等离子体原理与应用

PHEDP的性质： 的性质： 的性质
脉冲等离子体具有电子温度高 (10-100eV)、等离子 、 体密度高 (1014-10 16cm-3)、定向速度高 ～107cm/s)、功 、定向速度高(～ 、 率大(104W/cm2 )等特点 。 率大 等特点
脉冲等离子体中氮离子和钛 离子比值随放电电压的变化
薄膜制备： 薄膜制备：
脉冲高能量密度等离子体的基本构想 是将高能量密度等离子体瞬间的作用在材 料表面， 料表面，可以导致材料表面出现局部急剧 熔化，紧接着急剧冷却凝固， 熔化，紧接着急剧冷却凝固，加热或冷却 速率很高。 速率很高。因此可以在基材表面形成一层 微晶或非晶薄膜， 微晶或非晶薄膜，从而达到改善材料表面 性能的目的。 性能的目的。
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未经处理的氧化铝基底
氧化铝表面沉积上铜薄膜
制备环境：同轴枪内外电极都用铜，工作气体用 气 制备环境：同轴枪内外电极都用铜，工作气体用Ar气，内外电极之间的电压 介于600~1000V，枪样距离 介于 ，枪样距离30mm，每个样品处理 次，所制备铜膜最大厚度约 ，每个样品处理60次 5µm。 。 由图可以看出铜膜由形状、尺寸、分布均匀的片状铜颗粒组成。 由图可以看出铜膜由形状、尺寸、分布均匀的片状铜颗粒组成。铜膜与氧化 铝基底结合良好，抗氧化效果好，试样在空气中暴露3个月仍然没有破坏的迹象 个月仍然没有破坏的迹象， 铝基底结合良好，抗氧化效果好，试样在空气中暴露 个月仍然没有破坏的迹象， 说明铜膜非常稳定。 说明铜膜非常稳定。
表面改性： 表面改性：
脉冲高能量密度等离子体对材料表面 进行改性时，兼具气相沉积、 进行改性时，兼具气相沉积、激光表面处 电子束处理、溅射、 理、电子束处理、溅射、冲击波轰击和离 子注入的共同特点。 子注入的共同特点。它可以使金属样品表 面快速加热直至融化，达到淬火的效果， 面快速加热直至融化，达到淬火的效果， 在待处理材料表面层引入外来原子， 在待处理材料表面层引入外来原子，形成 性能优异的化合物薄膜， 性能优异的化合物薄膜，在材料表面产生 亚稳合金层，产生氮化效果， 亚稳合金层，产生氮化效果，形成非晶层 等，从而使材料表面的性能得到改善和提 高。
脉冲高能量密度等离子体 PHEDP
• 产生装置 • 物理性质 • 应用
产生装置： 产生装置：
脉冲高能量密度等离子体装置示意图
同轴等离子体枪、快速脉冲电磁阀、RLC充放电电路、 同轴等离子体枪、快速脉冲电磁阀、RLC充放电电路、真空腔体 充放电电路
工作原理： 工作原理：
由RLC电路系统给内外电极加一个高压，当工作气体 RLC电路系统给内外电极加一个高压， 电路系统给内外电极加一个高压 在脉冲电磁阀控制下快速从同轴枪底端冲入时， 在脉冲电磁阀控制下快速从同轴枪底端冲入时，在高压作 用下被击穿电离，产生一个大的脉冲电流， 用下被击穿电离，产生一个大的脉冲电流，使气体电离形 成等离子体， 成等离子体，同时巨大的脉冲电流使内电极材料表面蒸 溅射形成内电极材料组成的等离子体。 发，溅射形成内电极材料组成的等离子体。因此等离子体 是由工作气体和内电极材料两种等离子体组成的。在洛伦 是由工作气体和内电极材料两种等离子体组成的。 兹力作用下，等离子体加速地向出口处推进， 兹力作用下，等离子体加速地向出口处推进，同时内电极 材料不断地被溅射出来形成等离子体，可以说， 材料不断地被溅射出来形成等离子体，可以说，在等离子 体运动过程中， 体运动过程中，工作气体产生的等离子体量由于与内外电 极不断碰撞而不断减少， 极不断碰撞而不断减少，而内电极溅射产生的等离子体量 则不断增加。等离子体中最终的成分比例将主要依赖于电 则不断增加。 极间的电压降。 极间的电压降。
脉冲等离子体的 成分比例强烈依赖 于放电电压。 于放电电压。 左图反映了采用 金属钛作内电极时 ，在氮气工作气体 情况下， 情况下，在脉冲等 离子体中，氮离子 离子体中， 和钛离子比值随放 电电压变化的关系 结果表明， 。结果表明，高的 放电电压导致更多 的内电极钛离子产 生。
• PHEDP的应用： PHEDPБайду номын сангаас应用 的应用：
PHEDP与表面相互作用产生的物理现象: PHEDP与表面相互作用产生的物理现象: 与表面相互作用产生的物理现象 表面层(微米尺度)高速熔化与固化； 表面层(微米尺度)高速熔化与固化； 纳米结构形成； 纳米结构形成；薄膜瞬间沉积及其与衬底 材料表面层的快速混合；非平衡相的产生。 材料表面层的快速混合；非平衡相的产生。
脉冲高能量密度等离子体是一项全新的等离子体材料表面处理 和薄膜制备技术。 和薄膜制备技术。 应用领域: 应用领域: 薄膜制备及表面处理； 1、薄膜制备及表面处理； 亚稳相合成； 2、亚稳相合成； 3、表面合化
利用PHEDP处理钢表面以提高其强度、硬度、抗腐蚀 利用PHEDP处理钢表面以提高其强度、硬度、 PHEDP处理钢表面以提高其强度 等性能；陶瓷表面合金化；合成立方氮化硼、氮化铝、 等性能；陶瓷表面合金化；合成立方氮化硼、氮化铝、氮 化钛等多种膜；硅表面合金化及钛硅化合物合成。 化钛等多种膜；硅表面合金化及钛硅化合物合成。 利用PHEDP技术，在单晶硅、陶瓷、钢等不同基材上 利用PHEDP技术，在单晶硅、陶瓷、 PHEDP技术 制备表面光滑、组织致密、均匀，膜基结合良好的c BN、 制备表面光滑、组织致密、均匀，膜基结合良好的c-BN、 TiN、类金刚石等多种硬质薄膜材料。 TiN、类金刚石等多种硬质薄膜材料。这些薄膜与基底结 合力非常高，材料的表面性能获得提高。 合力非常高，材料的表面性能获得提高。 PHEDP技术刀具表面改性方面 已将TiN 技术刀具表面改性方面， TiN等薄膜成功 在PHEDP技术刀具表面改性方面，已将TiN等薄膜成功 应用于高速钢刀具、硬质合金刀具及Si 陶瓷刀具， 应用于高速钢刀具、硬质合金刀具及Si3N4陶瓷刀具，所 制备薄膜结构相当致密，几乎没有空洞和裂纹等缺陷， 制备薄膜结构相当致密，几乎没有空洞和裂纹等缺陷，晶 粒尺寸均为100nm以下，具有高硬度、高韧性， 100nm以下 粒尺寸均为100nm以下，具有高硬度、高韧性，界面过渡 层宽， 基结合力较高等特点， 层宽，膜/基结合力较高等特点，为改性后刀具优异的耐 磨损性能奠定了基础。 磨损性能奠定了基础。
GCr15钢上沉积的TiN薄膜样 品AES成分深度分布曲线
TiN薄膜的临界载荷随膜厚的变化情况
• PHEDP与材料表面相互作用 与材料表面相互作用 脉冲高能量密度等离子体(PHEDP)束 脉冲高能量密度等离子体 束 既是能量的载体(可以与用于材料表面处理 既是能量的载体 可以与用于材料表面处理 的激光束和电子束相媲美)， 的激光束和电子束相媲美 ，又是物质的载 能在表面处理的同时沉积物质， 体，能在表面处理的同时沉积物质，已越 来越广泛地用于材料改性领域。 来越广泛地用于材料改性领域。
在制备薄膜时具有沉积速率高， 在制备薄膜时具有沉积速率高，薄膜与基底 粘结力强，并兼有激光表面处理、电子束处理、 粘结力强，并兼有激光表面处理、电子束处理、 冲击波轰击、离子注入、溅射、化学气相沉积、 冲击波轰击、离子注入、溅射、化学气相沉积、 沉积薄膜温度低、能量利用率高、 沉积薄膜温度低、能量利用率高、等综合性特点 可以在室温下合成亚稳态相和其他化合物材料。 ,可以在室温下合成亚稳态相和其他化合物材料。 在此基础上， 在此基础上，系统地进行了脉冲等离子体薄膜制 备和材料表面改性及其机理的研究。 备和材料表面改性及其机理的研究。在室温下的 不同材料衬底上 能沉积性能良好的较大颗粒立方 氮化硼、碳氮化钛、氮化钛、类金刚石、 氮化硼、碳氮化钛、氮化钛、类金刚石、氮化铝 等薄膜材料。 等薄膜材料。沉积薄膜和基底之间存在一个很宽 的过渡层 ，因此导致薄膜与基底有很强的粘结力 。经脉冲等离子体处理过的金属材料表面性能得 到了极大改善。 到了极大改善。
（a）单晶硅上的 ）单晶硅上的c-BN薄膜的电镜图像 薄膜的电镜图像
(b)单晶硅上的 单晶硅上的c-BN薄膜的红外吸收谱 单晶硅上的 薄膜的红外吸收谱
(a)是沉积在单晶硅(100)面上的c-BN薄膜形貌。可以明显看出大小分布均匀 的 c-BN晶粒，晶粒结构基本规则。(b)是相应的c-BN薄膜的红外吸收光谱。可以 看到三个吸收峰，波数处在820和1375cm-1的两个峰对应于氮化硼的六方相。波数 在1070cm-1的吸收峰对应于立方氮化硼。可以看出氮化硼薄膜中立方相的成分远多 于六方相。