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等離子體技術

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等離子體技術(plasma technology)應用等離子體發生器產生的部分電離等離子體完成一定工業生產目標的手段。
中文名
等離子體技術
外文名
plasma technology
特    點
温度高
功    能
提供高焓值的工作介質

等離子體技術等離子體特點

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等離子體的温度高,能提供高焓值的工作介質,生產常規方法不能得到的材料,加之有氣氛可控、設備相對簡單、能顯著縮短工藝流程等優點,所以等離子體技術有很大發展。1879年W.克魯克斯指出放電管中的電離氣體是不同於氣體、液體、固體的物質第四態,1928年I.朗繆爾給它起名為等離子體。最常見的等離子體有電弧霓虹燈日光燈的發光氣體以及閃電極光等。隨着科學技術的發展,人們已能用多種方法人工產生等離子體,從而形成一種應用廣泛的等離子體技術。一般來説,温度在108K左右的等離子體稱高温等離子體,只用於受控熱核聚變實驗中;具有工業應用價值的等離子體是温度在 2×103~5×104K之間、能持續幾分鐘乃至幾十小時的低温等離子體,主要用氣體放電法和燃燒法獲得。氣體放電又分為電弧放電、高頻感應放電和低氣壓放電。前兩者產生的等離子體稱熱等離子體,主要用作高温熱源;後者產生的等離子體稱冷等離子體,具有工業上可利用的特殊的物理性質。但在有機廢氣治理方面由於高壓放電,需要防止容易打火而產生爆炸事故。它們主要用在以下幾方面:

等離子體技術用途

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①等離子體機械加工
等離子弧堆焊 等離子弧堆焊
利用等離子體噴槍產生的高温高速射流,可進行焊接、堆焊、噴塗、切割、加熱切削等機械加工。等離子弧焊接比鎢極氬弧焊接快得多。1965年問世的微等離子弧焊接,火炬尺寸只有2~3毫米,可用於加工十分細小的工件。等離子弧堆焊可在部件上堆焊耐磨、耐腐蝕、耐高温的合金,用來加工各種特殊閥門、鑽頭、刀具、模具和機軸等。利用電弧等離子體的高温和強噴射力,還能把金屬或非金屬噴塗在工件表面,以提高工件的耐磨、耐腐蝕 ;、耐高温氧化、抗震等性能。等離子體切割是用電弧等離子體將被切割的金屬迅速局部加熱到熔化狀態,同時用高速氣流將已熔金屬吹掉而形成狹窄的切口。等離子體加熱切削是在刀具前適當設置一等離子體弧,讓金屬在切削前受熱,改變加工材料的機械性能,使之易於切削。這種方法比常規切削方法提高工效5~20倍。
②等離子體化工
利用等離子體的高温或其中的活性粒子和輻射來促成某些化學反應,以獲取新的物質。如用電弧等離子體制備氮化硼超細粉,用高頻等離子體制備二氧化鈦鈦白)粉等。
從20世紀60年代開始,人們利用熱等離子體熔化和精煉金屬,等離子體電弧熔煉爐已廣泛用於熔化耐高温合金和煉製高級合金鋼;還可用來促進化學反應以及從礦物中提取所需產物。
④等離子體表面處理
用冷等離子體處理金屬或非金屬固體表面,效果顯著。如在光學透鏡表面沉積10微米的有機硅單體薄膜,可改善透鏡的抗劃痕性能和反射指數;用冷等離子體處理聚酯織物,可改變其表面浸潤性。這一技術還常用於金屬固體表面的清洗和刻蝕。
⑤氣動熱模擬
電弧加熱器產生的高温氣流,能模擬超高速飛行器進入大氣層時所處的嚴重氣動加熱環境,從而可用於研製適於超高速飛行器的熱防護系統和材料。
此外,燃燒產生的等離子體還用於磁流體發電。70年代以來,人們利用電離氣體中電流和磁場的相互作用力使氣體高速噴射而產生的推力,製造出磁等離子體動力推進器和脈衝等離子體推進器。它們的比衝(火箭排氣速度與重力加速度之比)比化學燃料推進器高得多,已成為航天技術中較為理想的推進方法。

等離子體技術影響因素

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影響產生均勻等離子體狀態的因素:
低介質相對對輻射的吸收能力弱,形成的等離子體温度低,向真空的膨脹速度慢,可以抑制中、高Z 等離子體向真空的快速膨脹,起到對中、高Z 等離子體的箍束作用。圖3 給出了CH 膜的厚度對在t= 5. 5n s 時形成的等離子體狀態的影響(鐵樣品厚為0. 02Lm)。(a) IR= 1. 25×1012W ö cm 2 從均勻到非均勻; (b) IR= 5×1012W ö cm 2 到達均勻等離子體狀態温度空間分佈; (c) 密度演化; (d) 温度和密度隨CH 膜厚度的變化。由圖3 (a) 中可以看出,隨CH 膜厚度的增加,鐵等離子體的膨脹尺度變小,密度明顯提高,温度降低,因而低Z 介質的確對鐵等離子體有箍束作用。CH 等離子體的密度明顯提高,但温度沒有明顯變化。與圖3 (a) 不同是,到達均勻等離子體狀態時圖3 (b) 温度呈現先升高後降低的現象,鑑於輻射不透明度對温度的變化敏感而對密度的變化不是很敏感,在同一輻射源條件下,調整CH 膜的厚度可以微調所產生的等離子體狀態。
由於低Z 介質CH 膜對鐵等離子體有明顯的箍束作用,在不同方向上採用不同的CH 膜厚度,在背光方向上的CH 膜厚度既得能箍束等離子體還不會太厚對吸收譜有明顯的影響,在背光方向上的CH 膜厚度可以足夠得厚使它儘可能地達到一維膨脹,這樣通過X 光背光照相測出其膨脹位置,推出的等離子體密度可以更加準確。
在同一時刻和處於同一輻射源下,獲得的鐵等離子體密度與CH 膜的初始厚度L 0,CH 呈現良好的線性關係。對數值模擬結果進行擬合,即有QCH∝L 0,CH,QFe∝L 0,CH,CH 的温度基本上不隨L 0,CH變化。鐵等離子體温度的變化規律我們以後再研究。