知识和进展 我国等离子体工艺研究进展 吴承康 (中国科学院力学研究所北京100080 摘要扼要综述了我国等离子体材料工艺研究的新近进展.内容包括热等离子体源等离子冶金 化工、超细粉合成、喷涂;低气压非平衡等离子体源,镀膜,表面改性,等离子浸没离子注入;电晕放电,介 质阻挡放电,滑动弧等及其应用.当前,各类薄膜制备和表面改性的研究工作最为活跃 关键词等离子体工艺,热等离子体,非平衡等离子体 PLASMA PROCESSING RESEARCH IN CHINA (Institute of Mechanics, The Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080) Abstract A summary is presented of recent research on plasma processing in China, including thermal plasma sources plasma metallurgy and chemical engineering synthesis of ultra fine powders spraying cold plasma sources, deposition surface modification, ion plating, plasma immersed ion ir plantation, corona discharge, dielectric barrier discharge, the gliding arc and related appliations. It ap- pears that the deposition of thin films and surface modification are the most active areas at present Key words plasma processing, thermal plasmas, nonequilibrium plasmas 60年代初,我国的等离子体技术研究(低 温等离子体及其应用)随着航天技术中材料试1热等离子体 验的需求而发展,当时主要是电弧等离子体技 术70年代开始了各种热等离子体材料加工技1.1热等离子体源与基础研究 术研究,80年代,低气压等离子体技术研究普 60年代初,随着空间技术对再入大气层防 遍开展80年代以来,国内多次举办了全国和热材料筛选和气动加热模拟的需求,发展了电 国际的等离子体科学技术会议,例如,1997年弧等离子体发生器及相关的测量手段这些设 在北京召开的第13届国际等离子体化学会议备现已发展到数十兆瓦,附有现代化的测量控 (ISPC-13)是一次成功的国内外同行们交流制系统,工业用的直流或交流非转移弧等离子 学习的盛会本文扼要综述近年来国内等离体发生器已发展至数百千瓦,冶金用的转移弧 子体加工工艺研究工作的开展情况,包括热等发生器功率可达数兆瓦 离子体、低气压非平衡等离子体和高气压非平 热等离子体发生器的基础性研究包括电 衡等离子体几方面由于等离子体技术涉及面 极广,国内工作又很分散,只能举出一些代表性 国家自然科学基金资助项目和中国科学院重大基础研究 工作,遗漏在所难免,不妥之处请读者鉴谅 1998-12-11收到初稿,1999-01-26修回 388 物理 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
3 国家自然科学基金资助项目和中国科学院重大基础研究 项目 1998 - 12 - 11 收到初稿 ,1999 - 01 - 26 修回 知识和进展 我国等离子体工艺研究进展3 吴 承 康 (中国科学院力学研究所 北京 100080) 摘 要 扼要综述了我国等离子体材料工艺研究的新近进展. 内容包括 :热等离子体源 ,等离子冶金、 化工、超细粉合成、喷涂 ;低气压非平衡等离子体源 ,镀膜 ,表面改性 ,等离子浸没离子注入 ;电晕放电 ,介 质阻挡放电 ,滑动弧等及其应用. 当前 ,各类薄膜制备和表面改性的研究工作最为活跃. 关键词 等离子体工艺 ,热等离子体 ,非平衡等离子体 PLASMA PROCESSING RESEARCH IN CHINA Wu Chengkang ( Instit ute of Mechanics , The Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080) Abstract A summary is presented of recent research on plasma processing in China ,including thermal plasma sources ,plasma metallurgy and chemical engineering ,synthesis of ultra fine powders , spraying ,cold plasma sources ,deposition ,surface modification ,ion plating , plasma immersed ion im2 plantation ,corona discharge ,dielectric barrier discharge ,the gliding arc and related appliations. It ap2 pears that the deposition of thin films and surface modification are the most active areas at present . Key words plasma processing ,thermal plasmas ,non2equilibrium plasmas 60 年代初 ,我国的等离子体技术研究 (低 温等离子体及其应用) 随着航天技术中材料试 验的需求而发展 ,当时主要是电弧等离子体技 术. 70 年代开始了各种热等离子体材料加工技 术研究 ,80 年代 ,低气压等离子体技术研究普 遍开展. 80 年代以来 ,国内多次举办了全国和 国际的等离子体科学技术会议 ,例如 ,1997 年 在北京召开的第 13 届国际等离子体化学会议 (ISPC - 13) 是一次成功的国内外同行们交流 学习的盛会[1 ] . 本文扼要综述近年来国内等离 子体加工工艺研究工作的开展情况 ,包括热等 离子体、低气压非平衡等离子体和高气压非平 衡等离子体几方面. 由于等离子体技术涉及面 极广 ,国内工作又很分散 ,只能举出一些代表性 工作 ,遗漏在所难免 ,不妥之处请读者鉴谅. 1 热等离子体 111 热等离子体源与基础研究 60 年代初 ,随着空间技术对再入大气层防 热材料筛选和气动加热模拟的需求 ,发展了电 弧等离子体发生器及相关的测量手段. 这些设 备现已发展到数十兆瓦 ,附有现代化的测量控 制系统 ,工业用的直流或交流非转移弧等离子 体发生器已发展至数百千瓦 ,冶金用的转移弧 发生器功率可达数兆瓦. 热等离子体发生器的基础性研究包括电 · 883 · 物理
弧、气流、磁场相互作用,数值模拟,测量诊断能得到可靠的结果6,71 等中国科学院力学研究所研究了管状电弧加1.2等离子体冶金 热器中旋转电弧与外加磁场径向分量的相互作 中国科技大学成功地研制了1-3MW热 用,从而解释了弧根轴向位置确定的机理12.阴极转移型直流电弧等离子炬,使用了氩气保 清华大学研究了台阶式管状电弧加热器中电弧护的钨-氧化铈阴极,电流为4000-50004.用 加热与气体运动的相互关系,表明电弧加热对于炼钢中间包加热的MW等离子炬热效率为 气体运动特性(如回流区长度)因而对弧根位置70%电极寿命为50h.复旦大学研制了低电流 有重要影响中国科学院力学研究所研究了影密度的热阴极(103Acm2),在40004电流条件 响电极表面温度和烧蚀的热因素,解释了一些下,其寿命大于100h;用新的阴极层模型发展 参数对电极烧损的影响清华大学对一般喷了转移电弧的数值模拟方法81他们研制的等 涂用等离子喷枪的射流脉动特性进行了细致的离子切割机功率为60-300kW,在电流小于 测量,说明表面上看来稳定的射流中含有强烈200A和启动400次以上的条件下,阴极寿命超 的脉动4.中国空气动力研究发展中心研究发过10h 展了一套高度稳定的壁稳电弧装置,并用于研1.3等离子体化学合成 究高温气体的局域热力学平衡(LTE)问题和气 中国科学院成都有机化学研究所多年来研 体性质.此装置亦用于建立100K至究和发展等离子体条件下的天然气转化工艺 15000K间的高温标准 研究了各种局域热力学平衡与非平衡条件下的 清华大学详细研究了等离子体条件下微细甲烷反应,例如由甲烷氧化产生C2烃类的化学 颗粒的传热、阻力、热泳现象等研究中考虑了动理学等9 克努森数( Knudsen no.)、电子与离子、分子离1.4超细粉合成 解与原子复合、蒸发、镜面反射与漫反射等因素 不少研究单位进行了超细粉合成的工作 的影响最近的分析中考虑了离子(或电子)反例如中国科学院化工冶金研究所已生产出以下 作用力,得到了满意的结果.计算结果与金属丝的超细粉(见表1) 上实验结果相符,表明所用的动理学分析方法 表1中国科学院化工冶金研究所生产的超细粉 粉末原料等离子体功率/kW产量尺寸/ 氧化物To2(颜料) 8,30250 3000t/a 0.20-6.25 Sb2O3(粗粉) 0.05-6.10 O2(纳米级) 微波 0. 3ke/ h (NH4)6MoO24叫H2O kg/h量级 0.1-6.2 NH4)6MO24叫H2O kg/h量级 碳化物|sC CH3SiC3 1, oke/h 0.05-.10 氮化物mN TICl4. NH3 45 1. oke/h SIC/ Sin SiC. CHI, NH 0. kg/ h 0.05-6.10 1.5等离子喷涂 新原理方面,北京航空工艺研究所发展了一种 国内已开展大量的等离子喷涂应用研究,层流射流等离子喷枪,功率达20kW.与通常的 如大量的机械零件用喷涂方法制备耐磨、耐腐湍流等离子喷枪相比,具有低噪声、高涂层质 蚀耐高温隔热涂层,可磨合密封等,在此不一量、高的材料与能量利用率的优点 一介绍但涉及的基础性研究开展并不太多.在 28卷(1999年)7期 389· 201994-2007ChinaAcademicJournaleLectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
弧、气流、磁场相互作用 ,数值模拟 ,测量诊断 等. 中国科学院力学研究所研究了管状电弧加 热器中旋转电弧与外加磁场径向分量的相互作 用 ,从而解释了弧根轴向位置确定的机理[2 ] . 清华大学研究了台阶式管状电弧加热器中电弧 加热与气体运动的相互关系 ,表明电弧加热对 气体运动特性(如回流区长度) 因而对弧根位置 有重要影响. 中国科学院力学研究所研究了影 响电极表面温度和烧蚀的热因素 ,解释了一些 参数对电极烧损的影响[3 ] . 清华大学对一般喷 涂用等离子喷枪的射流脉动特性进行了细致的 测量 ,说明表面上看来稳定的射流中含有强烈 的脉动[4 ] . 中国空气动力研究发展中心研究发 展了一套高度稳定的壁稳电弧装置 ,并用于研 究高温气体的局域热力学平衡(L TE) 问题和气 体性 质[5 ] . 此 装 置 亦 用 于 建 立 10000 K 至 15000 K间的高温标准. 清华大学详细研究了等离子体条件下微细 颗粒的传热、阻力、热泳现象等. 研究中考虑了 克努森数 ( Knudsen No. ) 、电子与离子、分子离 解与原子复合、蒸发、镜面反射与漫反射等因素 的影响. 最近的分析中考虑了离子 (或电子) 反 作用力 ,得到了满意的结果. 计算结果与金属丝 上实验结果相符 ,表明所用的动理学分析方法 能得到可靠的结果[6 ,7 ] . 112 等离子体冶金 中国科技大学成功地研制了 1 —3MW 热 阴极转移型直流电弧等离子炬 ,使用了氩气保 护的钨 - 氧化铈阴极 ,电流为 4000 —5000A. 用 于炼钢中间包加热的 1MW 等离子炬热效率为 70 % ,电极寿命为 50h. 复旦大学研制了低电流 密度的热阴极(103A/ cm2 ) ,在 4000A 电流条件 下 ,其寿命大于 100h ;用新的阴极层模型发展 了转移电弧的数值模拟方法[8 ] . 他们研制的等 离子切割机功率为 60 —300kW ,在电流小于 200A 和启动 400 次以上的条件下 ,阴极寿命超 过 10h. 113 等离子体化学合成 中国科学院成都有机化学研究所多年来研 究和发展等离子体条件下的天然气转化工艺. 研究了各种局域热力学平衡与非平衡条件下的 甲烷反应 ,例如由甲烷氧化产生 C2 烃类的化学 动理学等[9 ] . 114 超细粉合成 不少研究单位进行了超细粉合成的工作. 例如中国科学院化工冶金研究所已生产出以下 的超细粉(见表 1) . 表 1 中国科学院化工冶金研究所生产的超细粉 粉 末 原 料 等离子体 功率/ kW 产 量 尺寸/μm 氧化物 TiO2 (颜料) TiCl4 RF 8 ,30 ,250 3000t/ a 0120 —0125 Sb2O3 Sb2O3 (粗粉) DC 100 300t/ a 0105 —0110 SiO2 SiCl4 微波 5 015kg/ h < 0103 TiO2 (纳米级) TiCl4 微波 5 013kg/ h < 0105 MoO3 (NH4 ) 6Mo7O24·4H2O RF 30 kg/ h 量级 011 —012 MoO2 (NH4 ) 6Mo7O24·4H2O RF 30 kg/ h 量级 < 011 碳化物 SiC CH3SiCl3 DC 45 110kg/ h 0105 —0110 TiC TiCl4 ,CH4 DC 45 110kg/ h < 011 氮化物 TiN TiCl4 ,NH3 DC 45 110kg/ h < 011 SiC/ Si3N4 SiCl4 ,CH4 ,NH3 DC 45 015kg/ h 0105 —0110 115 等离子喷涂 国内已开展大量的等离子喷涂应用研究 , 如大量的机械零件用喷涂方法制备耐磨、耐腐 蚀、耐高温隔热涂层 ,可磨合密封等 ,在此不一 一介绍. 但涉及的基础性研究开展并不太多. 在 新原理方面 ,北京航空工艺研究所发展了一种 层流射流等离子喷枪 ,功率达 20kW. 与通常的 湍流等离子喷枪相比 ,具有低噪声、高涂层质 量、高的材料与能量利用率的优点. 28 卷 (1999 年) 7 期 · 983 ·
法算出了参数的空间分布,与实验结果符合较 2低气压非平衡等离子体 好13.中国科学院物理研究所对电子回旋共振 等离子体中的基本过程,特别是一些非线性现 当前,国内正在大量进行用低气压等离子象进行了深入研究4北京印刷学院基于负电 体实现薄膜沉积和表面改性的工作.这一方面性气体中高频放电的标量模型,发展了等离子 是因为有可能制备出种类繁多、有特殊应用前体流体模型的放大规律,可以直接从放电的宏 景的新颖涂层和表面;另一方面可能是因为所观参数得到等离子体诸参数.中国科学技术大 需的基本设备规模不是很大.然而在微电子加学进行了电子回旋共振微波等离子体的数值模 工和蚀刻方面的工作并不是很普遍,这可能是拟,并进行了实验验证 因为国外(尤其是美、日)在微电子工业中已投2.2等离子体辅助沉积 入了巨大的力量,设备和技术的进展十分迅速 绝大多数膜层是超硬类型,包括金刚石、类 国内的力量难以与之竞争 金刚石碳、立方氮化硼,或者是用于各种传感器 2.1低气压非平衡等离子源 的功能膜 近年来不少原来从事高温等离子体(受控 中国科学院物理研究所在合成C3N4薄膜 热核反应)研究的科学工作者进入低温等离子方面进行了大量工作1,并用带有偏压的热丝 体领域,大大加强了这方面的研究中国科学院化学气相沉积方法在硅和镍基材上获得高纯度 等离子体物理研究所在80年代初即己将工作的β-与aC3N4晶体膜与单晶,NC比值达 扩展到这一领域,充分利用了他们在等离子体到1.30-1.40161.这项工作从实验上合成了 物理方面的特长,开展了多项微波等离子体的这种硬度超过金刚石的材料,这是 Cohen于 物理和应用研究,如多种微波电子回旋共振1985年由理论预测的 (ECR)等离子体设备,应用于特殊性能膜层如 四川联合大学进行了多项沉积金刚石膜的 金刚石类金刚石碳等的制备,以及微电子器件工作,主要用ECR微波等离子体装置用碳化 的蚀刻0.中国科学院物理研究所运用受控等钛中间层获得了膜与基底间极好的附着力,所 离子体实验装置的原理,发展了几种新的镀膜得膜层可用作为切削刀具.在硅上镀掺硼的金 和表面改性装置,如同轴脉冲放电高密度等离刚石膜和在SiN4上镀金刚石膜,用于性能优 子体装置和 Thetatron- Pinch脉冲高密度良的热量传感器17用特殊方法制备极其平滑 等离子体装置,用于多种特殊材料膜层的制备的用于红外窗口的金刚石膜(粗糙度低于 和表面改性 0.03μm).运用多种方法,包括射频等离子体、 若干单位发展了相当复杂的设备,其中可磁控溅射、离子注入、等离子体浸入离子注入 以用多种束流对材料进行镀膜和表面改性处制备了具有优良机械性能和生物相容性的梯度 理大连理工大学发展了多束混合注入装置镀层,和诸如在不锈刚上镀类金刚石碳的梯度 (MBMD),可用离子、电子、激光束和等离子体生物材料.中国科技大学镀制了高质量金刚石 射流对同一靶材进行复合加工现已用于多种膜并详细研究了沉积机理.研究了镀制厚金刚 新型薄膜制备和表面改性,如立方氮化硼和可石膜的方法,制成了可用作微电子元件基板的 变成分比例的B-C-N薄膜在特殊的半导体10×10×0.36mm尺寸的金刚石片,其导热率 加工装置上制备了高质量的GN单晶材达到10Ww/cmK,并研究了沉积过程中细致的 12 物理和化学过程8.北京科技大学用电弧射流 中国科学院力学研究所对钟罩形顶部的感沉积了透明度很好的大尺寸金刚石片 应耦合等离子源(ICP)进行了细致的理论和实2.3等离子体表面改性与有机膜 验研究用整体模型与二维流体模型结合的方 中央民族大学用冷等离子体对医用材料进 物理 201994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki,net
2 低气压非平衡等离子体 当前 ,国内正在大量进行用低气压等离子 体实现薄膜沉积和表面改性的工作. 这一方面 是因为有可能制备出种类繁多、有特殊应用前 景的新颖涂层和表面 ;另一方面可能是因为所 需的基本设备规模不是很大. 然而在微电子加 工和蚀刻方面的工作并不是很普遍 ,这可能是 因为国外(尤其是美、日) 在微电子工业中已投 入了巨大的力量 ,设备和技术的进展十分迅速 , 国内的力量难以与之竞争. 211 低气压非平衡等离子源 近年来不少原来从事高温等离子体 (受控 热核反应) 研究的科学工作者进入低温等离子 体领域 ,大大加强了这方面的研究. 中国科学院 等离子体物理研究所在 80 年代初即已将工作 扩展到这一领域 ,充分利用了他们在等离子体 物理方面的特长 ,开展了多项微波等离子体的 物理和应用研究 ,如多种微波电子回旋共振 (ECR) 等离子体设备 ,应用于特殊性能膜层如 金刚石、类金刚石碳等的制备 ,以及微电子器件 的蚀刻[10 ] . 中国科学院物理研究所运用受控等 离子体实验装置的原理 ,发展了几种新的镀膜 和表面改性装置 ,如同轴脉冲放电高密度等离 子体装置[11 ]和 Thetatron - Pinch 脉冲高密度 等离子体装置 ,用于多种特殊材料膜层的制备 和表面改性. 若干单位发展了相当复杂的设备 ,其中可 以用多种束流对材料进行镀膜和表面改性处 理.大连理工大学发展了多束混合注入装置 (MBM I) ,可用离子、电子、激光束和等离子体 射流对同一靶材进行复合加工. 现已用于多种 新型薄膜制备和表面改性 ,如立方氮化硼和可 变成分比例的 B - C - N 薄膜. 在特殊的半导体 加工 装 置 上 制 备 了 高 质 量 的 GaN 单 晶 材 料[12 ] . 中国科学院力学研究所对钟罩形顶部的感 应耦合等离子源( ICP) 进行了细致的理论和实 验研究. 用整体模型与二维流体模型结合的方 法算出了参数的空间分布 ,与实验结果符合较 好[13 ] . 中国科学院物理研究所对电子回旋共振 等离子体中的基本过程 ,特别是一些非线性现 象进行了深入研究[14 ] . 北京印刷学院基于负电 性气体中高频放电的标量模型 ,发展了等离子 体流体模型的放大规律 ,可以直接从放电的宏 观参数得到等离子体诸参数. 中国科学技术大 学进行了电子回旋共振微波等离子体的数值模 拟 ,并进行了实验验证. 212 等离子体辅助沉积 绝大多数膜层是超硬类型 ,包括金刚石、类 金刚石碳、立方氮化硼 ,或者是用于各种传感器 的功能膜. 中国科学院物理研究所在合成 C3N4 薄膜 方面进行了大量工作[15 ] ,并用带有偏压的热丝 化学气相沉积方法在硅和镍基材上获得高纯度 的β- 与α- C3N4 晶体膜与单晶 ,N/ C 比值达 到 1130 —1140[16 ] . 这项工作从实验上合成了 这种硬度超过金刚石的材料 ,这是 Cohen 于 1985 年由理论预测的. 四川联合大学进行了多项沉积金刚石膜的 工作 ,主要用 ECR 微波等离子体装置. 用碳化 钛中间层获得了膜与基底间极好的附着力 ,所 得膜层可用作为切削刀具. 在硅上镀掺硼的金 刚石膜和在 Si3N4 上镀金刚石膜 ,用于性能优 良的热量传感器[17 ] . 用特殊方法制备极其平滑 的用于红外窗口的金刚石膜 (粗糙度低于 0103μm) . 运用多种方法 ,包括射频等离子体、 磁控溅射、离子注入、等离子体浸入离子注入 , 制备了具有优良机械性能和生物相容性的梯度 镀层 ,和诸如在不锈刚上镀类金刚石碳的梯度 生物材料. 中国科技大学镀制了高质量金刚石 膜并详细研究了沉积机理. 研究了镀制厚金刚 石膜的方法 ,制成了可用作微电子元件基板的 10 ×10 ×0136mm 尺寸的金刚石片 ,其导热率 达到 10W/ cm K ,并研究了沉积过程中细致的 物理和化学过程[18 ] . 北京科技大学用电弧射流 沉积了透明度很好的大尺寸金刚石片. 213 等离子体表面改性与有机膜 中央民族大学用冷等离子体对医用材料进 · 093 · 物理
行表面改性9,并用于实际生产,例如对一次1070mm装置,配有金属离子源,负脉冲10 性注射器的等离子体处理方法优于原有的化学90kV,重复频率10-500Hz.哈尔滨工业大学 方法.四川联合大学用等离子体方法处理多种与香港城市大学联合研制了中m×1.2m的多 工业用聚合物,以获得改进的表面与流变特性,用途装置,有5种等离子体产生方法,其负脉冲 用于诸如工程塑料生产和制造塑料磁铁等.用峰值为5-100kV,重复频率10-500Hz,最大 等离子体处理聚氨酯表面以改进与血液的相容平均电流80mA.大连理工大学研制了用微波 性 等离子源的PI装置,研究了鞘层行为和鞘层 中国科学院化学研宄所研究了各类有机单内离子能量分布等中国科学院物理研究所研 体在固体表面进行等离子体沉积聚合的一般规究发展了圆柱材料内表面PI处理的方法国 律,并进行了有机硅化合物等离子体聚合膜用内目前发展中最大功率的PIl设备有24kW 作气体分离膜和金属保护膜的研究.北京大学(80kV×0.3A)高压电源可以预料,这方面的 用等离子体引发聚合反应制备了有很好血液相应用将迅速增长 容性的聚合物和具有三阶非线性光学效应的苯 基氰衍生聚合物10 3高气压非平衡等离子体 中国科学院成都有机化学研究所用等离子 法合成了多种功能薄膜,如a- SiCNO,金属有 大气压非平衡等离子体能用于产生某些很 机物膜N(CO)4,CP2Fe,Sn(C4H)4等,这些均有用的化学反应,如生产臭氧用于水的消毒,处 可用作传感器和催化剂21.大连理工大学用多理烟气中的污染成分,也可用于处理天然纤维 束混合注入设备制备了一种能产生滴状冷凝的的表面以获得改进的性能上海纺织科学研究 膜,能使冷凝器的传热率增加10倍用等离子院与复旦大学研制了介质阻挡放电(DBD)等离 体氮化与等离子体浸没离子注入方法相结合,子体处理羊毛的工艺和设备研究表明,纤维表 发展了一种不锈钢表面氮化的工艺,具有工业面上产生了微坑,使摩擦力增加20%,改进了 应用前景{2 亲水性抗静电性与染色性,使羊毛等级得到显 2.4离子镀 著提高.北京印刷学院用电晕放电处理邮票纸 80年代早期,一些单位已开始用中空阴极改进了印刷性能用感应介质阻挡放电(IBD) 放电离子源进行离子镀膜工作,现已发展到工处理用于油墨的碳墨,能显著改进其表面性 业应用阶段中国科学院力学研究所发展了自能231 己的多弧离子源和工具镀膜的技术和设备,研 复旦大学对DBD的机理进行了深入研究 究种类有大面积阴极、控制电弧放电和磁场过用数值模拟研究了微放电过程和粒子动理学 滤技术等,发展了新膜层如(T,A)N, NICrAlY用电探针测量了DBD等离子体,发现其电子温 等国内的一些研究单位和公司己将装饰镀膜度比辉光放电中的高得多用碰撞辐射原子分 设备商品化.32弧中m×4.5m的出口设备可子模型(CRAM)研究了DBD氙准分子激光源 镀4m长的不锈钢板国内最大的设备为长方中的基本过程24.大连理工大学研究了用脉冲 型,有42个电弧离子源,可一次镀10块不锈钢电晕放电除去烟气中的SO2与NOx并对消除 板除镀TN装饰膜外,也发展了其他各种颜机理进行了解释131.北京理工大学用催化剂和 色的氧化物镀层 电晕放电相结合的方法分解烟气或空气中的 25等离子体浸没离子注入(PID CH4261.中国科学院力学研究所发展了一种磁 由于这项技术有很好的工业应用前景,在驱动的滑动弧( glid arc)装置,用此方法可增加 国内投入了较大力量并取得了迅速进展西南滑动弧重复击穿的频率和等离子体的非平衡 物理研究院研制了针对工业应用的中m×度 28卷(1999年)7期 201994-2007ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki,net
行表面改性[19 ] ,并用于实际生产 ,例如对一次 性注射器的等离子体处理方法优于原有的化学 方法. 四川联合大学用等离子体方法处理多种 工业用聚合物 ,以获得改进的表面与流变特性 , 用于诸如工程塑料生产和制造塑料磁铁等. 用 等离子体处理聚氨酯表面以改进与血液的相容 性. 中国科学院化学研究所研究了各类有机单 体在固体表面进行等离子体沉积聚合的一般规 律 ,并进行了有机硅化合物等离子体聚合膜用 作气体分离膜和金属保护膜的研究. 北京大学 用等离子体引发聚合反应制备了有很好血液相 容性的聚合物和具有三阶非线性光学效应的苯 基氰衍生聚合物[20 ] . 中国科学院成都有机化学研究所用等离子 法合成了多种功能薄膜 ,如 a - SiCNO ,金属有 机物膜 Ni(CO) 4 ,CP2Fe ,Sn (C4 H9 ) 4 等 ,这些均 可用作传感器和催化剂[21 ] . 大连理工大学用多 束混合注入设备制备了一种能产生滴状冷凝的 膜 ,能使冷凝器的传热率增加 10 倍. 用等离子 体氮化与等离子体浸没离子注入方法相结合 , 发展了一种不锈钢表面氮化的工艺 ,具有工业 应用前景[22 ] . 214 离子镀 80 年代早期 ,一些单位已开始用中空阴极 放电离子源进行离子镀膜工作 ,现已发展到工 业应用阶段. 中国科学院力学研究所发展了自 己的多弧离子源和工具镀膜的技术和设备 ,研 究种类有大面积阴极、控制电弧放电和磁场过 滤技术等 ,发展了新膜层如( Ti ,Al) N ,NiCrAl Y 等. 国内的一些研究单位和公司已将装饰镀膜 设备商品化. 32 弧 <2m ×415m 的出口设备可 镀 4m 长的不锈钢板. 国内最大的设备为长方 型 ,有 42 个电弧离子源 ,可一次镀 10 块不锈钢 板. 除镀 TiN 装饰膜外 ,也发展了其他各种颜 色的氧化物镀层. 215 等离子体浸没离子注入( PIII) 由于这项技术有很好的工业应用前景 ,在 国内投入了较大力量并取得了迅速进展. 西南 物理研究院研制了针对工业应用的 <1m × 1070mm 装置 ,配有金属离子源 ,负脉冲 10 — 90kV ,重复频率 10 —500Hz. 哈尔滨工业大学 与香港城市大学联合研制了 <1m ×112m 的多 用途装置 ,有 5 种等离子体产生方法 ,其负脉冲 峰值为 5 —100kV ,重复频率 10 —500Hz ,最大 平均电流 80mA. 大连理工大学研制了用微波 等离子源的 PIII 装置 ,研究了鞘层行为和鞘层 内离子能量分布等. 中国科学院物理研究所研 究发展了圆柱材料内表面 PIII 处理的方法. 国 内目前发展中最大功率的 PIII 设备有 24kW (80kV ×013A) 高压电源. 可以预料 ,这方面的 应用将迅速增长. 3 高气压非平衡等离子体 大气压非平衡等离子体能用于产生某些很 有用的化学反应 ,如生产臭氧用于水的消毒 ,处 理烟气中的污染成分 ,也可用于处理天然纤维 的表面以获得改进的性能. 上海纺织科学研究 院与复旦大学研制了介质阻挡放电(DBD) 等离 子体处理羊毛的工艺和设备. 研究表明 ,纤维表 面上产生了微坑 ,使摩擦力增加 20 % ,改进了 亲水性、抗静电性与染色性 ,使羊毛等级得到显 著提高. 北京印刷学院用电晕放电处理邮票纸 , 改进了印刷性能. 用感应介质阻挡放电( IDBD) 处理用于油墨的碳墨 ,能显著改进其表面性 能[23 ] . 复旦大学对 DBD 的机理进行了深入研究 , 用数值模拟研究了微放电过程和粒子动理学 , 用电探针测量了 DBD 等离子体 ,发现其电子温 度比辉光放电中的高得多. 用碰撞辐射原子分 子模型(CRAM) 研究了 DBD 氙准分子激光源 中的基本过程[24 ] . 大连理工大学研究了用脉冲 电晕放电除去烟气中的 SO2 与 NO x ,并对消除 机理进行了解释[25 ] . 北京理工大学用催化剂和 电晕放电相结合的方法分解烟气或空气中的 CH4 [26 ] . 中国科学院力学研究所发展了一种磁 驱动的滑动弧(glid arc) 装置 ,用此方法可增加 滑动弧重复击穿的频率和等离子体的非平衡 度. 28 卷 (1999 年) 7 期 · 193 ·
近有很大发展各种镀膜和表面改性如硬质膜 4我国等离子体加工工艺研究前景 有机膜,功能膜,纤维、塑料表面改性,离子镀 等离子浸没离子注入等方面也有不少成功的工 等离子体工艺研究涉及多个学科领域,各业应用我国在微电子方面当然应该投入相当 项技术所处发展阶段也不尽相同.我国研究工的力量,否则与国外的差距将愈来愈大但同时 作覆盖面广,但深入的机理研究和等离子体诊更应看到在其他方面低气压非平衡等离子体也 断工作较少.今后应注意集中力量,发展重点,还有很大的发展余地,特别是各种镀膜和表面 提高水平要区别“研究”和“发展(或开发)”两改性的种类和方法极多关键是要找准一些真 个不同层次的工作,前者更着重新技术的探索正有发展前途的研究对象和适当的方法,开展 和机理、规律的研究,经济可行性可以暂时较少深入持久的系统研究,把技术发展改进和测量 考虑或者是已经解决的问题;而后者更需要对诊断、机理研究、理论分析指导很好地结合起 我国条件下的技术、经济可行性有充分的分析来,并且不失时机地把成熟的技术转向应用市 论证有一些等离子体应用,在技术上是可行场.当然这种做法对各类等离子体研究也都是 的,但经济上难以和其他方法竞争,最终难以推适用的 广.例如有一些大规模的化工、冶金技术,只有 大气压非平衡等离子体由于不需要真空设 在电力和矿产资源有特殊条件的国家如挪威、备又能在低的气体温度下产生反应所需的活性 加拿大、法国、南非等地才能在经济上站住脚.粒子,对于实际应用有很大的吸引力.这方面的 又如金刚石膜的制备是等离子体研究的热点,研究开展得相对较晚,所以还有不少需要弄清 但也由于成本的原因未能形成预期设想的市的问题已有不少工业应用如臭氧生产、多种纤 场 维和塑料的表面改性、有机膜的生成,等等.应 在热等离子体方面现在已有的工业应用,研究非平衡等离子体产生和有关反应的机理 包括喷涂焊接、切割、材料致密化与球化,某些掌握规律,开创新的应用,创造新的等离子源并 粉末材料合成,某些化工、冶金应用等除了在不断改进关于高压非平衡等离子体消除污染 已有的应用上继续发展提高并寻找适合我国情物方面的研究,应充分积累数据,优化方案,做 况的应用项目以外,应着重开展与有较大发展好技术经济分析,使扩大规模的试验建立在扎 前景技术有关的基本规律研究和新技术探索,实的基础上.大面积等离子体平面显示屏是当 如喷涂过程和涂层性能的研究,新的高性能涂前发展很快的技术,在学科上也属于非平衡等 层制备方法,热等离子体化学气相沉积,纳米材离子体的范畴,但这已超出了本文的范围 料制备,某些化工、冶金过程的规律性及其技 研究中要充分重视实验设备的建立,特别 术经济可行性研究.关于热等离子体分解有害是不能忽视诊断测试工作同时应充分发挥建 废物的工作,目前主要还处于研究阶段,真正的立模型和数值模拟的作用 工业应用将取决于成本、效率、政府政策和其他 随着我国科技研究体制改革的不断深入, 技术的竞争等因素 对等离子体加工工艺研究的要求在两个方向上 非平衡等离子体材料工艺是相对较新的领显得更为突出:在基础性研究方面,要在一些重 域,近年来发展很快.低气压非平衡等离子体装要的基础问题上做出高水平、有发展前途的成 置中等离子体密度高,气体温度低,成分可精确果;在应用研究方面要求提高科硏成果转化为 控制,能产生各种奇妙的反应,引起了大量科技生产力的比率.这两个方面又不应是互相孤立、 人员的重视和兴趣.尤其是微电子方面的应用互相无关,而应是互相支援、互相促进的.应针 给予这方面的研究以很大的推动力新的等离对应用中的关键基础问题开展深入研究,而基 子源不断推出,如感应耦合等离子体(ICP)最础研究所得到的理解和新发现,又应该用来指 392 物理 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
4 我国等离子体加工工艺研究前景 等离子体工艺研究涉及多个学科领域 ,各 项技术所处发展阶段也不尽相同. 我国研究工 作覆盖面广 ,但深入的机理研究和等离子体诊 断工作较少. 今后应注意集中力量 ,发展重点 , 提高水平. 要区别“研究”和“发展 (或开发) ”两 个不同层次的工作 ,前者更着重新技术的探索 和机理、规律的研究 ,经济可行性可以暂时较少 考虑或者是已经解决的问题 ;而后者更需要对 我国条件下的技术、经济可行性有充分的分析 论证. 有一些等离子体应用 ,在技术上是可行 的 ,但经济上难以和其他方法竞争 ,最终难以推 广. 例如有一些大规模的化工、冶金技术 ,只有 在电力和矿产资源有特殊条件的国家如挪威、 加拿大、法国、南非等地才能在经济上站住脚. 又如金刚石膜的制备是等离子体研究的热点 , 但也由于成本的原因未能形成预期设想的市 场. 在热等离子体方面 ,现在已有的工业应用 , 包括喷涂、焊接、切割、材料致密化与球化 ,某些 粉末材料合成 ,某些化工、冶金应用等. 除了在 已有的应用上继续发展提高并寻找适合我国情 况的应用项目以外 ,应着重开展与有较大发展 前景技术有关的基本规律研究和新技术探索 , 如喷涂过程和涂层性能的研究 ,新的高性能涂 层制备方法 ,热等离子体化学气相沉积 ,纳米材 料制备 ,某些化工、冶金过程的规律性及其技 术、经济可行性研究. 关于热等离子体分解有害 废物的工作 ,目前主要还处于研究阶段 ,真正的 工业应用将取决于成本、效率、政府政策和其他 技术的竞争等因素. 非平衡等离子体材料工艺是相对较新的领 域 ,近年来发展很快. 低气压非平衡等离子体装 置中等离子体密度高 ,气体温度低 ,成分可精确 控制 ,能产生各种奇妙的反应 ,引起了大量科技 人员的重视和兴趣. 尤其是微电子方面的应用 给予这方面的研究以很大的推动力. 新的等离 子源不断推出 ,如感应耦合等离子体 ( ICP) 最 近有很大发展. 各种镀膜和表面改性如硬质膜 , 有机膜 ,功能膜 ,纤维、塑料表面改性 ,离子镀 , 等离子浸没离子注入等方面也有不少成功的工 业应用. 我国在微电子方面当然应该投入相当 的力量 ,否则与国外的差距将愈来愈大. 但同时 更应看到在其他方面低气压非平衡等离子体也 还有很大的发展余地 ,特别是各种镀膜和表面 改性的种类和方法极多. 关键是要找准一些真 正有发展前途的研究对象和适当的方法 ,开展 深入持久的系统研究 ,把技术发展改进和测量 诊断、机理研究、理论分析指导很好地结合起 来 ,并且不失时机地把成熟的技术转向应用市 场. 当然这种做法对各类等离子体研究也都是 适用的. 大气压非平衡等离子体由于不需要真空设 备又能在低的气体温度下产生反应所需的活性 粒子 ,对于实际应用有很大的吸引力. 这方面的 研究开展得相对较晚 ,所以还有不少需要弄清 的问题. 已有不少工业应用如臭氧生产、多种纤 维和塑料的表面改性、有机膜的生成 ,等等. 应 研究非平衡等离子体产生和有关反应的机理 , 掌握规律 ,开创新的应用 ,创造新的等离子源并 不断改进. 关于高压非平衡等离子体消除污染 物方面的研究 ,应充分积累数据 ,优化方案 ,做 好技术经济分析 ,使扩大规模的试验建立在扎 实的基础上. 大面积等离子体平面显示屏是当 前发展很快的技术 ,在学科上也属于非平衡等 离子体的范畴 ,但这已超出了本文的范围. 研究中要充分重视实验设备的建立 ,特别 是不能忽视诊断测试工作. 同时应充分发挥建 立模型和数值模拟的作用. 随着我国科技研究体制改革的不断深入 , 对等离子体加工工艺研究的要求在两个方向上 显得更为突出 :在基础性研究方面 ,要在一些重 要的基础问题上做出高水平、有发展前途的成 果 ;在应用研究方面要求提高科研成果转化为 生产力的比率. 这两个方面又不应是互相孤立、 互相无关 ,而应是互相支援、互相促进的. 应针 对应用中的关键基础问题开展深入研究 ,而基 础研究所得到的理解和新发现 ,又应该用来指 · 293 · 物理