電漿的工業套用 (industrial applications of plasma) 由放電產生的電漿可以分為兩類，一類是熱電漿或平衡電漿，另一類是冷電漿或非平衡電漿(又稱低氣壓電漿)。
基本介紹
- 中文名：電漿的工業套用
- 外文名：industrial applications of plasma
氣動熱模擬,電漿化工,電漿表面處理,電漿冶金,電漿機械加工,
在工業上，熱電漿主要作為高溫熱源，而冷電漿主要是利用它的特殊的物理性質，兩者都已獲得廣泛的套用，主要用於下述幾個方面：
氣動熱模擬
用電漿發生器產生的高溫氣流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的一種試驗方法。遠程飛彈、人造衛星、航天飛船、行星探測器等超高速飛行器進入大氣層時，氣體受到劇烈壓縮和摩擦，溫度可升到7000～8000開以至超過1萬開，形成部分電離電漿，對飛行器劇烈加熱(見燒蝕)。為了研製適用的熱防護系統和材料，必須進行地面模擬試驗。電弧電漿發生器是能夠持續產生相當于飛行條件下產生的高溫氣體的主要試驗設備，50年代後期以來不斷得到改進。這種設備現在以直流、長弧、大功率為主，電源功率達到100兆瓦(50000伏，2000安)，弧室氣壓達到300大氣壓(1大氣壓=101325帕)左右。電弧加熱器是一種比較先進的加熱器，可在很高的氣壓下達到較高的氣體總焓。
用電弧加熱器進行氣動熱模擬試驗時，應根據模擬要求採用不同的試驗方式。例如，材料燒蝕試驗用亞聲速射流在平頭試件上進行；飛彈端頭燒蝕模型試驗用超聲速射流和球頭模型；飛行器側壁材料燒蝕試驗用亞聲速和超聲速導管；加熱率低的飛船等防熱試驗通常用低壓高超聲速風洞。圖1是這幾種試驗的示意圖。試驗中需要測量溫度、焓、流速等氣流參量，表面壓力和熱流等模型環境參量，表面溫度、燒蝕速度、內部溫度分布等燒蝕參量。將所得結果與理論計算進行比較，供設計參考。
圖1 氣動熱模擬試驗的幾種方式電漿化工
電漿化工 利用電漿的高溫或其中的各種活性粒子和輻射，促成某些化學反應，主要用子合成、聚合、裂解等過程，以獲得所需要的產物。例如用電弧把甲烷(CH4天然氣)裂解成乙炔(C2H2)，用高頻電漿法製備二氧化鈦(鈦白)粉。
電漿表面處理
用低氣壓電漿處理金屬或非金屬固體表面。低氣壓電漿中的高能電子以及與分子碰撞時產生的離子、自由基，激發態分子和原子都是一些活性粒子，它們能引起一些特殊的化學反應。例如，用電漿法形成的聚合物薄膜，具有優良的機械、電氣、化學特性。用有機矽單體在光學透鏡表面沉積10微米的薄層，可改善透鏡的抗劃痕性和反射指數。用電漿處理聚酯織物，可以改變表面浸潤性。對塑膠表面進行處理或聚合膜層，可以改善表面粘性，改變浸潤性等。電漿沉積薄膜可以作為反滲透膜(此種膜對通過的海水有較好的脫鹽效果)。此外，低氣壓電漿可用於金屬固體表面加工。例如，電漿刻蝕是利用輝光放電在氣體中產生反應性氣體，並與固體表面材料化合成揮發性物質，而在表面刻蝕出圖象。這種方法在半導體元件生產中有重要用途。又如電漿鍍膜(又稱離子鍍膜)是將難熔的鍍材或其他鍍材蒸氣在輝光放電中電離成低氣壓電漿，並與相應的電離氣體產生化學反應形成所需的化合物，經電場加速後沉積在負偏壓的基體表面上，形成耐磨，耐高溫的高強度膜層。
圖2 電漿電弧熔煉爐示意圖電漿冶金
用電漿熔化和精鍊金屬的技術。這種技術是從60年代初期開始發展起來的，現已進入工業生產階段。套用最廣的電漿電弧熔煉爐(圖2)，其中的電漿噴槍用轉移弧，以被熔金屬為陽極，電流達到幾千安培。噴槍中通以惰性氣體(如氧氣)，可以保護陰極並在爐中形成保護性氣氛，還可對熔化金屬進行攪動和產生對流加熱。有的爐子下部有產生磁場的裝置，以利用磁場和電流間的作用力對金屬進行攪拌。電漿冶金技術已用於熔化耐高溫合金和煉製高級合金鋼等。它比真空感應爐等設備簡單，產品質量不低，大型電漿電弧爐裝有4支噴搶，容量達到30噸。目前還在研製更大的爐子。
電漿提取冶金
利用電漿的高溫和活性粒子促進化學反應，以便從礦物中提取所需產品的冶金過程。很多在常規方法提供的溫度下不能進行的吸熱反應，在電漿提供的高溫下成為可能，而且增加了反應速率，使設備小型化。60年代以來散了大量研究，已取得的成就有：還原鐵礦石和鈦鐵礦以生產純鐵和高鈦渣產品；分解鋯英石和二硫化鉬以生產二氧化鋯(ZrO2)、水玻璃(Na2SiO2)和鉬鐵；生產釩鐵合金和超細金屬粉末等。
電漿機械加工
利用電漿噴槍產生的高溫高速射流進行焊接、堆焊、噴塗、切割、加熱切削等加工過程。
在焊接方面，小孔式電漿焊接方法能一次焊透較厚的材料(如3～8毫米的不鏽鋼對接縫)，焊接速度高，熱影響區小。不鏽鋼管生產線上用電漿弧焊接縱縫，對壁厚6毫米銅管焊速達每分鐘36厘米，比用鎢極氬弧焊快得多。新的發展有：改變焊槍噴口形狀，使電弧受到較少壓縮，能用更大的電流而不出現“雙弧”，可增加焊接最大厚度和焊速；用脈衝電漿弧焊可使焊縫成型穩定，工件受熱降低，規範控制要求沒有用連續電流那樣嚴格。1965年出現的等電漿焊接(火炬尺寸只有約2～3毫米)，可用於十分細小的工件。
電漿堆焊(圖3)可在部件上堆焊具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的合金，以提高工件的使用壽命，滿足特殊性能要求，或修復已磨損的舊部件，此法已用於加工發動機閥門、通用閥門、鑽頭、農業機械、石油化工設備、運輸機械、礦山機械和軸承等。
圖3 電漿堆焊原理圖電漿噴塗50年代就在航空發動機，火箭技術中獲得廣泛套用，以後又在機械工業中用於耐熱耐磨零件。電漿噴塗槍70年代已達到80千瓦功率，有超聲速噴嘴，使塗層質量大為提高。
電漿切割是用電弧電漿將被切割的金屬迅速地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切口。這種方法可以切割各種黑色和有色金屬。在採用非轉移弧(即陰極和陽極都在電漿發生器內)時還可以切割各種非金屬材料。此外，還在研究脈衝電漿，切割，交流電漿切割等。
電漿加熱切削的原理是在刀具之前的適當位置處放一個電漿弧，使金屬在切削前受熱，局部改變材料的機械性能，達到易於切削的目的。對於冶金、礦山設備中的大型、高強度、高硬度、高韌性難加工金屬零件的切削加工，有極其顯著的效果。試驗證明，用這種方法切削各種難切削金屬，工效可提高5～20倍。
高壓斷路器 控制和保護電力系統的重要電器。它除了有正常的斷開和關合功能外，當線路發生短路故障時，還能在毫秒級的短時間內制服強大的短路電弧。斷路器的兩個觸頭斷開時，觸頭間必然產生電漿交流電弧。研究斷路器的重點是研究它的電弧特性，電弧同滅弧室、電路參量間的系，以便設計出性能優異的滅弧室，達到可靠地滅弧。
30年代以來，電網對斷路器斷流能力的要求逐漸提高。近年來，出現性能優異的六氟化硫(SF6)氣吹斷路器。對斷路器的研究大致可分為實驗研究和電弧數學模型理論研究兩種。這些研究都需要套用磁流體力學、電漿動力學、電漿物理學的理論和電漿診斷技術。
