，呈現(xiàn)彎曲的形狀。我們進行磁控的目的就是要使電弧高速運動不燒蝕電極和磁勻弧作用。氣體放電的雪崩效應和電弧弧柱的自磁壓縮，使等離子弧中的能量集中在很小的區(qū)域內(nèi)

36、，這就意味著弧柱中的電流密度梯度和溫度梯度都是很大的，等離子切割、等離子焊接等技術正是利用了這種特點而優(yōu)于其他工藝的。但是對于等離子體噴射表面改性應用來講，則不希望熱量過分集中，而需要寬廣的、“軟”的等離子弧，以獲得高的工藝質(zhì)量和工作效率。所謂“軟”的等離子體是指等離子體流或等離子體射流的速度比較低的等離子體。如果采用磁場控制來使電弧弧柱的橫截面加大，使弧柱內(nèi)的電流密度和溫度的分布平坦化，進而降低等離子體的流動速度，則稱為磁勻弧。2.7 熱等離子體發(fā)生器在這里我們主要講的是直流電弧等離子炬，在前面我們講過氣體放電的伏安特性，在常壓下空氣放電的擊穿電壓要比急轉(zhuǎn)電壓（也就是雪崩電壓）要大，如圖其中

37、弧光放電就是等離子炬的載荷特性，將等離子炬的載荷特性與電源電壓的陡降輸出特性相結(jié)合，就會得到等離子炬的穩(wěn)態(tài)工作點。也就是說當發(fā)生雪崩效應之后，電流無限擴大時在b點，電源截至這種趨勢，使電流和電壓穩(wěn)定在B點，即B點就是穩(wěn)態(tài)工作點。如圖：VI0冷卻水氬氣冷卻水氬氣氬氣冷卻水圖1 表面冶金等離子炬設計原理圖Fig.1 schematic diagram of plasma torch for surface metallurgy按照陽極的通電方式的不同，我們可以將電弧等離子炬分為非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧兩種，非轉(zhuǎn)移弧放電是陰極和陽極都在等離子炬上，等離子弧在陰極和陽極之間直接放電，氣體經(jīng)放電區(qū)被加熱稱為等離

38、子體，然后經(jīng)過陽極噴嘴壓縮后噴射到工件表面。電弧自成回路，存在等離子束的分流現(xiàn)象，經(jīng)長期使用后，可以看出電極表面上電弧斑點燒蝕痕跡的位置，因此它的熱效率不是很高。并且與工件的導電性無關，也就是說可以針對任何材料主要用于氣相沉積，噴涂，噴焊。轉(zhuǎn)移弧等離子炬就等離子炬中的陰極所發(fā)射的電子，經(jīng)噴嘴壓縮后噴射到工件表面后放電，即等離子炬的陰極作為陰極，而工件則成了陽極，這就要求工件必須具有導電性。在轉(zhuǎn)移弧的狀態(tài)下，陽極放電斑點集中在工件上的待切割部位，使之熔化或汽化，并被高速氣流束吹走，而等離子炬上作為引弧用的陽極則處于非工作狀態(tài)，僅起到壓縮電弧的作用，其內(nèi)壁由強的旋轉(zhuǎn)空氣流所包圍，將高溫等離子體流與

39、之隔絕，因而可長時間連續(xù)工作而不被燒損。因此它的熱效率遠遠高于給轉(zhuǎn)移弧放電。主要用于切割，等離子束表面冶金。 有時候需要高壓高焓值的時候利用聯(lián)合弧，就是將兩種弧的放電形式綜合起來，這樣就使弧根有較高的轉(zhuǎn)速，以提高電極壽命，減少電極燒蝕對等離子體的污染。如等離子體焊接就是采用聯(lián)合弧。第三章 等離子體表面改性技術3.1 金屬表面物理化學金屬表面實際上是凝聚物質(zhì)靠近氣體或真空的一個或幾個原子層，表面原子與內(nèi)部原子有很大的不同。表面上各原子的能量并非完全一樣，存在不同的表面能。其中表面張力是表面能的一種物理表現(xiàn)，如何去度量涂層材料與基材是否有良好的匹配關系成為涂層技術的一個重點。1) 考慮到材料與基材

40、材料熱膨脹系數(shù)的匹配性，考慮涂層與基材的熱膨脹系數(shù)的差異對涂層的結(jié)合強度、抗熱震性能、特別是抗開裂性能的影響。2) 冶金材料與基體材料熔點的匹配性 ，差異過大的話就不能形成不了良好的冶金結(jié)合。3) 冶金材料對基材的潤濕性 除了考慮冶金材料的熱物理性能外，還應考慮在等離子束快速加熱下的流動性、化學穩(wěn)定性、硬化相質(zhì)點與粘結(jié)相金屬的潤濕性以及高溫快冷時的相變特征等。3.2 固體表面的吸附因為物體表面上原子或分子的力場是不飽和的，因此就有吸引其他分子的能力，這就是所謂的吸附作用。固體表面對氣體的吸附可分為物理吸附和化學吸附。在物理吸附中固體表面與被吸附的分子之間的力是范德華力，這種吸附只有在溫度低于吸

41、附物質(zhì)的臨界溫度時才顯得重要。在化學吸附中二者之間的力與化合物中原子間形成化學鍵的力相似，這種力比范德華力大的多，因此兩種吸附所放出的熱量大小也相差懸殊?；瘜W吸附只有在特定的固氣界面上才會發(fā)生，物理吸附的速度一般比較快，而化學吸附卻象化學反應那樣需要一定的活化能，所以速度比較慢?；瘜W吸附時表面和吸附質(zhì)之間能形成化學鍵，所以化學吸附總是單分子層的，而物理吸附卻是多分子層的，物理吸附往往很容易解吸，而化學吸附則很解吸，即前者是可逆的，后者是不可逆的，因為后者隨著電子的轉(zhuǎn)移。在開始吸附時，往往主要是物理吸附，隨著溫度的升高，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W吸附。不論是物理吸附還是化學沉積，吸附量都隨著溫度的升高而下降

42、。3.3 材料表面技術的分類低溫等離子體主要分為冷等離子體和熱等離子體薄等離子體。在材料表面改性技術中,濺射、離子鍍、離子注入、等離子化學熱處理工藝應用的是在低壓條件下放電產(chǎn)生的低壓(冷)等離子體, 而等離子噴涂、等離子淬火及多元共滲相變強化、等離子熔覆或表面冶金等工藝中應用的是低溫等離子體中的稠密熱等離子體,通常指壓縮電弧等離子束流。我們主要講壓縮電弧等離子體的應用第四章 離子注入和滲入離子注入就是將幾萬到幾十萬的電子伏特的高能束流注入到固體材料表面內(nèi)，從而改變材料表面層的物理、化學和機械性能的一種新的表面原子冶金方法。其主要特點：1) 離子注入是一個非熱平衡過程，注入離子的能量很高，可以高

43、出熱平衡能量二至三個數(shù)量級，因此從理論上，周期表上的任何元素都可注入任何基體材料；2) 注入元素的種類、能量、計量均可選擇，用這種方法形成的表面合金，不受擴散和溶解度等經(jīng)典熱力學參數(shù)的限制，即可得到用其他方法無法得到的新合金相；3) 離子注入層相對于基體材料沒有邊緣清晰的界面，因此表面不存在黏附破裂或剝落問題，與基體結(jié)合牢固；4) 離子注入由電參量控制，故易于精確控制注入離子的密度分布，濃度分布也可以通過改變注入能量來加以控制；5) 離子注入一般是在常溫和真空中進行，加工后的工件表面無變形。無氧化、能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特別適合于高精度密部件的最后加工；6) 可有選擇地改變基體材料的

44、表面能量（潤濕性），并在表面內(nèi)形成壓應力。離子注入技術的缺點： 設備昂貴，成本太高，故目前主要用于重要的精密關鍵部件的處理。離子注入層比較薄；離子注入也不能用來處理具有復雜凹腔表面的零件，且離子注入零件要在真空中進行，從而得到被處理零件收到真空室中進行，從而使被處理零件收到真空室尺寸的限制。4.2 等離子注入的應用作為注入離子流目前應用較多的非金屬元素有N。C、B等，耐蝕抗磨的金屬元素有鈦，鉻，鎳等，固體潤滑元素有硫，鉬，錫，銦等，另外還有耐高溫元素銥及稀土元素等。離子注入金屬表面以后能顯著地提高其表面的硬度。耐磨性，耐腐蝕性等。離子注入金屬表面發(fā)生強化作用的機理為：具有高能量的離子注入金屬表

45、面后，將和基體金屬原子發(fā)生碰撞，從而使晶格大量損傷。一系列的碰撞級聯(lián)過程，在被撞擊的表面層內(nèi)部產(chǎn)生強輻射損傷區(qū)，可使金屬表面從長程有序變?yōu)槎坛逃行颍纬煞蔷w，使性能發(fā)生改變。所產(chǎn)生的大量空位在注入熱效應的作用下，集結(jié)在位錯周圍，對位錯產(chǎn)生釘扎作用，也就是固溶強化。高速離子轟擊基體表面，還有類似噴丸強化的冷加工硬化作用，并可使表面不平度減小?？傊x子注入金屬和金屬中的吸出物已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，只要是延長許多貴重精密工具的使用壽命和抗腐蝕特性。4.3等離子體基離子注入(PB)基本原理     上圖是PB裝置示意圖。設備由真空室、進氣系統(tǒng)、等離子體源、

46、等離子體、真空泵系統(tǒng)、電絕緣工件臺和脈沖高壓電源組成。在PB加工時，先將工件置于真空室內(nèi)，采用熱陰極、射頻(RF)、電子回旋共振(ECR)、金屬蒸汽真空弧放電(MEVVA)等多種方法產(chǎn)生彌漫在整個真空室內(nèi)PB所需的等離子體，這樣工件就直接湮沒在等離子體中。由于等離子體中電子的運動速度遠大于正離子速度，因此由于熱運動而隨機投向工件表面的電子流量要比正離子大得多，于是將形成近工件表面處富集電子而近等離子體側(cè)則富集正離子所謂Langmuir鞘層。然后以工件為陰極，真空室壁為陽極，施加一高電壓脈沖。在此瞬時，工件表面附近電子被逐出，而正離子在電場作用下被加速，射向工件表面并注入工件表面。 &

47、#160;        目前等離子體基離子注入已不僅局限于氣體介質(zhì)的離子注入(GaPB)，而且可以進行金屬的注入(MePB)，以及金屬和氣體離子多元離子復合注入。通常MePB的設備要比GaPB的復雜；其金屬離子往往大于一價，而GaPB的離子一般為一價或半價；而且MePB能提供較大的劑量，高斯?jié)舛确植疾幻黠@。因此氣體介質(zhì)和金屬離子的PB技術尚存在一定區(qū)別。     三、PB技術特點     PB除具有離子注入的固有特點外，尚具有下述特點： 

48、60;   (1)克服視線加工的局限，實現(xiàn)全方位注入  由于在等離子體基離子注入過程中，工件湮沒在等離子體中，依靠施加在工件上的脈沖負偏壓所產(chǎn)生的強電場，幾乎每個暴露的金屬表面均可吸引離子，從而可從四面八方對工件進行全方位的離子注入，解決了離子注入在復雜形狀工件上的應用問題。     (2)高效率，操作控制安全方便  由于離子注入可以在施加脈沖負電位的工件上同時進行，無需掃描，就可實現(xiàn)大面積注入，故效率頗高。另外調(diào)節(jié)脈沖負偏壓大小，波形和頻率就可方便地控制離子注入過程，操作方便。   

49、  (3)批量生產(chǎn)  PB加工過程中，陰極是工件本身，工件周圍的等離子鞘層就是陽極，因此每個工件及其周圍的等離子體鞘層就形成了一個獨立的離子注入系統(tǒng)，這樣等離子體基離子注入就可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)。值得注意的是，在多個工件同時處理時，應避免各個工件等離子鞘層的空間交叉。     (4)生產(chǎn)成本降低  由于PB是全方位離子注入，工件在傳統(tǒng)離子注入過程中所必需的往復、旋轉(zhuǎn)等操作就可以省去，故此注入設備不需要復雜的轉(zhuǎn)動靶臺，也不需要離子束掃描裝置。再加上生產(chǎn)效率高，可批量生產(chǎn)，故總的生產(chǎn)成本相對傳統(tǒng)離子注入技術有較大降低。 &

50、#160; 四、PB在工業(yè)上的應用   由于PBII能實現(xiàn)大面積全方位均勻注人，可批量生產(chǎn)，且費用較低，容易被人們接受，因此PB技術經(jīng)過近二十年的發(fā)展已日趨成熟，應用日益廣泛。例如，S.Schoser，M.Ueda，J.chakrabortv和哈爾濱工業(yè)大學的夏立方、戰(zhàn)再吉等均采用PB技術對鋁合金基體進行了注氮處理，可在其表而形成硬質(zhì)AIN相，大大提高鋁合金的表面硬度和耐磨性；J.Chen采用甲烷全方位等離子注入，可以提高Ti-6Al-4V和304不銹鋼表面的摩擦和抗腐蝕性能；K.Baba等人以甲烷和乙炔等工作氣體，在優(yōu)化的PB工藝條件對硅片沉積類金剛石膜(Diamond

51、like Carbon film, DLC)，膜的表面光滑，其最高硬度約為20.3GPa，在O.245N載荷下摩擦系數(shù)儀為0.006；若用氟苯等作為工作氣體，通過全方位離子注入，在硅片和不銹鋼試樣上沉積氟化非晶碳膜，該膜具有100º接觸角，可以提高其抗腐蝕能力；他們還對毫米尺寸的不銹鋼管和鎳管以乙炔為工作氣體進行全方位注入，取得了良好的效果；采用PB方法，日本粟田株式會社在氣缸上制備了DLC膜，并成功地將涂有DLC薄膜的產(chǎn)品用到了自行車上；另外，核工業(yè)西南物理研究院與貴陽航空液壓件廠合作成功開發(fā)全方位離子注入處理配流盤工藝，大大提高了其使用壽命，并取得了明顯的經(jīng)濟效益。 &

52、#160; PB技術在半導體和微電子領域中也得到應用。通過全方位離子注入，香港城市大學Paul K Chu成功開放了P/Ion-Cut工藝，高效率制備SOI材料。傳統(tǒng)上在硅片上注入氫或氧需要掃描，而采用PB技術，8in或12in的硅片可同時注入，效率頗高。Nathan等人研究表明對于6in硅片，采用PB技術效率可提高10倍；R.J Matyi把PB用于硅中摻雜硼，并取得了很好的效果；還有采用PB技術進行硼的槽壁摻雜、超淺摻雜以及TiO2，光催化膜制備等。   PB技術還可作為聚合物材料的表面改性的重要手段。如采用CF4對聚合物進行全方位離子注入可以改善其抗水性能；采用PB技

53、術將PET膜表面改性為無定性碳，以提高其抗氧化能力；采用Ar氣的全方位離子注入，對聚苯乙烯、聚丁乙烯等進行表面改性，可以改善其表面電阻率。   此外國內(nèi)還有人用PB技術對45鋼的油井抽油泵柱塞進行氮離子注入，提高了表面顯微硬度，同時也改善了表面的耐腐蝕性；對9Cr18進行氮的PB處理，能顯著提高其表面硬度和耐磨性，同時其耐腐蝕性也得到明顯改善；在M42高速鋼齒輪插齒刀采用多弧離子鍍TiN后進行等離子體基離子注氮和注碳，可以提高耐磨性6倍以上；由38CrMoAl制作伺服系統(tǒng)分油蓋，采用等離子體基注氮后可提高壽命9倍以上。   至于金屬等離子體基離子注入的應用則起步較晚，特別在非微電子工業(yè)的應用和研究。MePB目前主要用于制備金屬薄膜、復合膜、非晶金剛石膜、表面活化和表面鈍化等。例如，在不銹鋼表面用MePB法沉積Pd和W，以便能承受惡劣環(huán)境下長時間的腐蝕；在Si和GaAs基體上沉積320