辐射等离子体加工2015.12
等离子体加工技术
等离子体加工技术随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。
而等离子体加工方法就是一种不断发展的新型加工技术。
目前科学与工程技术的发展对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。
人们不仅要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素（原子）的相互作用，新相的形成，亚稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了μm、nm 量级。
在实现这些要求的过程中，作为特种加工手段之一的等离子体加工工艺的应用越来越广泛，实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之一，是由其能量状态决定的。
物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量的输入。
所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加工提供了巨大潜力。
主要应用当光打在金属表面时，二维光或是等离子体就会被激发。
等离子体可以被看作是光子和电子的连接。
可以建立一个混合原则，由光转变成的等离子体在金属表面传播时（该等离子体的波长比原始光波的波长小的多）；等离子体能被二维光学仪器（镜子、波导、透镜等）处理，等离子体能再次转变成光或者电信号。
等离子体传感器和癌症治疗仪：NaomiHalas描述了等离子体怎样激发小金属层表面的，米粒形状的粒子能量很大，做光谱学试验的光是微分子数量级。
等离子体在米粒状粒子弯曲顶端处等离子体电场比用来激发等离子体的电场强很多，并且它在很大程度上改进了光谱的速率和精确性。
换一种说法，纳米数量级的等离子体不仅可以用来鉴定，还可以用来杀死癌细胞。
等离子体显微镜：IgorSmolyaninov、/m/products.aspx?TypeId=68&fid=t3:68:3报道称他和他的同事能够拍下来空间分辨率在60nm的物体（如果是实用材料，分辨率能达到30nm），而用激光激发只能达到515nm。
换句话说，用这种分辨率制造的显微镜会比平常使用的衍射方法好的多；而且，这更是远场显微镜光源不用放在少于光波长的范围内。
等离子体辐射与激光等离子体
等离子体辐射与激光等离子体等离子体辐射与激光等离子体是当前研究领域的热点之一，它们在科学、医学、工业等领域都有重要应用。
本文将探讨等离子体辐射和激光等离子体的特性、应用和未来发展。
一、等离子体辐射1. 等离子体辐射的概念等离子体辐射是指在高温高压等离子体中由电子和离子之间碰撞引起的电磁辐射现象。
在等离子体中，电子和离子之间的碰撞产生能量，并以辐射的形式释放出来。
这种辐射可以是可见光、紫外线、X射线等。
2. 等离子体辐射的特性等离子体辐射具有高能量、高速度、高频率等特性。
由于电子和离子在碰撞中释放能量，所以辐射出的光谱范围广泛，覆盖了可见光和非可见光区域。
此外，等离子体辐射具有较大的功率密度和辐射强度，可以对材料表面进行加热、切割、熔化等加工。
二、激光等离子体1. 激光等离子体的概念激光等离子体是指利用激光束对物质进行激发，产生等离子体的一种现象。
激光可以提供足够的能量，使原子或分子失去电子，形成电离状态的等离子体。
激光等离子体具有较高的电子密度和温度，可以产生强烈的电磁辐射。
2. 激光等离子体的特性激光等离子体具有高能量、高密度、高温度等特性。
由于激光束的聚焦性和高功率密度，激光等离子体可以在极短的时间内产生高温高压条件，使电子和离子之间的碰撞更加剧烈，从而产生更多的辐射。
激光等离子体产生的辐射具有高能量、窄波长、短脉冲宽度等特点，可以用于高精度测量、激光注入等应用。
三、等离子体辐射与激光等离子体的应用1. 等离子体辐射的应用等离子体辐射广泛应用于光谱分析、天体物理等领域。
通过观测等离子体辐射光谱，可以了解等离子体的组成、温度、密度等参数，从而研究宇宙起源、恒星演化等问题。
此外，等离子体辐射还用于研究等离子体的稳定性、热导率等物理特性。
2. 激光等离子体的应用激光等离子体在医学、工业、通信等领域都有广泛应用。
在医学中，激光等离子体可以用于激光疗法、激光手术等治疗方法。
在工业中，激光等离子体可以用于材料加工、焊接、切割等应用。
等离子体加工技术
等离子体加工技术摘要随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。
而等离子体加工技术就是一种不断发展的新型加工技术。
本文简要介绍了工业用等离子体的分类及等离子体加工技术涉及的科学工程问题。
围绕材料添加与去除加工，讨论了等离子体喷涂、增强沉积、离子去除等若干典型加工工艺的技术发展和应用情况，并对一些工艺中出现的现象以及某待深入研究的潜在科学问题进行了举例说明。
关键词：等离些有子体；加工；等离子体喷涂；等离子体聚合AbstractWith the continuous development of science and technology,increasing industrial demand,a variety of high-tech equipment came into being,however, to the processing of these devices is necessary to use more advanced processing technology.The plasma processing technology is a continuous development of new processing technology.This article briefly describes the classification of industrial plasma and plasma processing technology involved in scientific engineering problems.Adding and removing surrounding material processing,Discusses the plasma spraying, enhanced deposition, ion removal, etc. Several typical processing technology development and application,And some of the processes the phenomenon appears to be in-depth study as well as some of the potentialscientific issues illustrate.Key words: Plasma；Machining；Plasma spraying；Plasma polymerization引言随着科学与工程技术的迅速发展，对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。
第四讲辐射加工技术
辐射保藏得实例
• 鲜肉块辐照5天后,除对照组颜色 开始变深,辐照组基本完好。
• 15天后,对照组开始变黑。低剂 量试样A1-1,A2-1(0、4,0、8kGy) 开始变坏。
• 37天后,除2 kGy辐照剂量得鲜肉 (A-5-1)仍保持完好外,其余鲜肉 均已变质。
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辐射保藏得实例
• 受不同吸收剂 量得香菇,在 辐照15天后得 保鲜效果
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辐射杀虫
• 辐射杀虫即就是利用电离辐射防治虫害,其辐射效应与剂 量大小有关,其生物效应在适当剂量时导致昆虫生殖细胞 染色体易位,受到损害,使当代受辐射得昆虫部分丧失延续 后代得能力并可遗传到下一代,使下一代比当代更不育,这 种剂量称为半不育剂量。
• 高于这种剂量,使昆虫当代完全不育,称为不育剂量。 • 当辐射剂量再提高时,害虫就不能完成世代交替,而慢慢地
不少国家得政府也立法承认了这一结论, 为辐照食品商业化推广扫清了障碍。
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• 在北京举办亚运会期间,北京咏竹玛雅克辐射新技 术有限公司辐照泡菜,为运动员提供合格得食品。 随着人民生活水平得提高,辐照消毒在食品加工中 得作用将得到越来越广泛认识。辐照就是冷消毒, 不会改变食品风味;辐照没有残留,不会给消费者 带来危害;辐照就是整箱消毒,不须拆包装,造成二 次污染。
射育种得一个重要得过程。
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(a) 简单易位
等离子体加工的方法及应用
等离子体加工的方法及应用摘要：等离子体是高温下获得能量电离之后，离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷数值仍相等，因此称为等离子体。
以下具体论述等离子体加工的方法及实际应用。
关键词：等离子加工电弧一、等离子体的三种效应1.机械压缩效应。
电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通常对电弧产生机械压缩作用，而喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。
2.热收缩效应。
喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在电弧中心高温区通过，使电弧的有效截面缩小，电流密度大大增加。
这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应，一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却越充分，则热收缩效应越强烈。
3.磁收缩效应。
由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使电弧变得更细，电弧区中心电流密度更大，电弧更稳定而不扩散。
上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子体电弧的温度都很高，达到11000~28000℃（普通电弧仅5000~8000℃），气体的电离度也随着剧增，并以极高的速度从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力，当达到金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将熔化的金属材料吹除。
等离子电弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。
二、材料去除速度和加工精度等离子体切割的速度是很高的，成形切割厚度为25mm的铝板时的切割速度为760mm/min，而厚度为6.4mm钢板的切割速度为4060mm/min，采用水喷时可增加碳钢的切割速度，对厚度为5mm的钢板，切割速度为6100mm/min。
切边的斜度一般为2—7°，仔细控制工艺参数时，斜度可保持在1—2°。
厚度小于25mm的金属，切缝宽度为2.5—5mm；厚度可达150mm的金属，切缝宽度为10—20mm。
特种加工技术 第2版 第6章 等离子体加工
第6章 等离子体加工
特种加工技术
1.等离子体加工基础
等离子体加工基础
特种加工技术
等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生 的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主 要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、 气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体。
等离子体切割
特种加工技术
等离子体切割过程不是依靠氧化反应来切割金属，而且靠电弧本身热量熔化 被切割金属，通过高速气流排除熔渣。它比氧燃气火焰切割的适用性更广，可以 对各种材料进行下料，切割出不同直径的圆形工件，也可以借助仿型和数控装置 结合起来进行各种曲线形零件的切割。它还具有切割速度快、切口处变形量小的 特点。
等离子体加工已广泛应用于切割。各种金属 材料，特别是不锈钢、铜、铝的成型切割，已获 得重要的工业应用。它可以快速而整齐切割软钢、 合金钢、钛、铸铁、钨、钼等金属。
等离子体切割是利用极细而高温的等离子弧， 使局部金属迅速熔化，再用气流把熔化的金属吹 走的切割方法。等离子弧切割由于切割效率高、 损耗低、适用范围广等优点已广泛应用于各类工 程建设、制造等行业。
等离子体切割
特种加工技术
等离子体切割
等离子体切割设备
特种加工技术
等离子切割系统主要由供气装置水装置、电源以及割枪几部分组成。水冷枪还需有冷却 循环水装置。
(1)供气装置 空气等离子弧切割的供气装置的主要设备是一台大于l.5kw的空气压缩机， 切割时所需气体压力为0.3-0．6MPa。如选用其他气体，可采用瓶装气体经减压后供切割 时使用。
2.等离子弧与钨极氩弧相比具有下列特点： （1）电弧能量集中和温度高 （2）电弧挺直性好
等离子体加工
冷却水 割枪主体 保护罩 钨电极 工质气体
电源
喷嘴
距离
等离子体电弧 保护气体屏
切缝宽度 (约为喷嘴直径的两倍)
等离子加工
等离子弧的特点
(1)温度高、能量集中 (2)有高的导电和导热性能 (3)具有较大的冲击力 (4)比一般电弧稳定 (5)各项有关参数的调节范围广
四、等离子体加工应用
等离子加工应用
等离子体
当作用于气体的电场强度超过临 界值时就会发生气体放电现象，这时气体就从 绝缘态变为导电态，放电形式与气体的压力和 电流密度有着重要的关系。低气压小电流密度 下的放电称为辉光放电，大气压或更高气压下 的大电流放电称为电弧放电。 气体放电的基本内涵是放电中的带电粒子在电 场的作用下，气体就从绝缘态变为导电态即物 质的第四态—等离子态
等离子焊接应用
（1）等离子弧焊接在石油工业中的应用。 在机械加工中，焊接是一种非常重要的手段，在石油工业中也 非常重要。由于其焊接质量比较高，在液化石油气加工以及管道加 工中，已经得到了广泛的运用。比如焊接不锈钢时，利用等离子弧 焊接能够单面焊接双面成型，这样不但能够提高焊接的质量还能够 提高焊接效率。 （2）等离子弧焊接在再造技术中的应用。 通过先进技术来修复已经失效的零件的技术便是再制造技术， 通过再制造技术能够重复利用零件。现在等离子弧焊接已经出现和 发展了六十多年，在实践和研究中技术也得到了快速的发展。 （3）在工业生产中应用 等离子弧焊接实用非常广泛，特别是在军工、航空航天以及尖 端工业技术中，作用更是非常重要。比如焊接飞机中的薄壁容器、 焊接钛合金导弹壳体等
宇宙中90％物质处于等离子体态
太阳表面 闪电
星云
极光
美国宇航局提供的照片-----南极上空的椭圆形极光
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辐射改性
辐射交联 辐射接枝 辐射降解
辐射交联
不需要热处理、催化剂或其它添加剂
可在固态中形成交联
可以控制交联密度
可以交联一些具有高化学反应惰性 的聚合物（如PTFE）
反应机理（以PE为例）
1．辐射时在邻近分子间脱氢，生成的三个自由基 结合而交联
2．独立产生的二个可移动的自由基相结合
反应机理（以PE为例）
γ射线
R
+
+
-
+
+
-
+
-
链终止 MM
﹒ ﹒ + MM
M
辐射聚合优点
所得的聚合体的纯度高，不存在催化剂、引发剂 等所带入的杂质 射线穿透性大，能使聚合均匀进行 活化能较低 ，辐射聚合可以在低温下进行 聚合条件可 变，控制分子量分布等比较容易 应用面广 ，非但可以用于单体的本体聚合、共聚 合，而且能用于制备复合材料及涂料固化等
等离子体 表面改性
吸附性 防污性
润湿性 防水性 粘结性 着色性 生物相容性 触觉舒适性 表面交联层， 表面化学成分 接枝 等离子体聚合膜 图案化及自组装
润滑性 等 等
抗菌性
低温等离子体技术（高分子材料）
1. 等离子体聚合
利用放电把有机类气态单体等离子化，使其产生各类活性种， 由这些活性种之间或活性种与单体间进行加成反应形成聚合膜。 等离子体气相沉积技术
染 色 时 间
染 色 时 间
等离子处理时间(min)
等离子处理时间(min)
氧等离子体处理对羊毛上染率的影响
氧等离子体处理对羊毛固色率的影响
（生物医用材料） 低温等离子处理技术
医 用 高 分 子 材 料
引入特定基团 等离子处理 改变浸润性能 改变表面电位 改变表面能各分量 改变表面微观物理结构 提高材料的 生物相容性
辐射加工
定义：
利用电离辐射诱发材料物理、生物和 化学变化从而达到加工改性的目的
辐射源： 放射性核素源
工业电子加速器
钴60（60Co） 铯137（137Cs）
辐射加工的范围
①聚烯烃等绝缘材料辐射交联改性和橡胶的辐射硫化 ②一次性医用器件的辐射消毒 ③食品辐射保鲜、灭菌 ④油墨与涂料辐射固化
⑤工业三废的辐射净化
废的浓酸液不得倒入下水道，必须倒入废液瓶并
在瓶上标明
实验室有毒药品
剧毒品： KCN，NaCN，
氰化物绝不能遇酸，否则生成更毒的HCN。
致癌药品：苯，硫酸二乙酯，硝基苯， 苯为易挥发致癌物，尽量以甲苯代替。 重金属或重金属化合物，如汞。 氯化亚砜，三氯氧磷，酰氯等遇水放出大量酸气 Br2，使用后以碱如Na2CO3溶液处理破坏残留的嗅。 所有的有毒试剂用后须仔细处理，倒入废液瓶，不得直接 倒入下水道。
共辐射接枝(直接接枝)法
大多数单体充当了辐射保护剂作用， 减少了由辐射而引起聚合物的降解
有均聚物产生，且反成自始至终在 辐照下进行，辐照源利用率高
预辐射接枝法
在无空气的条件下(真空或氮气中)先辐照 聚合物，然后将已除去空气的单体引入， 聚合物上的自由基即与单体反应，生成接 枝共聚物.
预辐射接枝法
终产物
辐射降解
PMMA的辐射降解
辐射降解的另一个过程是失去侧链酯基
终产物
实验室规则及注 意的若干问题
实验室合成反应
1. 实验室安全须知
实验室规则 易燃易爆化学品 有毒、剧毒品
2. 常用仪器、合成操作 3. 常用溶剂的处理 4. 极端实验条件操作
实验室规则
1. 安全第一，熟悉相关的安全设施，相关处臵方 法。发生意外时，要镇静，及时采取应急措施。
NH3、O2、CO、 Ar、N2、H2 等气 体等离子体处理
固液接触角降低 亲水性提高
高 分 子 材 料
CF4, CH2F2 等气 体等离子体处理
固液接触角增加 疏水性提高
低温等离子体技术 （高分子材料）
3. 高分子材料的表面修饰与处理 等离子体处理羊毛纤维
随着处理时间的 延长，等离子体 对羊毛表面类脂 层破坏愈发明显
低温等离子体技术（高分子材料）
3. 高分子材料的表面修饰与处理
等离子体处理纺织材料
材料 改进 提高 提高 提高 提高 染色性 防水性 亲水性 防燃性 防缩性 羊毛 棉花 聚酯 提高 抗静电性
低温等离子体技术 （高分子材料）
3. 高分子材料的表面修饰与处理
改变高分子材料表面亲(疏) 水性
总结与展望
成为一门正式的学科，跨领域的学科
经验多于理论指导
机遇与挑战并存
LOGO
材料加工课程
高分子材料的辐射加工
陈仕艳 chensy@
辐射化学的基本概念
电离辐射与物质的相互作用
光电效应，康普顿效应
放射性活度
A=dn/dt
剂量
照射量X，吸收剂量D，剂量当量DE
辐射化学产额G值 G (x)= △n(x)/△E
K：用长链醇如丁醇、己醇破坏，大量的Na须同 样处理。不能直接以水处理。 LiAlH4：THF中缓慢加乙酸乙酯破坏。 空气敏感试剂如丁基锂 强氧化剂如KMnO4
H2O2和丙酮不能混合，形成爆炸物！！
实验室常用危险的酸
常见如浓硫酸，硝酸；发烟硫酸，硝酸；HF，
注意：浓硫酸，硝酸绝对不能和有机溶剂混合
⑥辐射技术在生物医学和生物工程中的应用 其它。。。。。。
辐射加工的优缺点
• 辐射加工是一种节约能源的技术 • 辐射加工是一种有利于环境保护的绿色工业 技术 • 加工技术简单，可根据产品需要来调节辐照 条件，可快速、高质量处理加工件
辐射加工的优缺点
• • • •
设备投入高 无选择型，容易引发不必要的副反应 产额低，适应性不广 消费者心理障碍
常用仪器、合成操作
玻璃仪器以碱液浸泡后，清洗，以稀盐酸洗涤或 浸泡后清洗干净，>100 C烘干 砂芯漏斗耐酸，但耐碱较差，可用重铬酸钾洗液 处理干净 需急用的玻璃仪器可水洗，后以丙酮或醇清洗后 用。 旋转蒸发时不能用锥形瓶，平底烧瓶，应使用圆 底烧瓶、茄形瓶。
PAM的辐射聚合
聚丙烯酰胺（PAM）是一种性能优异、用 途广泛、经济意义很大的高分子材料。它 可以作为絮凝剂、增稠剂、减阻剂等，在 石油、煤炭、冶金、造纸、制糖、纺织、 制药等领域中得到广泛应用 。
PAM的化学聚合与辐射聚合性能
产品是含固量为9％的凝胶体，包装、运输、贮 藏成本高
分子量相对较低
传统化学 聚合方法
辉光放电 微波放电 电晕放电
自由基聚合
不同于常规聚合产物 改变条件可以得到不同性能 及功能的聚合物薄膜 引入其它官能团
乙烯等离子体 聚合产物推测结构
低温等离子体技术（高分子材料）
2. 等离子体引发聚合
不需要引发剂 超高相对分子量，产物性能优良 聚合过程以活性聚合为特征
聚合单体限制（水溶性烯类，苯乙 烯及其衍生物，环系化合物） 溶剂影响大 高真空，工业化实现困难
射频等离子体
等离子加工特点
速度快 能量高 适应广Fra bibliotek 功能强 污染小 成本低
低温等离子体技术（高分子材料）
1. 等离子体聚合
2. 等离子体引发聚合
作为能源，功能高分子
无不饱和官能团限制 基体粘结性好，化学及热稳 定性好，机械强度好 交联度及化学特性可控 不使用溶剂
3. 高分子材料的表面修饰与处理
固体
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
等离子体的分类
存在分类：
天然等离子体 人工等离子体
电离度分类：
弱电离等离子体（低温） 完全电离等离子体（高温）
离子密度分类：
致密等离子体（高压）
稀薄等离子体（低压）
热力学平衡分类
完全热平衡等离子体 非热力学平衡等离子体 局部热力学平衡等离子体
改善高分子材料印染性能
等离子处理可改善高分子材料的浸润性能,增 加材料表面粗糙度，破坏非晶区甚至晶区，使 材料表面结构松散，增加染料分子可及区；并 可以在材料表面形成活性基团,提高材料对染 料的吸附能力。
优 点
节能
环保
低温等离子体技术 （高分子材料）
3. 高分子材料的表面修饰与处理 氧等离子处理改善羊毛染色性能
几乎不产生均聚物 1．原始聚合物没有单体的保护，会发生 一些降解 2．产物是嵌段共聚物和接枝共聚物的混 合体 3．聚合物自由基有一定寿命限制
过氧化物法
空气存在下预辐照聚合物A，产生氢过氧化物或 双过氧化物 ，这样的聚合物过氧化物可以在普 通的化学反应器中受热引发单体B发生接枝聚合
过氧化物法
接枝效率很高 非晶态聚合物也适合
高分子材料的辐射加工
高分子材料的辐射聚合 高分子材料的辐射改性
辐射聚合
定义
利用电离辐射能来引发有机单体（乙烯基）的
聚合反应来获取高分子化合物。
辐射聚合方法
本体聚合
溶液聚合
乳液聚合 固态聚合 气相聚合
辐射聚合过程(自由基或离子)
链引发
M
链增长
﹒ ﹒M ﹒ 2M M M ﹒ ﹒ MM +M ﹒ RM ﹒ M R ﹒ ﹒ M M MM M ﹒ ﹒ MM M
3．离子分子直接反应导致交联
4．自由基与双键反应而交联
反应机理（以PE为例）
5．主键断裂产生的自由基进行复合反应
6．环化反应
辐射接枝
1、共辐射接枝(直接接枝)法 2、预辐射接枝法 3、过氧化物法
共辐射接枝(直接接枝)法
聚合物(A)和单体(B)混合后进行辐照生成接枝或嵌段共聚物