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    毛細管放電等離子體在材料在實驗室設備定制處理中的應用

    2021-01-29 15:52:30

    毛細管放電等離子體在實驗室設備定制材料處理中的應用,毛細管放電等離子體以其高密度(>1023m-2)、高出口速度(>104m/s),高熱流通量(可達GW/m2級別)、較高溫度(1~5eV)等特點,廣泛應用于電熱化學炮、材料表面處理、納米材料制備、激光波導、等離子體加速器以及等離子推進器等領域。毛細管放電等離子體可通過大容量高功率脈沖電源向等離子體發生器中的與兩電極相連的金屬細絲放電或者電極間的自由擊穿,以形成初始電弧通過燒蝕毛細管中的器壁產氣材料實驗室設備定制(如聚乙烯PE、聚四氟乙烯PTFE、聚甲醛POM、尼龍66等)、石墨等產生。因此毛細管的放電過程是研究毛細管放電等離子體特性及其應用的關鍵所在。

        毛細管的放電過程屬于燒蝕控制型放電,即放電過程通過等離子體對毛細管器壁材料的不斷燒蝕來維持。燒蝕作用對外圍等離子體進行冷卻,以限制毛細管中等離子體的形態;而燒蝕產物進入等離子體以補充自噴口處隨射流流失的質量。由上可見,燒蝕現象是毛細管放電等離子體發生器中最為重要的物理現象,是研究毛細管放電等離子體的基礎。

        當高熱流密度的毛細管放電等離子體射流對材料作用時,材料表面由于高熱流沉積在短時間內快速熔化,又在短時間內快速冷凝,從而在材料表面形成了硬化薄膜,材料表面的硬度和耐磨性有了極大改觀。利用這樣的特性,利用這種特性可以將毛細管放電等離子體應用于材料表面處理領域。如果毛細管放電等離子體由某些已經精心選擇好的材料(如鋁、鋯、硅、鉻)組成,就可以控制鍍膜的成分。

        利用毛細管放電等離子體發生器作為鍍膜設備,其原理簡單,實驗室設備定制并不需要真空環境,操作較為方便。其結構與電熱化學炮基本一致,毛細管放電等離子體發生器作為點火源,毛細管腔內裝有鍍膜材料粉,脈沖功率源對發生器放電,點燃鍍膜材料粉產生等離子體射流,進而噴出對材料鍍膜。

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    方法需要解決兩大問題,第一,根據分析,使用鋁粉、鋯粉等放入毛細管中進行點燃,至少30%的粉末沒有熔化,極大影響發生器的使用效率;第二,等離子體射流在在材料表面形成鍍膜需要盡可能均勻。解決這兩個問題需要選取合適的發生器尺寸和脈沖功率源參數,通常這種方法可加速的鍍膜材料粉數量為同類技術的3~5倍,一次噴涂可產生約200μm厚的鍍膜。

        鍍單一元素的膜,可以采用在毛細管內添加粉末的方法,實驗室設備定制但為了鍍一些合成物膜(如SiC、MoSTi等),這種方法存在不足。于是,分段式的毛細管放電等離子體發生器概念可以很好地解決這一問題,通過控制毛細管器壁材料的比例來控制鍍膜合成產物。

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