《微波與等離子體》PPT課件.ppt

1、其次，等離子體的概念，3，等離子體的分類和獲取，4，4茄子類型的等離子體反應(yīng)，1，微波的概念，5，在高溫等離子體的武器合成中的應(yīng)用，6，在低溫等離子體的武器合成中的應(yīng)用，1，微波，1概念微波和無線電波的應(yīng)用分米，以及微波頻率高于一般無線電頻率，通常稱為“超高頻電磁波”。微波通常通過DC或50Hz交流電上的特殊設(shè)備獲得。產(chǎn)生微波的設(shè)備有多種，但主要分為半導(dǎo)體設(shè)備和傳記真空設(shè)備兩類茄子。傳記真空裝置是利用電子在真空中運動來完成能量轉(zhuǎn)換的裝置，或稱為電子管。在傳記真空裝置中可以生產(chǎn)高功率微波能量的磁控、多腔速度管、微波3、陰極管、行波管等。目前微波加熱領(lǐng)域，尤其是工業(yè)應(yīng)用中，主要是磁控和速調(diào)管。2微

2、波的產(chǎn)生、微波的基本特性一般表現(xiàn)為滲透、反射、吸收三種茄子特性。從電子學(xué)和物理學(xué)的角度來看，微波具有不同于其他波的以下重要特征。3微波的性質(zhì)，3.1穿透性滲透能力是電磁波滲入介質(zhì)內(nèi)部的能力。電磁波從介質(zhì)表面進(jìn)入并在其中傳播時，能量不斷吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，因此它所具有的能量隨著介質(zhì)表面的距離呈指數(shù)減少。微波比用于紅外、遠(yuǎn)紅外線等輻射加熱的其他電磁波更長，因此穿透性更好。3.2熱慣性微波在介質(zhì)材料中瞬時加熱，加熱，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率可以隨時調(diào)節(jié)，介質(zhì)溫度上升會變成惰性，沒有“余熱”現(xiàn)象，對自動控制和連續(xù)生產(chǎn)的需要非常有利。3.3可選加熱原理：根據(jù)物質(zhì)吸收微波的程度，物質(zhì)材料可以分為

3、導(dǎo)體、絕緣體和介質(zhì)。微波不能進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部，只能在表面反射。絕緣體幾乎不能通過微波吸收微波。介質(zhì)通?？梢酝ㄟ^極性分子組成的微波吸收。介質(zhì)分子在微波中極性分子的取向?qū)⑴c電場方向一致。電場變化時，極性分子也發(fā)生變化。一方面，極性分子的變化落后于電場的變化，產(chǎn)生扭曲效果，變成熱。另一方面，介質(zhì)分子在電場的作用下排列成兩極，電場振動，使兩極分子旋轉(zhuǎn)和移動，加速的離子相遇，碰撞摩擦發(fā)生時變成熱。也就是說，微波加熱機制通過極化機制和離子傳導(dǎo)機制加熱。微波加熱具有以下特點： (1)選擇性加熱(2)采用內(nèi)部加熱方式，快速高效，能耗低，無污染，易于控制。選擇性加熱材料吸收微波的能力主要由介質(zhì)損耗因素決定。遺傳損失

4、系數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力強，反之弱。由于各物質(zhì)的損耗系數(shù)不同，微波加熱顯示出選擇性加熱的特征。水分子是極性分子，介電常數(shù)大，其介電損耗系數(shù)也大，對微波有很強的吸收力。蛋白質(zhì)、碳水化合物等遺傳常數(shù)相對較小，對微波的吸收能力比水小得多。P=2f E2r V TG微波場電中介質(zhì)吸收微波功率的大小P與頻率F、電場強度E的平方、介電常數(shù)R和介質(zhì)損失相切TG成正比。內(nèi)部加熱方法一般加熱是先加熱物體表面，然后通過熱傳導(dǎo)逐步提高中心溫度(即外部加熱)。微波屬于內(nèi)部加熱，電磁力直接作用于介質(zhì)分子，轉(zhuǎn)化為熱，透射性能通過同時加熱材料內(nèi)外的介質(zhì)，不需要熱傳導(dǎo)，內(nèi)部缺乏熱條件，內(nèi)部溫度高于外部溫度梯度分布，形成內(nèi)

5、部水分滲透表面的蒸汽壓差，從而加快水分移動蒸發(fā)速度。3.4光性和聲學(xué)性光性：當(dāng)波長期小于物體的大小時，微波的特征類似于幾何光學(xué)。聲學(xué)：波長和物體大小相同的情況下，微波的特征與聲波相似。3.5鄭智薰電離微波的楊紫能量不大，不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的耦合。分子原子核在外加電磁場的作用下表現(xiàn)出的許多共振現(xiàn)象發(fā)生在微波范圍內(nèi)，因此微波提供了探索物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性的有效研究手段。3.6信息性微波頻率高，因此可用頻帶擴大到數(shù)百，甚至千兆赫。這意味著微波的信息容量大，因此包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)在內(nèi)的現(xiàn)代多路復(fù)用系統(tǒng)都在微波頻帶上工作。4微波的應(yīng)用，雷達(dá)和通信加熱和滅菌在無機化學(xué)中的應(yīng)用，4.

6、1雷達(dá)和通信，衛(wèi)星通信，4.2加熱和殺菌，*對食物的加熱頻率為：2450 MHz(波長12.24厘米)的微波。*產(chǎn)業(yè)科學(xué)和醫(yī)學(xué)的頻率為433 MHz、915 MHz、2450 MHz、5800 MHz和22125 MHz。目前國內(nèi)用于工業(yè)加熱的一般頻率為915 MHz和2450 MHz。滅菌，4.3微波在無機化學(xué)中的應(yīng)用，合成催化劑材料在分子篩催化劑合成中引入了微波加熱方法。其他工藝條件相同時，所需時間僅為傳統(tǒng)加熱方式的1/30-1/40，因此顆粒較小，形狀規(guī)律，分布均勻。陶瓷材料的微波燒結(jié)具有卓越的優(yōu)點：節(jié)能，沒有時間和污染。燒結(jié)溫度低，材料受熱均勻，密度高，材料性能大變化，生產(chǎn)出具有新微觀

7、結(jié)構(gòu)優(yōu)良性能的材料。以碳材料潘希安等棉莖為原料，微波輻射氯化鋅法制備活性炭，活化時間為6min(傳統(tǒng)方法的1/36)，產(chǎn)品吸附性能超過了國家一級標(biāo)準(zhǔn)。功能材料制造微波加熱技術(shù)是合成沸石分子篩的有效方法，NY沸石的合成從24h減少到10min等，大大提高了合成速度，同時，晶體的粒子大小得到有效控制，質(zhì)量大大提高。(威廉莎士比亞、Northern Exposure(美國電視電視劇)、功能材料制造)microwave和一些合成方法相結(jié)合，可以產(chǎn)生性能優(yōu)良的材料。例如，與水熱法相結(jié)合，產(chǎn)生高度分散的粒子，團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少。與等離子體結(jié)合，事例如下。用微波等離子化學(xué)氣相沉積法制備的新型納米片狀碳膜在CH

8、4和H2的混合系統(tǒng)中采用石英管微波等離子體化學(xué)氣相沉積方法，在硅片上制備了新的長1um、寬100nm互纏繞納米片狀碳膜。2，等離子體的概念，等離子體：又名等離子體，電子準(zhǔn)中性：在等離子體中正離子和正離子的數(shù)量幾乎相同，系統(tǒng)宏觀上呈中性，但在小尺度上表現(xiàn)出電子性，集體效應(yīng)突出地反映了等離子體和中性氣體的差異。它廣泛存在于宇宙中，經(jīng)常被認(rèn)為是消除固體、液體和氣體的物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。等離子體和氣體的區(qū)別，普通氣體由分子組成，分子之間的相互作用力是短距離力。只有分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯的效果。理論上用分子運動論描述等離子體中帶電的粒子，電荷方向運動產(chǎn)生電流，產(chǎn)生磁場電場和磁場，影響

9、其他傳記粒子的運動，并伴隨著強熱輻射和熱傳導(dǎo)。等離子體可以被磁場約束為旋轉(zhuǎn)運動等等離子體的這種特性，從而將普通氣體區(qū)別于物質(zhì)的第四種狀態(tài)。3，等離子體的分類和獲取，1 .分類1.1根據(jù)生成方法是天然等離子體，宇宙中物質(zhì)的99。9%處于恒星星系、星云等等離子體狀態(tài)。地球比較特別。物質(zhì)大部分以冷凝的形式存在，能量水平低。人工等離子：隨處可見的熒光燈，霓虹燈的放電等離子等。1.2電離也在等離子體中有電子、陽離子、中性粒子等三種茄子粒子。通過將密度分別設(shè)置為ne、ni、nn并定義電離度=ne /(ne nn)，測量等離子體的電離度。等離子體如果=ne /(ne nn)，* 1，則可分為三個茄子類別*

10、0。在01 1中，一些電離等離子體，例如大氣電離層、極光、閃電等。* 0.01是弱電離等離子體，例如火焰的等離子體大部分是中性粒子，傳記粒子成分少，屬于弱等離子體。根據(jù)1.3熱力學(xué)平衡分類，根據(jù)離子溫度和電子溫度是否達(dá)到熱平衡，等離子體可以分為三類茄子。*整個熱力學(xué)平衡等離子體：在整個等離子體系統(tǒng)T 5000K中，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，各種粒子的平均動能相同。牙齒等離子體稱為熱力學(xué)平衡等離子體，簡稱平衡等離子體。*局部熱力學(xué)平衡等離子體：局部熱力學(xué)平衡中的等離子體。*鄭智薰熱力學(xué)平衡等離子體。根據(jù)1.4系統(tǒng)溫度對高溫等離子體和低溫等離子體進(jìn)行分類。高溫等離子體是比融合、太陽核心等10，000高的

11、等離子體。高溫等離子體的粒子溫度T 108-109K，粒子徐璐碰撞，達(dá)到核聚變反應(yīng)的條件。低溫等離子體又分為熱等離子體和冷等離子體兩種。熱等離子體是由稠密的氣體在大氣壓力或高壓下電弧放電或高頻放電引起的，溫度也達(dá)到數(shù)千到數(shù)萬個，使分子、原子離解、電離、化合等成為可能。冷等離子體的溫度在100-1000K之間，通常稀薄的氣體在低壓下通過激光、射頻或微波電源進(jìn)行輝光放電而產(chǎn)生。根據(jù)1.5生成方法和路徑，除了自然系統(tǒng)本身生成的等離子體外，人為產(chǎn)生等離子體的方法主要是氣體放電法、射線輻射法、光電法、熱電法、沖擊波法等。其中化工中最常見的是氣體放電法。根據(jù)添加的電場的頻率，氣體放電可以分為直流放電、低頻

12、放電、高頻放電、微波放電等多種類型。根據(jù)放電形式，可分為電暈、輝光、電弧等離子等。根據(jù)氣壓可以分為低壓等離子體和常壓等離子體。2等離子體的生成方法和原理，獲得等離子體的方法和途徑各不相同。其中，宇宙星、星際空間、地球高空的電離層等屬于自然界產(chǎn)生的等離子體。這里只討論人工生成等離子體的主要方法和原理。一般來說，電離方法是：光、X射線、射線照射：通過光、X射線、射線照射提供氣體電離所需的能量。由于放電的起始電荷是電離產(chǎn)生的離子，因此形成的電荷密度通常很低。輝光放電：從直流電到微波的所有頻段的電源都產(chǎn)生各種電離狀態(tài)。輝光放電法產(chǎn)生的低溫等離子體在薄膜材料的制備技術(shù)中應(yīng)用很廣。燃燒：通過燃燒，火焰中的

13、高能粒子徐璐碰撞，氣體發(fā)生電離，牙齒電離通常稱為熱電離。另外，特定熱化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量也可能引起電離。沖擊波：氣體急劇壓縮時形成的高溫氣體，產(chǎn)生熱電，形成等離子體。激光調(diào)查：高功率激光調(diào)查可以蒸發(fā)物質(zhì)，使其電離。堿金屬蒸汽與高溫金屬板的接觸：堿金屬蒸汽的電離能量小，因此堿金屬蒸汽接觸到大金屬時容易發(fā)生電離。微波刺激等離子體：用微波加熱產(chǎn)生等離子體。3等離子體的性質(zhì)，等離子體的性質(zhì)，往往取決于原子、分子、離子、電子、化學(xué)鍵等等離子體的成分。粒子所在的狀態(tài)，例如中性、發(fā)生狀態(tài)、電離狀態(tài)、激活分子和自由基。各種粒子數(shù)密度，即單位體積中的粒子數(shù)。各種粒子的溫度。如果電子和離子的溫度相同，則稱為平衡等

14、離子體。相反，不平衡等離子體是具有等離子體的環(huán)境，例如電場強度、磁場強度、電極結(jié)構(gòu)、棋類、電容器等。各種因素的作用時間。應(yīng)用取決于它的性質(zhì)和狀態(tài)。等離子體的應(yīng)用包括它的性質(zhì)和狀態(tài)，4種，4種等離子體反應(yīng)，1。A(s) B(g)C(g) C (G)，選擇合適的氣體，其等離子體與固體表面物質(zhì)反應(yīng)，產(chǎn)生揮發(fā)性氣體物質(zhì)，是等離子體的角速度。使用不同氣體的等離子體幾乎可以刻制所有材料，刻制的分辨率高。1.母體分子CF4在高能電子的碰撞下分解成各種中性基團(tuán)或離子CF4 CF3，CF2，CF，F(xiàn)，C和它們的離子2。牙齒活性粒子因擴散或電場作用而到達(dá)SiO2表面，在表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，第二階段，在含有硅的氣體中

15、暴露光刻，使光刻硅化。最后一步是用氧等離子體將廣角膠蝕刻成各向異性。2 .A(g) B(g)C(s) D(g)，兩種或多種氣體在等離子體狀態(tài)下徐璐反應(yīng)，生成的固體物質(zhì)以薄膜的形式沉積在基板上。這就是等離子化學(xué)氣相沉積(PCVD)。該過程可能包括反應(yīng)氣體擴散到固體表面。反應(yīng)氣體吸附在固體表面。表面氣體和固體的化學(xué)反應(yīng)；氣體副產(chǎn)品解吸擴散或被真空泵去除，在表面留下產(chǎn)物(專一物)。非晶硅(-Si)太陽電池的大規(guī)模低成本PCVD工藝通常以硅SiH4為主要原料，輝光放電形成等離子體。僅SiH4反應(yīng)產(chǎn)生的是I型非晶硅半導(dǎo)體，在SiH4中混合少量B2H6會產(chǎn)生P型層?；旌仙倭縋H3會產(chǎn)生n型層。在絕緣材料氮

16、化硅Si3N4約300溫度下通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積而產(chǎn)生。同樣效果的鄭智薰等離子體化學(xué)氣相沉積過程需要900牙齒。這樣高的溫度會融化鋁，破壞零件。以聚甲基丙烯酸甲酯包裹的Al2O3有機-無機納米復(fù)合材料在納米粒子的出口引入有機單體。等離子體輻射下的粒子表面，3 .A(s) B(g)C(s)在瞬間聚合。這意味著B氣體放電等離子體對固體A表面做出反應(yīng)，在表面產(chǎn)生新的東西。表面變形可以在金屬表面或聚合物材料表面進(jìn)行。在金屬表面，聚合物材料表面，如金屬表面的氧化或表面氮化，是聚合物材料的表面改性。，4 .A(g) B(g) M(s)AB(g) M(s)，這些反應(yīng)在固體物質(zhì)M的表面起到催化作用，促進(jìn)氣體分子的解體和復(fù)合，5，高溫等離子體在無機合成中的應(yīng)用。1研究最早、比較成熟的是等離子煉鋼。以廉價煤代替昂貴的焦炭，能耗低(從4100kW/t減少到3100kW/t)，效率高。產(chǎn)品質(zhì)量好。南非MSA、瑞典鉻合金撤回公司-鉻鐵合金Samanc