教案：等离子表面技术

1、.第一章 绪论金属表面厚度为0.510nm，成分往往与内部不同，如不锈钢表面Cr含量甚至可高达内部的7倍，另外表面会吸附一些外来原子。 原子排列的周期性不同，在表面出现所谓的原子重构和弛豫现象。 晶体表面存在各种缺陷，主要有：台阶、弯折、空位、凸沿、吸附原子等。金属有氧化物覆盖层，氧化物有时会呈树枝状生长，因此最为平滑的表面也是不规则的。 真实接触面积要比表观面积小很多。实验室条件下的钢表面，在10kg/cm2负荷下，真实接触面积约为表观面积的0.01。 摩擦时真实接触面积局部温度可升高好几百度，并且最高温度相当于熔点较低的金属的熔点。曾发现钢在玻璃上滑动时局部温度可高达12000C。当温度升

2、高时，表面扩散过程也随之加剧。固体的表面扩散活化能比本体扩散活化能低，当温度接近固体熔点时，表面区域已局部液化，产生烧结现象。1、表面改性技术： 抛光，喷丸，滚压，毛化，刻蚀，高频表面淬火，电接触表面淬火，电解液表面淬火，渗碳，渗氮，渗硼，渗硫，渗金属，机械能助渗，双层辉光离子渗金属，铸渗，双金属铸造，氧化，磷化，离子注入等。激光表面淬火，激光表面熔凝，等离子束表面淬火，等离子束多元共渗相变强化，等离子束表面冶金（分为熔覆和熔凝）。2、表面涂覆层技术： （1）薄膜技术： PVD，CVD，溅射，多弧离子镀，机械镀。 （2）厚膜技术（有机涂装除外）： 搪瓷，涂覆烧结，电镀，电刷镀，化学镀，热浸镀，

3、线熔爆，冷喷涂，热喷涂（火焰喷涂，电弧喷涂，等离子喷涂，爆炸喷涂，超音速喷涂，真空等离子喷涂等），堆焊，喷焊（喷熔或重熔），热轧包覆，爆炸复合，自蔓延烧结，激光熔覆，等离子束表面冶金（熔覆）。11等离子体的分类物质的状态在一定的温度和压力下可以呈固态、液态、气体和等离子体状态存在，宇宙中，绝大多数物质都是以等离子状态存在的。等离子也称为物质的第四态。等离子体由分子、原子（处于基态或各种激发态）、电子、正离子和质子所组成。等离子体是电中性的，其中的带电离子由气体本身电离产生。其实把电离的气体作为等离子体只是一种侠义的定义，而并非等离子体的全部。广义等离子体还包括正电荷总数和负电荷总数相等的其他许

4、多带电粒子体系，如金属、半导体、电解质水溶液等都可称为等离子体。一般来说我们讲的等离子体仅限于气体离解及电离生成的等离子体。等离子体的分类有很多种方法：111 产生原因自然等离子体和实验室等离子体自然等离子体广泛存在于宇宙中，实验室等离子体诸如日光灯中放电、电弧放电、气体激光、受控核聚变、原子弹爆炸、某些化学反应如燃烧、紫外线或x射线辐照等，它们都是由人工产生的。112 按照气体电离程度可划分为：1、完全电离；2、部分电离；3、弱电离113 按照等离子体的温度可划分为：1）高温等离子体 即粒子的温度为105108K 2）低温等离子体 室温到 3×105 K左右，其中按照重粒子温度水平

5、还可分为 热等离子体核冷等离子体。在材料表面改性技术中，溅射、离子镀、离子注入、等离子化学热处理等工艺应用的是冷等离子体，而等离子喷涂、等离子淬火及多元共渗相变强化、等离子表面冶金等工艺应用的是热等离子体。通常是指压缩电弧等离子束流。114 按照粒子的密度来划分：1）致密等离子体（高压等离子体），粒子的密度n> 1015-1018cm-3此时粒子间的碰撞起主要作用。2）稀薄等离子体（低压等离子体），粒子的密度n< 1012-14 cm-3时，粒子间的碰撞基本不起作用，例如辉光放电115 实验室等离子体或称人工等离子体也可以按照产生等离子体的方式划分：1）燃烧等离子体 2）电弧等离子

6、体 3）高频等离子体 4）激波等离子体 5）激光等离子体 6）聚变等离子体 当然，并非任何电离气体都能算作等离子体的，因为只要绝对温度不等于0，任何气体中总是可能有少许原子电离的。因此，准确的说，只有当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著影响，这样密度的电离气体才转变成等离子体。此外，等离子体的存在还受其特征的空间核时间的限制。12 人工产生等离子体的方法121 气体放电法 我们一般把在电场作用下气体击穿而导电的物理现象称之为气体放电，由此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。1 常用电场类型一般按照所加电场的频率不同，气体放电可分为直流放电、低频

7、放电、高频放电、微波放电等就等离子体化学领域而言，直流Dc)放电因其简单易行，特别是对工业装置来说可以施加很大的功率至今仍被采用低频放电的频率范围一般为1100kHz，在实际工作中用得不多目前，在实验装置中和工艺设备中用得最多的莫过于高频放电装置其频率范围为10一100MHz由于这属于无线电波频谱范围，故又称为射频放电(Radio frcquon。7dischar6e)，略称R F放电，最常用的频率为1356MH2当所用电场的频率超过l GHz时，属于微波放电(MicrovaYo dlschar8c)，略称MW放电常用的微波放电频率为2450MHz由于微波放电能导致电子回旋共振，增加放电频轧有

8、利于提高工艺质量，因此在应用上明显地呈发展趋势。在常压等离子表面改性核等离子喷涂领域，主要用直流喷射等离子炬，它是在阴极核阳极之间用高频高压电击穿后，由软特性直流电维持放电的。在低压直流等离子体喷射气相生长金刚石时，也是使用此类装置。2 几种放电形式气体放电的形式和特点与放电条件有关，一下以直流放电过程介绍几种主要的放电形式。图32为氖气在相距50cm，直径为2cM的圆板电板间， 于133 x l 02Pa气压条件下放电过程的伏安特性曲线图中附有测量此伏支持险的线路示意图回路中串接着可调式直流高压电源Ea、放电管和限流电阻R显然，放电管的极间电压VEa一RI其中I为放电电流，极间电压V也叫做管

9、压降由图中伏安特性可见，当电极间开始加电压时电流随电压的增加而增大但电流值极小，一般低于1014A这是出于在通常情况下气体内所含自由电荷极少的缘故对普通气体来说，虽然因宇宙射线或其他外界辐照源的作用龙会有气体粒子发生电离，但电高度极小因此加极间电压时只能形成微弱电流，电流值随外界电离剂作用的强弱而变化，是随机电流脉冲当电压升至能使产生的所有荷电粒子全部到达两极时达到饱和电流值，这时即使继续升高电压，电流也不会上升，与此对应的是伏安特性上出现电流平台此后随着伏安特性的继续变化，即可接放电中占主导地位的基本过程及放电时的特有现象对气体放电形式作如下分类1）汤生放电 在图3.2中伏安特性曲线上，当越

10、过饱和电流区继续升高电压时电流按指数关系再度增加这表明除外界电路剂引起的初始电离外，又有新的电离机制但这时虽然极间电压较高放电电流都依然很小，放电管内也不发光当电压升到某个临界值时，气体被“击穿”，也叫“着火”。该点对应的电压称为气体击穿电压VB或者着火电压。此时由于气体绝缘破坏，电流急骤上升，一跃增大几个数量级。这种现象表明，又有造成大量自由电荷的新过程出现汤生最早对这一放电过程进行了理论解析，故称之为汤生放电(Townsend discharge) 实验研究表明，在气体击穿之前放电必须靠外部电离环境来维持如果把外部电离环境撤除放电也就停止了，故这种放电又叫做非自持放电但在气体击穿之后。即使

11、撤去外界电离环境放电也能靠自身内部的电离机制来维持，叫做自持放电图中曲线D段对应的电流称为自持电流 2）电晕放电由于气体击穿后绝缘破坏，内阻降低，当迅速越过自持电流区后便立即出现极间电压减小的现象，并同时在电极周围产生昏暗辉光，称为电晕(corona)放电对应着图中曲线E段 3) 辉光放电越过电晕放电区后，若限流电阻R选择得当，继续增加放电功率时放电电流将不断上升同时辉光逐渐扩展到两电极之间的整个放电空问，发光也越来越明亮，叫做辉光放电(Glow discharge)按其状态辉光放电又可分为三个不同阶段，即前期辉光、正常辉光和异常辉光 图3.2伏安特性的G段对应的是正常辉光放心其特点是放电电流

12、随输入功率的增大而增加，但极间电压几乎保持不变且明显低于着火电压在此之前，由电晕放电到正常辉光之间的过渡区叫做前期辉光而在正常辉光之后，即图中伏安特性早急骡上升态势的H段为异常辉光放电， 辉光放电一种稳定的自持放电，是低温等离予体化学领域广泛采用的放电形式 4) 弧光放电若进一步增加异常辉光放电的电流，当其达到一定值时伏安特性会突然“急转直下”管压降陡降而放电电流大增，这表明放电机制发生了质的变化也就从辉光放电过渡到弧光 (Arc) 放电了弧光放电也是一种稳定的放电形式其主要特点是阴极发射电子的机理与辉光放电不同，可能是热发射或场致发射；管压降很低，只有数十伏，而放电电流很大，可以从0.1A到

13、数kA同时电极间整个弧区发出很强的光和热所发生的等离子体称为电弧等离子体，属予热等离子体，在高温等离子体化学领域有着广泛而重要的应用如等离子切割，等离子喷涂，等离子冶金，等离子点火，等离子表面淬火及重熔合金化，等离子喷射法气相生长金刚石，等离子有机合成等。3 电场和气压对等离子体性质的影响1.2等离子体类型与P/E的关系电场强度和气压这两个可操作的宏观参量湿影响放电的关键性因素。图1.2表明气体放电等离子体的类型与电场强度E, 气压P，电流密度间的大致相依关系，一般来说，在低气压，强电场条件下，电流密度小时易产生辉光放电，电流密度增大到一定数值后过渡到弧光放电。若在一个大气压或更高气压条件下，

14、则往往不经辉光放电而直接从电晕放电过渡到弧光放电。在定电流条件下，等离子体温度对于气压的依赖关系如图1.3所示由图可见，在从常压到约100Torr(即1.33×104Pa)的各气压条件下电子温度和气体温度相同，即Te=Tg这是由于在此气压范围内电子不可能被电场充分加速，其能量经碰撞被高密度的气体分子有效吸收而变成热能，使体系达到热平衡。但在低压条件下则不同，电子温度与气体温度的差别逐渐增大，以致Te>>Tg。13 等离子体温度和气压的关系122 射线辐照法利用各种射线或粒子束辐照使气体电离也能产生等离子体。123 光电离法当入射光子的能量hv大于某种原子或分子的电离能Ei

15、时，便能发生光电离，即： AhvAe 124 激光等离子体激光辐照电离与光电离一样也是依靠光子能量产生等离子体的，单因其电离机制和所得结果与普通光电离法有所不同，所以单列一类，一般来说，激光辐照法易获得高温高密度等离子体。125热电离法利用外部加热或利用自身化学反应热如燃烧来使物质产生等离子体状态使一种常用的方法，热电离法实质上是借助热运动能足够大的原子，分子间相互碰撞引起电离的：AMAeM 也就是说，热致电离机制也是碰撞相互作用。126 激波等离子体近年来发展起来的超声波化学实际上就是研究由于超声波的作用，在固液界面上产生了瞬间的高温、高压或低压等远离平衡状态的局部环境下所发生的许多异常化学

16、现象的新学科，山东科技大学材料工程研究所进年来开发成功的室温超声波催化酸性化学镀镍工艺就是利用这一独特过程来实现的。13 人工等离子体的产生原理131 汤生放电理论一）汤生第一电离系数二）电子数目增长函数三）自持放电条件和自持电流1）正离子碰撞引起的电离2）阴极发射二次电子的作用132 帕刑定律14几种气体放电时的帕刑曲线1）气体击穿电压 气体击穿电压VB是放电开始所必需的最低电压，实际上不难测定帕邢(F. Paschen) 在汤生提出雪崩击穿理论之前便在实验室中发现，在一定的放电气压范围内，VB是气压和极间距离乘积的函数，即VBf(pd)这种因数关系被称为帕邢定律，对确定的放电气体而言，存在

17、着VB的极小值。实际上，直流放电的帕刑定律是由放电自持条件导出的，即 这便是直流放电时的帕刑定律表达式。它给出了气体击穿电压与放电时气压和极间距离乘积pd间的函数关系。其中是汤生第二电离系数，A,B均为由气体种类决定的常数。 从而，求得气体击穿电压极小值为第二章 低温等离子体特性等离子的理论研究要进一步降低电耗,提高枪及炉体寿命,必须进行模拟实验,研究等离子体中电磁学、热传递、能量转换及流体流动等现象。因为只有透彻地了描述和表示等离子特性的方法有3种:等离子物理、磁流体力学及经验渐进线关系:(1)等离子物理。以物质的动力学理论为基础,用分布函数描述等离子系统中电磁现象,热现象以及流体流动现象。

18、通常分别对电子和离子写独立的方程。在教学用书中24对此基本方法有详细的讨论。这些分布方程的复杂妨碍了它们对处理工程类问题的应用。(2)磁流体力学。采用近似将等离子区域作为导电介质对待,其传导性取决于温度。将问题通过麦克斯韦()方程(计算电磁场)、欧姆定律(计算电流分布和发热模式)、紊流的内维尔 斯托克斯( )方程(计算速度场)以及不同的热能平衡方程(计算温度分布)表示,采用迭代的方法对不同方程进行数值求解。这一方法虽然也复杂,但在许多情况下可以认为是合理的折衷方法。(3)经验渐进线关系。包括在近似的应用中的近似计算方法需要使用计算机。在类似370系统的计算机上需要运算50200.为了评价等离子

19、体系统的一些特殊性质,可以使用稍微简单一些渐进线表达,借助简单的代数式表达描述等离子体行为的一些情况,但不能得出用方法所获得更精确的理解。在本章中，我们主要讲述一下低温等离子体物理基础。21 等离子体的温度在本节中主要从微观碰撞的角度描述等离子体温度的概念及其意义。我们主要描述中均以电弧等离子体发生装置等离子炬为主要例证。低温等离子中的热等离子体粒子温度较高，接近局部热力学平衡状态，但是在近电极区与弧柱仍有区别。等离子体中各种粒子的温度是由其平均动能确定的，粒子i的运动速度与温度Ti的关系为 （2-1）K为波尔兹曼常数，Mi 为气体中粒子i的质量，Vi为粒子i的均方根速度在低压下和相同力场中，

20、电子由于质量轻，能获得比重粒子大得多的速度，加之碰撞次数不多，可使得电子温度高于重粒子温度。在靠近电极的近电极区，由于碰撞不足，该电子的温度远远高于重粒子的温度，电位梯度也是很大的。电场中电子的能量是在其平均自由程中获得增益的，即在两次碰撞中得到加速，其加速度是 Ve是电子的瞬时速度，e为电子的电荷，Me为电子的质量由此可见，电场强度越大，电子所获得加速度就越大，实际上在低压直流等离子体喷射条件下，增加电场强度是不容易的，但是它可以提高效率，因为在相同输出功率的条件下，高电压和低电流可减小电源和电路中电阻热损耗。电子的高速运动不仅对提高等离子体的温度有好处，而且会加速气体的分解和电离。由电子的

21、能量增益定义电子的温度Te Mh为重粒子的质量，Th为重粒子的温度从上式可知，在其他条件不变时，若单纯增大平均自由程L，即提高直流喷射等离子束方法中的非转移弧等离子发生器的工作环境真空度，也可以增加电子温度，但是却会产生下述问题：首先随着气流量的减小，等离子炬内外压力差急剧下降，等离子弧缩入阳极喷嘴内部，喷嘴外部区域温度下降很快，即便气体在等离子炬内分解率很高，当以不大的速度逸出阳极喷嘴时，又很快的复合，根本无法达到所需的等离子体能量密度。随着气体压力的下降，其伏安特性曲线向下移动，且形状发生改变。低压推至极限时就成了电子枪了，这种状态主要用在电子束表面淬火及离子注入表面改性等方面，也就是以后

22、要将的转移弧。在一般的等离子体表面改性和等离子喷涂技术中应用的较少。2.2 等离子体的传热2.2.1 平行板间的流体传热在等离子炬的电弧通道中，流动过程与传热过程是同时发生的，它们之间是相互影响的、相互依赖的。等离子体属于非常物性流体，我们只是定性的介绍一下它的传热情况。假设平行板平行于x方向，在x方向有流体流动，比热是Cp在x方向流动的速度为u，在y方向流动的速度为v，则其对流换热的微分方程为 其中 Cp为流体的比热，为流体导热率我们通常把传热的方式分为导热、对流和幅射。从物理本质来看，对流换热实际上就是流体流动情况下的导热问题。下面我们来看看流体的流动是如何影响传热的。等离子炬电弧通道一般

23、为圆柱形通道，设弧柱沿轴向的温度梯度为零，则得到 如果rR时，则TTw 也就是说流体的流动起着内热源的作用，改变了原来的温度分布，使通道壁面处的温度梯度增大。即保持着与外界的温差，正是这种温差的驱动力，使热量源源不断地传导出去。但是等离子体本身还存在不同于一般热流体的特点，如电磁幅射，化学传热等，这些特点都将影响到液相的凝固组织的变化。现在结合等离子体的电导，从微观的角度进行分析。2.2.2 等离子体的化学传热在等离子炬的两极间，粒子存在着各种运动，因电弧区温度很高，故粒子首先具有热运动，其次是整体向喷嘴方向的宏观运动，此外还有离子的拉莫尔运动，在温度梯度下的热扩散、缔合基团的热泳运动等。首先

24、从能量平衡的角度进行分析，为了简化，假设如下条件：1) 电弧弧柱是轴对称的，等截面的，无限长的，即一维假定；2) 电弧弧柱内部和外部介质均无宏观介质流动，3) 定常的工作条件，排除其他因素的干扰推倒出能量平衡方程 与是电弧等离子体的电导率和导热系数，都与温度有关，r为弧柱半径，etr是幅射相设电弧在通道中炽燃，而冷的通道壁起稳弧作用，则称壁稳弧。一维壁稳弧的边界条件为rR时，TTw；r0时，对于稳定工作的电弧，都有其确定的弧径和相应的温度分布，这就是弧压最小值原理。（电弧总是稳定地炽燃在使其电场倾度最小时的半径上，也就是说，如果弧半径稍有增加或减小，都会使弧电压增大，从而使电弧的能量增加。从热

25、力学的观点来说，这是不稳定的状态，它总是要回到能量最小值状态，即回到具有弧压梯度最小值弧半径2.3 等离子体的焓在许多等离子体表面技术改性工艺过程中，气体的压力基本上是恒定的，其压力值是由供气系统的减压装置所决定的，这样，等离子体和外界的热交换量就对应着等离子体焓的变化，所以焓是描述等离子体状态最重要的热力学函数之一。在等离子体条件下的焓值，其特点在于它由各种形式的能量所组成的：其中 h代表等离子体的焓值，下标KEDI分别对应着平均动能，激发能，分解能和电离能的焓。在电弧通道中，由于径向温度梯度很大，因而在距离弧中心不同的局域中，各部分的焓值，有其是对应分解能和电离能的焓值变化很快大，导致了个

26、区域等离子体焓的不规则变化，但是总的趋势是随着温度的升高焓值增大，在同一温度下，不通气体的焓值也有很大的差别。以往的书中多讲的焊接，切割，熔炼用的电弧等离子炬必须用双原子或着多原子气体等离子体作为工质，以提高焓值，减小温度的变化，增强与工件的换热效果等，实际上并非双原子或多原子气体提高了输出功率，而是在大流量的高焓值气体情况下，其稳态工作点对应的输出效率提高了，即电源供给的能量大大提高了，还有一点应该指出的是没在上述工作条件下，气体流速很高且流量很大，大部分热量可以随之导出，尤其在转移弧的情况下更是如此。然而在低压条件下，利用非转移弧直流喷射等离子炬进行化学气相沉积或表面改性工作时，一般气流量

27、与气体流速都比较小，加之电弧通道较长，径向散热比重上升，高焓值的气体径向散热根隔日严重，因此采用双原子或多原子气体提高焓值必须注意到工艺的特殊性，不然在设计等离子炬时就会出现事与愿违的结果。关于这部分内容，想要深入学习的同学可以参考有关专著。24 等离子体的热流体力学问题电弧在通道中间通过时相当于一条强发热体，气体在电弧中加热分解电离并以传导、流动、幅射等方式向外传导能量。气体加热后剧烈膨胀，密度降低，从而产生压力降，对气流的影响表现为一种阻力，称为热阻力。也就是说当平行前进的气体遇到一个物体时，气流就会绕过该物体而继续流动，当外加冷的气体顺着电弧方向吹入时，由于热阻力的存在，电弧柱中的气流量

28、是很少的，这种现象也称为热绕流。比如在火焰喷涂或等离子喷涂时，会产生一个大的压力差，这样仅有少部分气体穿入热区，而大部分气体将围绕在热区周围流动。热绕流的物理意本质为, 在热区内气体密度降低使气体向外排挤，所造成的压力梯度趋于达到与外界相平衡，表现为对流体起着滞止的作用。由于可将加热对流动的影响与质量注入对流体的影响向比拟，设电弧区平均温度为T1,通道壁与电弧区之间区域的平均温度为T2,则气体通过两个区域的质量流速（单位面积单位时间流过的量，并分别设为m1和m2）之比是： 试验中出现的等离子体弧颜色分层现象就是热绕流的一种表现。适当增加电弧正柱区的半径，减小温度梯度，增设径向旋转磁场形成钟罩式

29、电弧，控制进气方式与流量等，会有效地解决气体的混合问题。电弧在通道中并非稳定地处于中轴线上，随着长度的增加，摆动幅度增大，这就造成了电弧流动的不稳定性。在气相沉积工艺中，等离子炬冷却强度的变化，气体成分的调节，气压的变化，电压电流的波动等，都是造成干扰的因素。解决这一问题的方法就是在放电通道的适当位置设置限束环。在日常生活中我们可以经常见到煤油灯灯罩长时间使用后会变黑，这就是灯罩中热气流的热泳所致。什么是热泳呢，就是当气溶胶处于一非等温场中，悬浮在气体介质中的微颗粒会收到一个与温度梯度方向相反的作用力而运动，这种现象就叫做热泳。在电弧通道中，气体沿通道轴线运动，在径向上又存在着温度梯度。其中缔

30、合的碳粒很小，会随着气流运动，在运动过程中也同样产生热绕流，即热绕流和热泳都对离子施加一个与温度梯度方向相反的作用力。但是热泳现象只取决于温度梯度的存在，热绕流现象是温度梯度和气流流动同时存在。此外，在靠近壁面处由于温度梯度增大，故热泳力占优势，而在远离壁面处则是热绕流的影响是主要的。在用于CVD，表面改性，气相合成等的非转移弧长通道大口径直流喷射等离子炬的工作过程中，经常会看到等离子弧颜色分层的现象。这说明在高温低质量流速的等离子弧柱周围，有较低温度的高质量流速气流，这就是热绕流的存在。该现象不仅造成气源的浪费，也使得所沉积的膜层质量与厚度不均匀。2.5 气体的电离与电流密度低温等离子体应用

31、于工业上，其独特的电磁学性质也是很重要的。在用等离子体喷射法进行气相合成或表面表面改性时，为了让电弧等离子体扩束而不是限束，以获得大面积均匀的等离子体流，必须在电弧阶段给予有力的控制，这样从控制的角度看，两放电电极间救应有足够的距离，以便控制元件。我们可以根据工艺的要求对等离子炬喷嘴加以控制，可以调节等离子束流的直径，称为机械压缩。当自由电弧的弧柱长度较大时，将其看做由无数平行的小股电流所组成的，每股电流都将受到一个落伦兹力，而这些洛伦兹力都是指向弧柱中心的，就像一束电线当电流通过时愈箍愈紧那样，自由电弧的弧柱直径将受到压力而缩小，这就是自磁压缩。 而弧柱中的洛伦兹力将由径向压力梯度来平衡，也

32、就是说弧柱轴心处的压力必然高于其他地方的压力。由于电弧断面的温度不是一个不变的值即中心温度高，边缘温度低，由此导致的气体电离率也不同，在相同的弧电场强度下，电流密度就会随着半径的变化而变化。这样，弧柱处压力高于周围大气压的数值称为附加压力 在多数情况下，电弧在电极之间炽燃的。由于电级的温度总是低得很多，在电极附近处的弧柱温度也将降低，其结果将使弧柱直径缩小，称为冷却压缩。冷却压缩与流体的对流，幅射，传导，化学传热，碰撞等因素有关。这样，由压力附加公式可知，该处的弧柱中心的附加压力将会升高，从而在轴向上存在压力梯度，这个压力梯度将会驱动弧柱中的等离子体从高压向低压处流动，即从近电极向远电极的电弧

33、处流动。在这一流动的同时，为了保持电弧压力的平衡，在阴极附近的弧柱将会吸抽周围的冷气体到弧柱中来，这样就形成了从阴极附近由外部吸抽气体进入电弧弧柱，并向阳极方向运动的连续流动，称为阴极射流。其实这完全是温度场的变化造成了洛伦兹力场的变化所引起的流动，也就是说在洛伦兹力场中的热驱动流。当存在着温度梯度及压力梯度时，等离子体中的电荷将沿着电场方向及压力梯度、温度梯度的负方向运动，这样电荷以某种速度扩散造成电流。这要注意等离子体束流的速度与气流量和电子的速度有关。而电荷的速度只确决于电场强度也就是说无论气流由阴极向阳极方向流动多快，只要保持一定的极间电压，则电子由阴极扩散至阳极的轴向速度就不会改变。

34、2.5 等离子体流与磁场的相互作用由于电弧等离子体的良导电性，我们可以通过外加磁场来改变电弧的位置和形状，因为电弧本身会产生自磁场，所以随着电弧的形状和运动状态的改变，电弧中的电流密度也会发生变化，从而自磁场也会发生变化。目前科学研究只是针对外加磁场对等离子体的影响，而自磁场的影响目前只有很少的人研究，没有什么模本可以遵循。我们给等离子体加上一个正交磁场，则磁场主要作用于电子运动的平均自由程，这种在平均自由程内由于正交磁场分量所导致的带电离子运动的变化称为拉莫尔运动。质量为M的电荷q在磁场B0中运动时所受的力为式中 v为垂直于磁场B0的速度矢量，t为时间。电荷在垂直于磁场B0的平面上运动轨迹投

35、影议程为 r为拉莫尔半径。也就是对于电子而言，。 拉莫尔运动的物理意思1) 不断改变运动方向，从而加剧了电子碰撞机率，提高了电离率。2) 搅拌作用，使成分更加均匀化。3) 由于磁搅拌作用，使得在阳极斑点和阴极斑点以极高的频率跳动，使之不易驻扎在一点上，防止电极烧蚀。从宏观上来说，电流从阳极向阴极流动，在磁场中就存在一个宏观的力，这个力使电弧绕中心阴极的宏观旋转运动，而且速度会越来越快。此时电弧弧柱不可能再保持直线的形状，而是象挥舞的绳子那样，呈现弯曲的形状。我们进行磁控的目的就是要使电弧高速运动不烧蚀电极和磁匀弧作用。气体放电的雪崩效应和电弧弧柱的自磁压缩，使等离子弧中的能量集中在很小的区域内

36、，这就意味着弧柱中的电流密度梯度和温度梯度都是很大的，等离子切割、等离子焊接等技术正是利用了这种特点而优于其他工艺的。但是对于等离子体喷射表面改性应用来讲，则不希望热量过分集中，而需要宽广的、“软”的等离子弧，以获得高的工艺质量和工作效率。所谓“软”的等离子体是指等离子体流或等离子体射流的速度比较低的等离子体。如果采用磁场控制来使电弧弧柱的横截面加大，使弧柱内的电流密度和温度的分布平坦化，进而降低等离子体的流动速度，则称为磁匀弧。2.7 热等离子体发生器在这里我们主要讲的是直流电弧等离子炬，在前面我们讲过气体放电的伏安特性，在常压下空气放电的击穿电压要比急转电压（也就是雪崩电压）要大，如图其中

37、弧光放电就是等离子炬的载荷特性，将等离子炬的载荷特性与电源电压的陡降输出特性相结合，就会得到等离子炬的稳态工作点。也就是说当发生雪崩效应之后，电流无限扩大时在b点，电源截至这种趋势，使电流和电压稳定在B点，即B点就是稳态工作点。如图：VI0冷却水氩气冷却水氩气氩气冷却水图1 表面冶金等离子炬设计原理图Fig.1 schematic diagram of plasma torch for surface metallurgy按照阳极的通电方式的不同，我们可以将电弧等离子炬分为非转移弧和转移弧两种，非转移弧放电是阴极和阳极都在等离子炬上，等离子弧在阴极和阳极之间直接放电，气体经放电区被加热称为等离

38、子体，然后经过阳极喷嘴压缩后喷射到工件表面。电弧自成回路，存在等离子束的分流现象，经长期使用后，可以看出电极表面上电弧斑点烧蚀痕迹的位置，因此它的热效率不是很高。并且与工件的导电性无关，也就是说可以针对任何材料主要用于气相沉积，喷涂，喷焊。转移弧等离子炬就等离子炬中的阴极所发射的电子，经喷嘴压缩后喷射到工件表面后放电，即等离子炬的阴极作为阴极，而工件则成了阳极，这就要求工件必须具有导电性。在转移弧的状态下，阳极放电斑点集中在工件上的待切割部位，使之熔化或汽化，并被高速气流束吹走，而等离子炬上作为引弧用的阳极则处于非工作状态，仅起到压缩电弧的作用，其内壁由强的旋转空气流所包围，将高温等离子体流与

39、之隔绝，因而可长时间连续工作而不被烧损。因此它的热效率远远高于给转移弧放电。主要用于切割，等离子束表面冶金。 有时候需要高压高焓值的时候利用联合弧，就是将两种弧的放电形式综合起来，这样就使弧根有较高的转速，以提高电极寿命，减少电极烧蚀对等离子体的污染。如等离子体焊接就是采用联合弧。第三章 等离子体表面改性技术3.1 金属表面物理化学金属表面实际上是凝聚物质靠近气体或真空的一个或几个原子层，表面原子与内部原子有很大的不同。表面上各原子的能量并非完全一样，存在不同的表面能。其中表面张力是表面能的一种物理表现，如何去度量涂层材料与基材是否有良好的匹配关系成为涂层技术的一个重点。1) 考虑到材料与基材

40、材料热膨胀系数的匹配性，考虑涂层与基材的热膨胀系数的差异对涂层的结合强度、抗热震性能、特别是抗开裂性能的影响。2) 冶金材料与基体材料熔点的匹配性 ，差异过大的话就不能形成不了良好的冶金结合。3) 冶金材料对基材的润湿性 除了考虑冶金材料的热物理性能外，还应考虑在等离子束快速加热下的流动性、化学稳定性、硬化相质点与粘结相金属的润湿性以及高温快冷时的相变特征等。3.2 固体表面的吸附因为物体表面上原子或分子的力场是不饱和的，因此就有吸引其他分子的能力，这就是所谓的吸附作用。固体表面对气体的吸附可分为物理吸附和化学吸附。在物理吸附中固体表面与被吸附的分子之间的力是范德华力，这种吸附只有在温度低于吸

41、附物质的临界温度时才显得重要。在化学吸附中二者之间的力与化合物中原子间形成化学键的力相似，这种力比范德华力大的多，因此两种吸附所放出的热量大小也相差悬殊。化学吸附只有在特定的固气界面上才会发生，物理吸附的速度一般比较快，而化学吸附却象化学反应那样需要一定的活化能，所以速度比较慢。化学吸附时表面和吸附质之间能形成化学键，所以化学吸附总是单分子层的，而物理吸附却是多分子层的，物理吸附往往很容易解吸，而化学吸附则很解吸，即前者是可逆的，后者是不可逆的，因为后者随着电子的转移。在开始吸附时，往往主要是物理吸附，随着温度的升高，逐渐转变为化学吸附。不论是物理吸附还是化学沉积，吸附量都随着温度的升高而下降

42、。3.3 材料表面技术的分类低温等离子体主要分为冷等离子体和热等离子体薄等离子体。在材料表面改性技术中,溅射、离子镀、离子注入、等离子化学热处理工艺应用的是在低压条件下放电产生的低压(冷)等离子体, 而等离子喷涂、等离子淬火及多元共渗相变强化、等离子熔覆或表面冶金等工艺中应用的是低温等离子体中的稠密热等离子体,通常指压缩电弧等离子束流。我们主要讲压缩电弧等离子体的应用第四章 离子注入和渗入离子注入就是将几万到几十万的电子伏特的高能束流注入到固体材料表面内，从而改变材料表面层的物理、化学和机械性能的一种新的表面原子冶金方法。其主要特点：1) 离子注入是一个非热平衡过程，注入离子的能量很高，可以高

43、出热平衡能量二至三个数量级，因此从理论上，周期表上的任何元素都可注入任何基体材料；2) 注入元素的种类、能量、计量均可选择，用这种方法形成的表面合金，不受扩散和溶解度等经典热力学参数的限制，即可得到用其他方法无法得到的新合金相；3) 离子注入层相对于基体材料没有边缘清晰的界面，因此表面不存在黏附破裂或剥落问题，与基体结合牢固；4) 离子注入由电参量控制，故易于精确控制注入离子的密度分布，浓度分布也可以通过改变注入能量来加以控制；5) 离子注入一般是在常温和真空中进行，加工后的工件表面无变形。无氧化、能保持原有尺寸精度和表面粗糙度，特别适合于高精度密部件的最后加工；6) 可有选择地改变基体材料的

44、表面能量（润湿性），并在表面内形成压应力。离子注入技术的缺点： 设备昂贵，成本太高，故目前主要用于重要的精密关键部件的处理。离子注入层比较薄；离子注入也不能用来处理具有复杂凹腔表面的零件，且离子注入零件要在真空中进行，从而得到被处理零件收到真空室中进行，从而使被处理零件收到真空室尺寸的限制。4.2 等离子注入的应用作为注入离子流目前应用较多的非金属元素有N。C、B等，耐蚀抗磨的金属元素有钛，鉻，镍等，固体润滑元素有硫，钼，锡，铟等，另外还有耐高温元素铱及稀土元素等。离子注入金属表面以后能显著地提高其表面的硬度。耐磨性，耐腐蚀性等。离子注入金属表面发生强化作用的机理为：具有高能量的离子注入金属表

45、面后，将和基体金属原子发生碰撞，从而使晶格大量损伤。一系列的碰撞级联过程，在被撞击的表面层内部产生强辐射损伤区，可使金属表面从长程有序变为短程有序，形成非晶体，使性能发生改变。所产生的大量空位在注入热效应的作用下，集结在位错周围，对位错产生钉扎作用，也就是固溶强化。高速离子轰击基体表面，还有类似喷丸强化的冷加工硬化作用，并可使表面不平度减小。总之，离子注入金属和金属中的吸出物已广泛应用于工业生产中，只要是延长许多贵重精密工具的使用寿命和抗腐蚀特性。4.3等离子体基离子注入(PB)基本原理     上图是PB装置示意图。设备由真空室、进气系统、等离子体源、

46、等离子体、真空泵系统、电绝缘工件台和脉冲高压电源组成。在PB加工时，先将工件置于真空室内，采用热阴极、射频(RF)、电子回旋共振(ECR)、金属蒸汽真空弧放电(MEVVA)等多种方法产生弥漫在整个真空室内PB所需的等离子体，这样工件就直接湮没在等离子体中。由于等离子体中电子的运动速度远大于正离子速度，因此由于热运动而随机投向工件表面的电子流量要比正离子大得多，于是将形成近工件表面处富集电子而近等离子体侧则富集正离子所谓Langmuir鞘层。然后以工件为阴极，真空室壁为阳极，施加一高电压脉冲。在此瞬时，工件表面附近电子被逐出，而正离子在电场作用下被加速，射向工件表面并注入工件表面。 &

47、#160;        目前等离子体基离子注入已不仅局限于气体介质的离子注入(GaPB)，而且可以进行金属的注入(MePB)，以及金属和气体离子多元离子复合注入。通常MePB的设备要比GaPB的复杂；其金属离子往往大于一价，而GaPB的离子一般为一价或半价；而且MePB能提供较大的剂量，高斯浓度分布不明显。因此气体介质和金属离子的PB技术尚存在一定区别。     三、PB技术特点     PB除具有离子注入的固有特点外，尚具有下述特点： 

48、60;   (1)克服视线加工的局限，实现全方位注入  由于在等离子体基离子注入过程中，工件湮没在等离子体中，依靠施加在工件上的脉冲负偏压所产生的强电场，几乎每个暴露的金属表面均可吸引离子，从而可从四面八方对工件进行全方位的离子注入，解决了离子注入在复杂形状工件上的应用问题。     (2)高效率，操作控制安全方便  由于离子注入可以在施加脉冲负电位的工件上同时进行，无需扫描，就可实现大面积注入，故效率颇高。另外调节脉冲负偏压大小，波形和频率就可方便地控制离子注入过程，操作方便。   

49、  (3)批量生产  PB加工过程中，阴极是工件本身，工件周围的等离子鞘层就是阳极，因此每个工件及其周围的等离子体鞘层就形成了一个独立的离子注入系统，这样等离子体基离子注入就可以实现批量生产。值得注意的是，在多个工件同时处理时，应避免各个工件等离子鞘层的空间交叉。     (4)生产成本降低  由于PB是全方位离子注入，工件在传统离子注入过程中所必需的往复、旋转等操作就可以省去，故此注入设备不需要复杂的转动靶台，也不需要离子束扫描装置。再加上生产效率高，可批量生产，故总的生产成本相对传统离子注入技术有较大降低。 &

50、#160; 四、PB在工业上的应用   由于PBII能实现大面积全方位均匀注人，可批量生产，且费用较低，容易被人们接受，因此PB技术经过近二十年的发展已日趋成熟，应用日益广泛。例如，S.Schoser，M.Ueda，J.chakrabortv和哈尔滨工业大学的夏立方、战再吉等均采用PB技术对铝合金基体进行了注氮处理，可在其表而形成硬质AIN相，大大提高铝合金的表面硬度和耐磨性；J.Chen采用甲烷全方位等离子注入，可以提高Ti-6Al-4V和304不锈钢表面的摩擦和抗腐蚀性能；K.Baba等人以甲烷和乙炔等工作气体，在优化的PB工艺条件对硅片沉积类金刚石膜(Diamond

51、like Carbon film, DLC)，膜的表面光滑，其最高硬度约为20.3GPa，在O.245N载荷下摩擦系数仪为0.006；若用氟苯等作为工作气体，通过全方位离子注入，在硅片和不锈钢试样上沉积氟化非晶碳膜，该膜具有100º接触角，可以提高其抗腐蚀能力；他们还对毫米尺寸的不锈钢管和镍管以乙炔为工作气体进行全方位注入，取得了良好的效果；采用PB方法，日本粟田株式会社在气缸上制备了DLC膜，并成功地将涂有DLC薄膜的产品用到了自行车上；另外，核工业西南物理研究院与贵阳航空液压件厂合作成功开发全方位离子注入处理配流盘工艺，大大提高了其使用寿命，并取得了明显的经济效益。 &

52、#160; PB技术在半导体和微电子领域中也得到应用。通过全方位离子注入，香港城市大学Paul K Chu成功开放了P/Ion-Cut工艺，高效率制备SOI材料。传统上在硅片上注入氢或氧需要扫描，而采用PB技术，8in或12in的硅片可同时注入，效率颇高。Nathan等人研究表明对于6in硅片，采用PB技术效率可提高10倍；R.J Matyi把PB用于硅中掺杂硼，并取得了很好的效果；还有采用PB技术进行硼的槽壁掺杂、超浅掺杂以及TiO2，光催化膜制备等。   PB技术还可作为聚合物材料的表面改性的重要手段。如采用CF4对聚合物进行全方位离子注入可以改善其抗水性能；采用PB技

53、术将PET膜表面改性为无定性碳，以提高其抗氧化能力；采用Ar气的全方位离子注入，对聚苯乙烯、聚丁乙烯等进行表面改性，可以改善其表面电阻率。   此外国内还有人用PB技术对45钢的油井抽油泵柱塞进行氮离子注入，提高了表面显微硬度，同时也改善了表面的耐腐蚀性；对9Cr18进行氮的PB处理，能显著提高其表面硬度和耐磨性，同时其耐腐蚀性也得到明显改善；在M42高速钢齿轮插齿刀采用多弧离子镀TiN后进行等离子体基离子注氮和注碳，可以提高耐磨性6倍以上；由38CrMoAl制作伺服系统分油盖，采用等离子体基注氮后可提高寿命9倍以上。   至于金属等离子体基离子注入的应用则起步较晚，特别在非微电子工业的应用和研究。MePB目前主要用于制备金属薄膜、复合膜、非晶金刚石膜、表面活化和表面钝化等。例如，在不锈钢表面用MePB法沉积Pd和W，以便能承受恶劣环境下长时间的腐蚀；在Si和GaAs基体上沉积320