【哈利森(Harrison)等离子技术分享】大气压等离子基本知识

深圳哈利森工业技术有限公司,既可以提供高可靠性的等离子处理设备,也可以结合生产线生产标准及流程为您做非标定制,完全匹配您的自动化生产要求,切实做到交钥匙工程,降低生产成本、降低废品率、有效提高经济效益!

常温大气等离子抛光去除速度函数的研究

现代微电子技术和光学技术的发展对工件质量提出了越来越高的要求,一方面光学元件为了获取极高的反射度值,要求表面粗糙度低于纳米级别;另一方面半导体工艺越来越精细,要求硅片表面具有完整的晶格结构。这二者都可以称之为超光滑表面。传统加工方式属于应力加工,会破坏工件表面晶格完整性并引入残余应力,难以满足超光滑表面的需求。 大气等离子加工方法是一种新兴的表面加工方法,依靠纯化学反应去除材料,加工效率高并且表面无损伤。目前准备将大气等离子加工拓展到超精密光学元件的制造技术上。小编围绕着加工石英玻璃时面临的一系列问题进行研究,重点研究各参数对加工速度的影响。 原系统设计用以加工半导体硅片,而石英玻璃在化学性质上与硅存在诸多不同,并且原放电结构不适合用于进行形貌加工,因此需要对系统做出一些改进。本文首先利用原有系统进行加工试验,证明该等离子炬对石英玻璃无加工效果,但在稍作改动情况下能进行极为缓慢的加工。随后从放电结构,气体配方两方面对系统进行了改进,使加工速度得到极大提高,能满足粗精加工需求,并减少了表面沉积物。 可控性是系统在外界干扰和自发波动条件下的稳定性能,表述了对加工效果的预测能力,是能够进行稳定加工的前提。可控性包含了短时重复性、去除量与时间的线性以及微小扰动下的鲁棒性三个方面,小编对此进行了实验研究,结果表明在严格控制参数的条件下,系统具有良好的可控性。 系统设计目的是希望能将表面粗加工与超精密抛光一次完成,因此需要加工速度具有大范围调节能力并能精确的预测加工效果。加工速度主要靠若干个参数进行调节.

 内饰处理机,汽车内饰表面处理【汽车制造行业】

等离子设备在汽车内饰制造工艺中的应用

汽车内饰工艺的必要性

环境对人会产生重要的生理及心理影响。清馨的空气、宽阔的绿地、整洁的街道,会使你心旷神怡,这是室外城市空间环境美给人的影响。家居装饰,养花种草,盆景书画,会使你的居室舒适典雅。车室作为爱车族活动的重要空间,它对人的心理及生理的影响却被大多数人们忽视,没有人对整洁的布置、清新的空气产生抱怨。为了你有一份好心情,千万别忘记美化你的汽车内饰。

汽车内饰处理主要是指处理哪些系统

主要包括以下子系统:仪表板系统、副仪表板系统、门内护板系统、顶棚系统、座椅系统、立柱护板系统、其余驾驶室内装件系统、驾驶室空气循环系统、行李箱内装件系统、发动机舱内装件系统、地毯、安全带、安全气囊、方向盘,以及车内照明、车内声学系统

汽车内饰表面处理是一个历史难题

由于汽车内饰材料成分复杂,包括各种高分子、金属、半导体、橡胶、皮革、电路板等,使得在进行涂层、粘结及印刷中出现了大难题。为了便于涂层和印刷,以前普遍采用人工打磨的方式,效率低,且严重影响了内饰的外在美观。在杜绝开胶方面,使用热熔胶及其他高档胶水也只能在一定程度上杜绝开胶,花费高成本不说,一旦脱胶依旧会遭遇投诉或者退货问题。

哈利森内饰处理机,提高内饰表面附着力,利于涂层或印刷

深圳哈利森科技有限公司的等离子设备喷射出来的等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(几个至十几电子伏特),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,没有磨损,不影响基体的性能。

经过等离子设备内饰处理机处理后,对表面进行了有效的活化与清洗,提高了表面的附着能力,有利于涂层或印刷,使得表面的粘接变得可靠和持久。

 等离子技术,对表面进行清洗、活化和涂层处理的高技术表面处理工艺

等离子技术,对表面进行清洗、活化和涂层处理的高技术表面处理工艺 常压等离子处理是最有效的对表面进行清洗、活化和涂层的处理工艺之一,可以用于处理各种材料,包括塑料、金属或者玻璃等等。 使用等离子技术进行表面清洗,可以清除表面上的脱模剂和添加剂等,而其活化过程,则可以确保后续的粘接工艺和涂装工艺等的品质,对于涂层处理而言,则可以进一步改善复合物的表面特性。使用这种等离子技术,可以根据特定的工艺需求,高效地对材料进行表面预处理。 无论是医疗制品还是汽车发动机,常压等离子技术可以帮助实现高品质的精益加工 深圳哈利森在长期从事等离子体应用技术研究和设备研制的基础上,充分借鉴欧美的先进技术,并通过与国内外著名研究机构的技术合作,开发出具有自主知识产权的电容耦合放电、电感耦合放电和远区等离子放电等多种放电类型的产品。特色鲜明的处理腔体形状和电极结构可以满足不同形状、不同材质的表面处理要求,包括薄膜、织物、零件、粉体和颗粒等。目前我们已经先后推出转鼓式低温等离子体设备、水平式低温等离子设备、卷对卷式低温等离子设备、以及大气压辉光放电表面处理设备等多系列产品。

 电浆清洗机的应用

一般来讲,清洗/蚀刻意思是去除产生干扰的材料。清洗效果的两个实例是去除氧化物以提高钎焊质量和去除金属、陶瓷、及塑料表面有机污染物以改善粘接性能,这是因为玻璃、陶瓷和塑料(如聚丙烯、PTFE等)基本上是没有极性的,因此这些材料在进行粘合、油漆和涂覆之前要进行表面活化处理。等离子体最初应用于硅片及混装电路的清洗以提高键接引线和钎焊的可靠性。如:去除半导体表面的有机污染以保证良好的焊点连接、引线键合和金属化,以及PCB、混装电路 MCMS(多芯片组装)混装电路中来自键接表面由上一工序留下的有机污染,如残余焊剂、多余的树脂等。清洗的各种例子不胜枚举。在诸如此类的应用中我们将列举一些典型的等离子体清洗工艺。 1 蚀刻工艺   某种程度来讲,等离子清洗实质上是等离子体刻蚀的一种较轻微的情况。进行干式蚀刻工艺的设备包括反应室、电源、真空部分。工件送入被真空泵抽空的反应室。气体被导入并与等离子体进行交换。等离子体在工件表面发生反应,反应的挥发性副产物被真空泵抽走。等离子体刻蚀工艺实际上便是一种反应性等离子工艺。近期的发展是在反应室的内部安装成搁架形式,这种设计的是富有弹性的,用户可以移去架子来配置合适的等到离子体的蚀刻方法:反应性等离子体(RIE),顺流等离子体(downstream),直接等离子体(direction plasma)。 所谓直接等离子体,亦称作反应离子蚀刻,是等离子的一种直接浸蚀形式。它的主要优势是高的蚀刻率和高的均匀性。直接等离子体具有较低浸蚀但工件却暴露在射线区。顺流等离子是种较弱的工艺,它适合去除厚为10-50埃的薄层。在射线区或等离子中,人们担心工件受到损坏,目前,这种担心还没有证据,看来只有在重复的高射线区和延长处理时间到60-120分钟才可能发生,正常情况下,这样的条件只在大的薄片及不是短时的清洗中。 2 在引线的键合中   在等离子清洗的工装设计采用一些特殊结构可以满足用户每小时清洗500到1000个引线框的要求。这种工艺对COB’S(裸芯片封装)或其它的封装都采用相同的工艺条件便能提供给用户一种简单而有效的清洗。板上芯片连接技术(DCA)中,无论是焊线芯片工艺、倒装芯片、卷带自动结合技术中,整个芯片封装工艺中,等离子清洗工艺都将作为一种关键技术存在。对整个IC封装的可靠性产生重要影响。 以COB’S为例: 芯片粘接(Die bonding)-固化(Cure)-等离子清洗(Plasma cleaning)-线焊(Wire bond)-包装-固化 3 BGA封装工艺   在BGA工艺中,对表面清洁和处理都是非常严格的,焊球与基板的连接要求一个洁净表面以保证焊接的一致性和可靠性。等离子体处理它可以保证不留痕迹,BGA焊盘要求等离子处理来确保良好的粘接性能,并且,已有批量和在线式的清洗工艺。 4 混装电路   混装电路出现的问题是引线与表面的虚接,这主要归因于电路表面的焊剂、光刻胶及其它一些残留物质。针对这种清洗,要用到氩的等离子体清洗,氩等离子体可以去除锡的氧化物或金属,从而改变电性能,此外,键接前的氩等离子体还用于清洗金属化、芯片粘接和最后封装前的铝基板。 5 硬盘   用等离子清洗来去除由上一步溅镀工艺留下的残余物,同时基材表面经过处理,对改变基材的润湿性,减小摩擦,很有好处。 6 去除光致抗蚀剂   在晶片制造工艺中,使用氧等离子体去除晶片表面抗蚀剂(photoresist)。干式工艺唯一的缺点是等离子体区的活性粒子可能会对一些电敏感性的设备造成损害。为了解决这一问题,人们发展了几种工艺,其一是用一个法拉第装置以隔离轰击晶片表面和电子和离子;另一种方法是将清洗蚀刻对象置于活性等离子区之外。(顺流等离子清洗)蚀刻率因电压,气压以及胶的量而定,典型的刻蚀率为每分钟1000埃,正常需要10 分钟时间。 7 液晶显示器生产中的清洗:   在液晶清洗中的干式清洗,使用的活化气体是氧的等离子体,它能除去油性污垢和脏物粒子,因为氧等离子体可将有机物氧化,形成气体排出。它的唯一问题是需要在去除粒子后加入一个除静电装置清洗工艺如下: 研磨---吹气----氧等离子体----除静电   通过干式洗净工艺后的电极端子与显示器,增强了偏光板粘贴的成品率,并且电极端与导电膜间的粘附性也大大改善。 8 精密零件清洗:   在经过机械加工的零件表面主要残留物为油类污染,采用O2等离子体去除会特别有效。 深圳哈利森科技有限公司专业生产电浆清洗机,我们的技术一流,欢迎大家前来咨询。

 大气(次大气)压下辉光放电

经过近20年的发展,低气压低温等离子体已取得了很大进展。但由于其运行需抽真空、设备投资大、操作复杂、不适于工业化连续生产,限制了它的广泛应用。显然,最适合于工业生产的是大气压下放电产生的等离子体。大气压下的电晕放电和介质阻挡放电目前虽然被广泛地应用于各种无机材料、金属材料和高分子材料的表面处理中,但却不能对各种化纤纺织品、毛纺织品、纤维和无纺布等材料进行表面处理。低气压下的辉光放电虽然可以处理这些材料,但存在成本、处理效率等问题,目前无法规模化应用于纺织品的表面处理。

长期以来人们一直在努力实现大气压下的辉光放电(APGD)。1933年德国Von Engel首次报道了研究结果 ,利用冷却的裸电极在大气压氢气和空气中实现了辉光放电,但它很容易过渡到电弧,并且必须在低气压下点燃,即离不开真空系统。1988年,Kanazawa等人报道了在大气压下使用氦气获得了稳定的APGD的研究成果,并通过实验总结出了产生APGD要满足的三个条件:

(1)激励源频率需在1kHz以上;

(2)需要双介质DBD;

(3)必须使用氦气气体。

此后,日本的Okazaki、法国的Massines和美国的Roth研究小组分别采用DBD的方法,用不同频率的电源和介质,在一些气体和气体混合物中宣称实现了大气压下“APGD”。1992年,Roth小组在5mm氦气间隙实现了APGD,并声称在几个毫米的空气间隙中也实现了APGD, 主要的实验条件为湿度低于15% 、气体流速50l/min、频率为3kHz的电源并且和负载阻抗匹配。他们认为“离子捕获”是实现APGD的关键。Roth等人用离子捕获原理解释APGD,即当所用工作电压频率高到半个周期内可在极板之间捕获正离子,又不高到使电子也被捕获时,将在气体间隙中留下空间电荷,它们影响下半个周期放电,使所需放电场强明显降低,有利于产生均匀的APGD。他们在实验室的一台气体放电等离子体实验装置中实现了Ar、He和空气的“APGD”。1993年Okazaki小组利用金属丝网(丝直径0.035mm,325目)电极为PET膜(介质)、频率为50Hz的电源,在1.5mm的气体(氩气、氮气、空气)间隙中做了大量的实验,并宣称实现了大气压辉光放电。根据电流脉冲个数及Lisajous图形(X轴为外加电压,Y轴为放电电荷量)的不同,他们提出了区分辉光放电和丝状放电的方法,即若每个外加电压半周期内仅1个电流脉冲,并且Lisajous图形为两条平行斜线,则为辉光放电。若半周期内多个电流脉冲,并且Lisajous图形为斜平行四边形,则为丝状放电。法国的Massines小组、加拿大的Radu小组和俄罗斯的Golubovskii小组对APGD的形成机理也进行了比较深入的研究工作。Massines小组对氦气和氮气的APGD进行了实验研究和数值模拟 ,除了测量外加电压和放电电流之外,他们用曝光时间仅10ns的ICCD相机拍摄了时间分辨的放电图像,用时空分辨的光谱测量记录了放电等离子体的发射光谱,并结合放电过程的一维数值模拟,他们认为,氮气中的均匀放电仍属于汤森放电,而氦气中均匀放电才是真正意义上的辉光放电,或亚辉光放电。他们还认为,得到大气压下均匀放电的关键是在较低电场下缓慢发展大量的电子雪崩。因此,在放电开始前间隙中必须存在大量的种子电子,而长寿命的亚稳态及其彭宁电离可以提供这些种子电子。根据10ns暴光的ICCD拍摄的放电图像,Radu小组发现,在大气压惰性气体He、Ne、Ar、Krypton的DBD间隙中,可以实现辉光放电。除了辉光放电和丝状放电之外,还存在介于前两者之间的第三种放电模式--柱状放电。

从上个世纪末,国内许多单位如科清华大学、大连理工大学、华北电力大学、西安交通大学、华中科技大学、中科院物理所、河北师范大学等先后开始了对APGD的研究。由于APGD在织物、镀膜、环保、薄膜材料等技术里域有着诱人的工业化应用前景,在大气压下和空气中实现辉光放电产生低温等离子体一直是国内外学者探寻的研究重点和热点。2003年,国家自然科学基金委员会将“大气压辉光放电”列为国家重点研究项目。APGD的研究也取得了一些进展,如He、Ne、Ar、Krypton惰性气体在大气压下基本实现了APGD,空气也已经实现了用眼睛看上去比较均匀的准“APGD”。目前,对APGD的研究结果和认识是仁者见仁,智者见智。APGD的研究方兴未艾,已经受到国内外许多大学和研究机构的广泛重视。由于大气压辉光放电目前还没有一个认可标准,(只要选择一定的介质阻挡装置、频率、功率、气流、湿度等)许多实验所看到的放电现象和辉光放电很相似即出现视觉特征上呈现均匀的“雾状”放电,而看不到丝状放电,但这种放电现象是否属于辉光放电目前还没有共识和定论。

次大气压下辉光放电(HAPGD)产生低温等离子体

由于大气压辉光放电技术目前虽有报道但技术还不成熟,没有见到可用于工业生产的设备。而次大气压辉光放电技术则已经成熟并被应用于工业化的生产中。次大气压辉光放电可以处理各种材料,成本低、处理的时间短、加入各种气体的气氛含量高、功率密度大、处理效率高。可应用于表面聚合、表面接枝、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成及各种粉、粒、片材料的表面改性和纺织品的表面处理。次大气压下辉光放电的视觉特征呈现均匀的雾状放电;放电时电极两端的电压低而功率密度大;处理纺织品和碳纤维等材料时不会出现击穿和燃烧并且处理温度接近室温。次大气压辉光放电技术目前可用于低温材料、生物材料、异型材料的表面亲水处理和表面接枝、表面聚合、金属渗氮、冶金、表面催化、化学合成等工艺。由于是在次大气压条件下的辉光放电,处理环境的气氛浓度高,电子和离子的能量可达10eV以上。材料批处理的效率要高于低气压辉光放电10倍以上。 可处理金属、非金属、(碳)纤维、金属纤维、微粒、粉末等。

 滑动电弧放电产生低温等离子体

滑动电弧放电等离子体通常应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解。下图中的滑动电弧由一对像图中所示的延伸弧形电极构成。电源在两电极上施加高压引起电极间流动的气体在电极最窄部分电击穿。一旦击穿发生电源就以中等电压提供足以产生强力电弧的大电流,电弧在电极的半椭圆形表面上向右膨胀,不断伸长直到不能维持为止。电弧熄灭后重新起弧,周而复始。其视觉观看滑动电弧放电等离子体就像火焰一般,但其平均温度却比较低即使将餐巾纸放在等离子体焰上也不会燃烧。它又被称为“索梯”(Jacog's Ladder)。滑动电弧放电产生的低温等离子体为脉冲喷射,但可以得到比较宽的喷射式低温等离子体炬(plasma torch)。

 射流低温等离子放电

几十年来,等离子体炬(plasma torch)的个工业应用已经众所周知,例如,氩弧焊、空气等离子体切割机和等离子体喷涂等。这些设备中的核心部件通常称为等离子体炬,其等离子体中心温度达数千度,是"热"等离子体。

近年来,人们为了进行有机材料,例如橡胶表面进行处理,以改善表面附着力,将等离子体炬的技术低温化和小型化,将"热弧"变为"冷弧"研制成射流低温等离子表面处理设备,喷枪出口温度仅数百度,甚至更低,并且已经开始向家用电器和汽车工业推广应用。有些高技术公司,例如中国的CORONA Lab.将这种技术产品化,可以用于高速在线处理。

1. 大气射流低温等离子表面处理的原理

流经冷弧等离子体射流枪的空气气流可以产生包括大量的氧原子在内的氧基活性物质,氧基等离子体照射材料表面,可以使附着于材料表面上的有机污染物"C"元素的分子分离,并变成二氧化碳后被清除;同时可以提高接触性能,从而可以提高接合强度和可靠性。

2. 大气射流低温等离子表面处理的工业应用

a) 不锈钢薄板对焊处的焊前处理

不锈钢薄板对焊在工业中应用很普遍,例如太阳能热水器的内桶就是用0.4mm的不锈钢薄板卷成圆筒对焊制成。为了达到焊接要求,必须对焊接处进行必要的清洗。目前的清洗方法是湿法-人工用化学清洗剂擦洗,清洗成本高,有污染,很难实现自动化。

大气射流低温等离子清洗技术是干法,运用于薄板对焊的前处理,可代替传统的人工用化学清洗剂擦拭,降低了清洗成本,可提高焊接质量,减少对环境的污染,可实现焊接区清洗的自动化。

b) 塑料板的表面处理

塑料类,例如木塑是可以代用木材的新型材料,但表面油漆相当不易,这就大大限制了应用范围。如果用化学方法处理,价格高,污染大。为此,用大气射流低温等离子处理则材料表面会发生明显的变化:颜色略有变浅,反光度降低,呈亚光性;用手触摸可以感觉到表面略有粗糙;使喷漆的附着性能大大增强。

经等离子体处理前后的附着力可以测试。测试方法:用划刀在待测部件表面划出垂直井字结构划痕,用软毛刷轻刷划线表面去掉碎沫。用透明胶带贴于划线上,胶带与样品间应无气泡,保持1~2分钟;以约60度角度恒定速度将胶带撕起。观察划线及正方形的完整度以判断附着力的大小。

c) 橡胶制品的处理

橡胶在我们日常生活中大量使用,例如汽车的门封条。它的表面须要上漆或织绒。如果不经过低温等离子处理,则不易粘接。如果用化学清洗,既是离线的,又会污染环境。用在线等离子体处理是理想的解决办法。

d) 用于玻璃和金属平板处理

空气等离子体射流可以处理玻璃和金属表面,不但有效地清除了来自于大气中浮游灰尘产生的有机污染物,而且改变了表面的性能且持续性足够长。因而可以提高产品的接合强度。此外,常压等离子体清洗还可以用于有机材料和金属材料表面。

 射频低温等离子体放电

射频低温等离子体是利用高频高压使电极周围的空气电离而产生的低温等离子体。由于射频低温等离子的放电能量高、放电的范围大,现在已经被应用于材料的表面处理和有毒废物清除和裂解中。射频等离子可以产生线形放电,也可以产生喷射形放电

  低温等离子体的产生方法之介质阻挡放电

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)

介质阻挡放电(DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作,通常的工作气压为104~106。电源频率可从50Hz至1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中,当两电极间施加足够高的交流电压时,电极间的气体会被击穿而产生放电,即产生了介质阻挡放电。在实际应用中,管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中,而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。

介质阻挡放电(DBD)常用结构

介质阻挡放电通常是由正弦波型(sinusoidal)的交流(alternating current, AC)高压电源驱动,随着供给电压的升高,系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化,即会由绝缘状态(insulation)逐渐至击穿(breakdown)最后发生放电。当供給的电压比较低时,虽然有些气体会有一些电离和游离扩散,但因含量太少电流太小,不足以使反应区内的气体出现等离子体反应,此时的电流为零。随着供给电压的逐渐提高,反应区域中的电子也随之增加,但未达到反应气体的击穿电压(breakdown voltage; avalanche voltage)时,两电极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞,缺乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加,因此,反应气体仍然为绝缘状态,无法产生放电,此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加,但几乎为零。若继续提高供給电压,当两电极间的电场大到足夠使气体分子进行非弹性碰撞时,气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加,当空间中的电子密度高于一临界值时及帕邢(Paschen)击穿电压时,便产生許多微放电丝(microdischarge)导通在两极之间,同时系統中可明显观察到发光(luminous)的現象此时,电流会随着施加的电压提高而迅速增加。

在介质阻挡放电中,当击穿电压超过帕邢(Paschen)击穿电压时,大量随机分布的微放电就会出现在间隙中,这种放电的外观特征远看貌似低气压下的辉光放电,发出接近兰色的光。近看,则由大量呈现细丝状的细微快脉冲放电构成。只要电极间的气隙均匀,则放电是均匀、漫散和稳定的。这些微放电是由大量快脉冲电流细丝组成,而每个电流细丝在放电空间和时间上都是无规则分布的,放电通道基本为圆柱状,其半径约为0.1~0.3mm,放电持续时间极短,约为10~100ns,但电流密度却可高达0.1~1kA/cm2,每个电流细丝就是一个微放电,在介质表面上扩散成表面放电,并呈现为明亮的斑点。这些宏观特征会随着电极间所加的功率、频率和介质的不同而有所改变。如用双介质并施加足够的功率时,电晕放电会表现出“无丝状”、均匀的兰色放电,看上去像辉光放电但却不是辉光放电。这种宏观效应可通过透明电极或电极间的气隙直接在实验中观察到。当然,不同的气体环境其放电的颜色是不同的。

虽然介质阻挡放电已被开发和广泛的应用,可对它的理论研究还只是近20年来的事,而且仅限于对微放电或对整个放电过程某个局部进行较为详尽的讨论,并没有一种能够适用于各种情况DBD的理论。其原因在于各种DBD的工作条件大不相同,且放电过程中既有物理过程,又有化学过程,相互影响,从最终结果很难断定中间发生的具体过程。

由于DBD在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子,如OH、O、NO等,它们的化学性质非常活跃,很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。因而可利用这些自由基的特性来处理VOCs,在环保方面也有很重要的价值。另外,利用DBD可制成准分子辐射光源,它们能发射窄带辐射,其波长覆盖红外、紫外和可见光等光谱区,且不产生辐射的自吸收,它是一种高效率、高强度的单色光源。在DBD电极结构中,采用管线式的电极结构还可制成臭氧O3发生器。现在人们已越来越重视对DBD的研究与应用

 低温等离子体的产生方法之辉光、电晕放电

辉光放电(Glow Discharge)

辉光放电属于低气压放电(low pressure discharge),工作压力一般都低于10mbar,其构造是在封闭的容器內放置两个平行的电极板,利用电子将中性原子和分子激发,当粒子由激发态(excited state)降回至基态(ground state)时会以光的形式释放出能量。电源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜色(如下表所示),荧光灯的发光即为辉光放电。因此,实验时若发现等离子的颜色有误,通常代表气体的纯度有问题,一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实验的重要工具,但因其受低气压的限制,工业应用难于连续化生产且应用成本高昂,而无法广泛应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、灯光照明产品和半导体工业等。

电晕放电(Corona Discharge)

气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很大的尖端电极附近,由于局部电场强度超过气体的电离场强,使气体发生电离和激励,因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮,并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式,也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。

电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别,这主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。在直流电压作用下,负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中,当电子引起碰撞电离后,电子被驱往远离尖端电极的空间,并形成负离子,在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时,正离子被吸进电极,此时出现一脉冲电晕电流,负离子则扩散到间隙空间。此后又重复开始下一个电离及带电粒子运动过程。如此循环,以致出现许多脉冲形式的电晕电流,电晕放电可以在大气压下工作,但需要足够高的电压以增加电晕部位的电场。一般在高压和强电场的工作条件下,不容易获得稳定的电晕放电,亦容易产生局部的电弧放电(arc)。为提高稳定性可将反应器做成非对称(asymmetric)的电极形式(如下图所示)。电晕放电反应器的设计主要参考电源的性质而有所不同,有直流电晕放电(DC corona)和脉冲式(pulsed corona)电晕放电。利用电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、空气净化等。地面上的树木等尖端物体在大地电场作用下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋表面溅射水滴上出现的电晕放电可促进海洋中有机物的生成,还可能是地球远古大气中生物前合成氨基酸的有效放电形式之一。针对不同应用目的研究,电晕放电是具有重要意义的技术课题。

 低温等离子体的应用领域

低温等离子体物理与技术经历了一个由60年代初的空间等离子体研究向80年代和90年代以材料为导向研究领域的大转变,高速发展的微电子科学、环境科学、能源与材料科学等,为低温等离子体科学发展带来了新的机遇和挑战。

现在,低温等离子体物理与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程,对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。例如,1995年全球微电子工业的销售额达1400亿美元,而三分之一微电子器件设备采用等离子体技术。塑料包装材料百分之九十都要经过低温等离子体的表面处理和改性。科学家预测:二十一世纪低温等离子体科学与技术将会产生突破。据估计,低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体三废处理等领域的潜在市场每年将达一千几百亿美元。 

等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料、研制新的化学物质和化学过程,加工、改造和精制材料及其表面,具有极其广泛的工业应用--从薄膜沉积、等离子体聚合、微电路制造到焊接、工具硬化、超微粉的合成、等离子体喷涂、等离子体冶金、等离子体化工、微波源。等离子体辅助加工已开辟的和潜在的应用领域包括:

●半导体集成电路及其它微电子设备的制造

●工具、模具及工程金属的硬化 

药品的生物相溶性包装材料的制备

●表面防蚀及其它薄层的沉积

●特殊陶瓷(包括超导材料)

●新的化学物质及材料的制造

●金属的提炼

●聚合物薄膜的印刷和制备

●有害废物的处理

●焊接

●磁记录材料和光学波导材料

●精细加工

●照明及显示

●电子电路及等离子体二极管开关

●等离子体化工(氢等离子体裂解煤制乙炔、等离子体煤气化、等离子体裂解重烃、等离子体制炭黑、等离子体制电石等)

对上述某些部分领域的目前潜在市场估计:

●半导体工业约为260亿美元

●等离子体电子学约为400亿美元

●工具及模具硬化约为20亿美元

●作记录和医用聚合物薄膜领域约为几十亿美元的市场

对一些新的有活力的市场估计:

●金属腐蚀防护约为500亿美元

●优质陶瓷约为50亿美元

● 在废物处理、金属提练、包装材料及制药业中的应用约为几十亿美元市场。

低温等离子体物理与应用是一个具有全球性影响的重要的科学与工程,对全世界的高科技工业发展及许多传统工业的改造都有着直接的影响, 二十一世纪初等离子体辅助加工会产生重要的突破,而这些突破对高科技产业的保护及提高其在市场中的地位将是极为重要的,例如近十年来,低温等离子体的物 理研究和技术应用在很多方面有了突破性的进展,最有代表性的是微电子工业等离子体的应用。1995年的微电子工业的全球销售额已达1400亿美元,其中三分之一 的微电子器件的设备是采取等离子体技术。以"奔腾"芯片为代表的半导体微处理器的复杂生产过程中,三分之一是与等离子体有关的。现代塑料包装产品中的印刷、 复合、涂布等工艺百分之九十都依赖低温等离子体的处理。

 什么是低温(冷)等离子体?

冰升温至0℃会变成水,如继续使温度升至100℃,那么水就会沸腾成为水蒸气。随着温度的上升,物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程,我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质,温度升至几千度时,将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧,相互间的碰撞就会使气体分子产生电离,这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态,即等离子体态(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现,所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等,总体来看为准电中性。反过来,我们可以把等离子体定义为:正离子和电子的密度大致相等的电离气体。

从刚才提到的微弱的蜡烛火焰,我们可以看到等离子体的存在,而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。据印度天体物理学家沙哈(M·Saha,1893-1956)的计算,宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。此外,对于自然界中的等离子体,我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。在人工生成等离子体的方法中,气体放电法比加热的办法更加简便高效,诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值,其密度为106(单位:个/m3)的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体,跨越近20个数量级。其温度分布范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108-109K(1~10亿度)。 温度轴的单位eV(electron volt)是等离子体领域中常用的温度单位,1eV=11600K。

通常,等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子如原子或分子以及原子团)等三种粒子。设它们的密度分别为ne,ni,nn,由于准电中性,所以电离前气体分子密度为ne≈nn。于是,我们定义电离度β=ne/(ne+nn),以此来衡量等离子体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是100%,像这样β=1的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于1%(β≥10-2)的称为强电离等离子体,像火焰中的等离子体大部分是中性粒子(β<10-3 ),称之为弱电离等离子体。

若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行,那么电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换动能,从而使等离子体达到热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度分别为了Te,Ti,Tn,我们把这三种粒子的温度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的热平衡等离子体称为热等离子体(thermal plasma),在实际的热等离子体发生装置中,阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离,输出的等离子体呈喷射状,可称为等离子体炬(plasma jet)或等离子体喷焰(plasma torch)等。

另一方面,数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。此时,电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti , Te>>Tn。我们把这样的等离子体称为低温等离子体(cold plasma)。当然,即使是在高气压下,低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如电晕放电(corona discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)或滑动电弧放电(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)来生成。大气压下的辉光放电技术目前也已成为世界各国的研究热点。可产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚,在高气压下等离子体的输运特性的研究也刚刚起步,现已形成新的研究热点。



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