等离子体技术在各行业中的应用研讨.docx

等离子体技术在各行业中的应用 摘要：随着科技的进步，等离子体技术得到了飞速的发展，同时也在各行业中得到了广泛的应用，且变得越来越重要。本文对等离子体技术在各行各业中的应用进行了简要阐述，同时对一些应用中的存在的问题进行阐述和给出一些合理化建议。 关键词：等离子体；应用 1 引言 等离子体是物质的第四态，在等离子体空间里含有丰富的离子、电子、光子、激发态的原子、分子及自由基等极活泼的反应性物种。自20世纪70年代初以来,人们基于对等离子体中各种粒子化学活性的控制和利用，深入地探索物质在等离子体态进行化学反应的特征和规律性。同时在化学合成、薄膜制备、表面处理、军事科学、精细化学品加工及环境污染治理等诸多领域，在原有工艺技术基础上巧妙而有效地引入等离子体技术，促成了一系列工艺革新和巨大的技术进步。 1. 1 等离子体定义 等离子体(Plasma)是物质的一种部分电离的状态，是气体在加热或强电磁场作用下电离而产生的，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基及射线等组成。被称为继“固、液、气”三态以外的新的物质聚集态，即物质第四态，因其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的故称其为等离子体[1]。宇宙中99．9％的物质处于等离子体状态。对于自然界中的等离子体有太阳、电离层、极光、雷电以及满天星斗等。在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊等等。图1.1给出了主要类型的等离子体的密度和温度的数值。从密度为106个粒子/m3稀薄星际等离子体到密度为1025个粒子/m3的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。其温度范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108～109K[2]。 1.1 各种等离子体的密度和温度 1.2 等离子体的分类 等离子体可分为热力学平衡状态等离子体和非热力学平衡状态等离子体。当电子温度Te与离子温度Ti及中性粒子温度Tn接近相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡等离子体(equilibrium plasma)或者热等离子体(thermal plasma)。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，其温度一般在5×103 K。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，可用作等离子体射流(plasmajet)、等离子体喷焰(plasma torch)等。 当TeTi时，称为非热平衡等离子体(non-thermal equilibrium plasma)。其电子温度可高达104 K以上，而体系中的离子和中性粒子的温度却可低至300～500 K。非平衡态等离子体又可称为低温等离子体(cold plasma)，在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，电子与离子或中性粒子的碰撞几率很小，电子几乎不损失能量，所以有TeTi，TeTn，体系可维持在较低温度，能量消耗保持在最低限度，因此在化学和环境保护中应用非常有利。当然，即使在高气压下，低温等离子体还可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式来生成。 1.3 等离子体的基本性质 物质的第四态有着许多独特的物理、化学性质[3]。第一，虽然等离子体内部具有很多带电粒子，但在足够小的空间和时间尺度上，粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数，故称为准中性；第二，作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能；第三，化学性质活泼，容易发生化学反应。例如，将甲烷和氢气在密闭容器中混合并使之放电，若保持适宜的容器壁温度，就会在壁面上析出一层金刚石薄膜；第四，发光特性，可以用作光源。例如，街头的霓虹灯和利用钠、水银等放电发光的照明灯，都是我们经常见到的等离子体发光现象。表1.1列举出了等离子体各种性质的产生机理。 表1.1 等离子体的机理和性质 1.4 等离子体的生成方法 产生等离子体的方法和途径多种多样，涉及许多微观过程、物理效应和实验方法。其中，宇宙天体及地球上层大气的电离层属于自然界产生的等离子体。在等离子体化学领域中常用的产生等离子体的方法主要有以下几种[4]： 表1.2 气体放电等离子体特点和参数 气体放电法：在电场作用下获得加速动能的带电粒子特别是电子与气体分子碰撞使气体电离，加之阴极二次电子发射等其他机制的作用，导致气体击穿放电形成等离子体。按所加的电场不同可分为直流放电、高频放电、微波放电等。若按放电过程的特征划分，则可分为电晕放电、辉光放电、电弧放电等。表1.2列举了气体放电等离子体的特点和等离子体放电参数。其中，辉光放电等离子体属于非平衡低温等离子体，电弧放电等离子体属于热平衡高温等离子体。就电离机制而言，电弧放电主要是籍弧电流加热来使中性粒子碰撞电离，实质上属高