等离子体原理与应用.ppt

脉冲高能量密度等离子体PHEDP产生装置物理性质应用脉冲高能量密度等离子体装置示意图产生装置：同轴等离子体枪、快速脉冲电磁阀、RLC充放电电路、真空腔体工作原理：由RLC电路系统给内外电极加一个高压，当工作气体在脉冲电磁阀控制下快速从同轴枪底端冲入时，在高压作用下被击穿电离，产生一个大的脉冲电流，使气体电离形成等离子体，同时巨大的脉冲电流使内电极材料表面蒸发，溅射形成内电极材料组成的等离子体。因此等离子体是由工作气体和内电极材料两种等离子体组成的。在洛伦兹力作用下，等离子体加速地向出口处推进，同时内电极材料不断地被溅射出来形成等离子体，可以说，在等离子体运动过程中，工作气体产生的等离子体量由于与内外电极不断碰撞而不断减少，而内电极溅射产生的等离子体量则不断增加。等离子体中最终的成分比例将主要依赖于电极间的电压降。PHEDP的性质：脉冲等离子体具有电子温度高(10-100eV)、等离子体密度高(1014-1016cm-3)、定向速度高(～107cm/s)、功率大(104W/cm2)等特点。脉冲等离子体的成分比例强烈依赖于放电电压。左图反映了采用金属钛作内电极时，在氮气工作气体情况下，在脉冲等离子体中，氮离子和钛离子比值随放电电压变化的关系。结果表明，高的放电电压导致更多的内电极钛离子产生。脉冲等离子体中氮离子和钛离子比值随放电电压的变化PHEDP的应用：脉冲高能量密度等离子体是一项全新的等离子体材料表面处理和薄膜制备技术。应用领域:1、薄膜制备及表面处理；2、亚稳相合成；3、表面合化

利用PHEDP处理钢表面以提高其强度、硬度、抗腐蚀等性能；陶瓷表面合金化；合成立方氮化硼、氮化铝、氮化钛等多种膜；硅表面合金化及钛硅化合物合成。利用PHEDP技术，在单晶硅、陶瓷、钢等不同基材上制备表面光滑、组织致密、均匀，膜基结合良好的c-BN、TiN、类金刚石等多种硬质薄膜材料。这些薄膜与基底结合力非常高，材料的表面性能获得提高。在PHEDP技术刀具表面改性方面，已将TiN等薄膜成功应用于高速钢刀具、硬质合金刀具及Si3N4陶瓷刀具，所制备薄膜结构相当致密，几乎没有空洞和裂纹等缺陷，晶粒尺寸均为100nm以下，具有高硬度、高韧性，界面过渡层宽，膜/基结合力较高等特点，为改性后刀具优异的耐磨损性能奠定了基础。薄膜制备：脉冲高能量密度等离子体的基本构想是将高能量密度等离子体瞬间的作用在材料表面，可以导致材料表面出现局部急剧熔化，紧接着急剧冷却凝固，加热或冷却速率很高。因此可以在基材表面形成一层微晶或非晶薄膜，从而达到改善材料表面性能的目的。制备环境：同轴枪内外电极都用铜，工作气体用Ar气，内外电极之间的电压介于600~1000V，枪样距离30mm，每个样品处理60次，所制备铜膜最大厚度约5μm。由图可以看出铜膜由形状、尺寸、分布均匀的片状铜颗粒组成。铜膜与氧化铝基底结合良好，抗氧化效果好，试样在空气中暴露3个月仍然没有破坏的迹象，说明铜膜非常稳定。未经处理的氧化铝基底氧化铝表面沉积上铜薄膜（a）单晶硅上的c-BN薄膜的电镜图像(b)单晶硅上的c-BN薄膜的红外吸收谱(a)是沉积在单晶硅(100)面上的c-BN薄膜形貌。可以明显看出大小分布均匀的c-BN晶粒，晶粒结构基本规则。(b)是相应的c-BN薄膜的红外吸收光谱。可以看到三个吸收峰，波数处在820和1375cm-1的两个峰对应于氮化硼的六方相。波数在1070cm-1的吸收峰对应于立方氮化硼。可以看出氮化硼薄膜中立方相的成分远多于六方相。在制备薄膜时具有沉积速率高，薄膜与基底粘结力强，并兼有激光表面处理、电子束处理、冲击波轰击、离子注入、溅射、化学气相沉积、沉积薄膜温度低、能量利用率高、等综合性特点,可以在室温下合成亚稳态相和其他化合物材料。在此基础上，系统地进行了脉冲等离子体薄膜制备和材料表面改性及其机理的研究。在室温下的不同材料衬底上能沉积性能良好的较大颗粒立方氮化硼、碳氮化钛、氮化钛、类金刚石、氮化铝等薄膜材料。沉积薄膜和基底之间存在一个很宽的过渡层，因此导致薄膜与基底有很强的粘结力。经脉冲等离子体处理过的金属材料表面性能得到了极大改善。表面改性：脉冲高能量密度等离子体对材料表面进行改性时，兼具气相沉积、激光表面处理、电子束处理、溅射、冲击