[工学]1等离子体 喷涂基础.ppt

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[工学]1等离子体 喷涂基础

等离子喷涂技术 第一章 等离子喷涂技术基础 第一节 等离子体基本概念 1 什么是等离子体? 1)等离子体是由被剥夺部分电子的原子及电子组成 的离子化气体状物质。 在等离子喷涂技术中所叙述的等离子体,不是这种广义的等离子体,而是指气体经过压缩电弧后由于出现高温而形成的等离子体,一般称为热等离子体。 2)等离子体是物质第四态 (2)电离度和电离能 气体电离程度的强弱可用电离度来表示。通常把已电离气体的粒子数与未电离前的粒子总数之比称为电离度。其表示公式如下: ※ 温度 随着温度的升高,气体离子运动的动能也就增加。具有高动能的粒子在热运动中互相碰撞,就可以有更多机会发生电离。所以温度对电离度的影响是比较大的。温度越高,电离度越大。 电离能 气体原子中的外层电子摆脱原子核对它的束缚,而成为自由电子时所需的能量称为电离能。可用下式表示: 表1.1 几种气体在常温常压下的电离电位 根据表1.1可以算出各种不同气体电离时所需的电离能W。现以氮气为例: 氮气的电离电位: Ui=15.8伏 电子电量: qe=1.6×10-19库 氮气的电离能为: W=qe·Ui =1.6×10-19库×15.8伏 =2.528×10-18焦 供给气体的电离能可以通过各种不同的方法来获得,若电离能是通过热能来获得而产生的电离现象称为热电离;电离能是由光获得而产生的电离现象称为光电离;此外还有碰撞电离和微波电离。在工业中经常遇到的是热电离和碰撞电离。例如,闪电、焊接电弧、等离子电弧均属于热电离。普通的日光灯和霓虹灯都属于碰撞电离。 2 等离子体的分类 1) 按等离子体温度分 (1)高温等离子体:温度相当于108~109 K完全电离的等离子体,如太阳、受控热核聚变等离子体。 (2)低温等离子体: 热等离子体:稠密高压(1大气压以上),温度103~105K,如电弧、高频和燃烧等离子体。 冷等离子体:电子温度高(103~104K),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等。 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 主要应用    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)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属;还用于简化工艺过程,例如直接从ZrCl4、MoS2和TiCl4中分别获得Zr、Mo和Ti;用等离子体技术还可开发高硬高熔点的合金粉末,如WC-Co、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。   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。用等离子体技术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) 等离子体焊接:可用以焊接钢、合金钢;铝、铜、钛及其合金。特点是焊缝平整,可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。还用于切割钢、铝及其合金,切割厚度大。   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,等离子体产生的高能粒子(轰击的正离子)在强电场下,朝硅片表面加速,这些粒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。   5) 等离子体隐身: 在军事应用于飞行器的隐身。   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。 第二节 等离子弧的物理基础 2) 自由电弧产生的原理 自由电弧产生的原理如图1.2所示。当开关K关闭时,两极间存在一定的电压。在正负两电极间的间隙里产生一个较强的电场。两极间隙距离越小,电场越强。当间隙小到一定程度时,电场力就足以将阴极电子拉出电极而飞向阳极。随着电场力的增加,电子获得很高的动能,足以对气体粒子进行撞击而产生电离现象。电离后的气体又会出现更多的电子,这些电子在电场中又会加速去撞

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