近代物理论文

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等离子体的应用
测控121班 120301028 于李婷
【摘要】
目前,等离子体技术已在材料、微电子、化工、机械及环保等众多学科领域中得到
较广泛地应用,并已初步形成一个崭新的工业-等离子体工业。本文就等离子的特性,
等离子体在冶炼、喷涂及焊接等方面的应用进行具体的论述。

【关键词】
等离子体;等离子体特性;等离子体技术;等离子体的应用。
【正文】

No.1 等离子体
等离子体的概念是1928年郎谬尔早采用的,更早可追溯到1879年不列颠协会的
威廉.克鲁克斯。他在做气体导电试验时确认放电管中存在物质第四态(等离子
体)。

处于如此高温之下的物质,不仅分子之间和原子之间的运动非常剧烈,而且他们
彼此之间已经难以束缚。原子中的电子具有相当大的动能,它摆脱了原子核对它的束
缚,成为自由电子。同时原子失去电子成为带正电的离子。这样,物质就变成了一团
有自由电子、离子和中性粒子组成的体系。它既不同于固体和液体,又跟普通气体的
性质有本质上的区别。故它是物质的另一种全新的聚集态,即物质的第四态(等离子
体)。

No.2 等离子体特性
通常称等离子体是“物质的第四态”,它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。
通常我们在日常生活中很难接触到等离子体,其原因是在正常情况下物质是以固态、
液态及气态形式存在的。实际上,在自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的。
我们的地球就是被一弱电离的等离子体(即电离层)所包围。在太空中的一些星体及
星系就是由等离子体构成的,如太阳就是一氢等离子体球。当然,人们也可以在实验
室中采用不同的气体放电方法来产生等离子体。用于材料表面改性或合成新材料的等
离子体,一般都是由低气压放电产生的。

No.3 等离子体的应用
3.1 等离子体冶炼
冶炼普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、铌(Nb)、钒
(V)、钨(W)等金属;还用于简化工艺过程,例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl
中分别等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti;用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔
点粉末,例如碳化钨-钴、Mo-Co等粉末等离子体冶炼其产品成分及微结构的一致性
好。
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3.2 等离子体喷涂
为了使许多设备的部件能耐磨
耐腐蚀、抗高温,需要在其表面喷涂
一层具有特殊性能的材料。用等离子
体沉积快速固化法可将特种材料粉末
喷入热等离子体中熔化,并喷涂到部
件上,使之迅速冷却、固化,形成接
近网状结构的表层,大大提高喷涂质
量。近期深圳市研创精密设备有限公
司推出了等离子体表面处理机,它由
等离子发生器,气体输送管路及等离
子喷头等部分组成,等离子发生器产
生高压高频能量在喷嘴钢管中被激活
和被控制的辉光放电中产生低温等离
子体,等离子体中粒子的能量一般约
为几个至几十电子伏特,大于聚合物

材料的结合键能,完全可以破裂有机
大分子的化学键而形成新键;但远低
于高能放射性射线,只涉及材料表面,不影响基体的性能。

3.3 等离子体焊接
可用以焊接钢、铝、铜、钛等及其合金,其特点是焊缝平整,可以再加工没有
氧化物杂质,使焊接速度加快。也用于切割钢、铝及其合金。等离子粉末堆焊是以等离
子弧作为热源,应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、
混合、扩散、凝固,形成一层高性能的合金层,从而实现零件表面的强化与硬化的堆
焊工艺,由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好,熔深可控性强,通过
调节相关的堆焊参数,可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离
子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面,结合强度高;堆焊层组织致密,
耐蚀及耐磨性好;基体材料与堆焊材料的稀释减少,材料特性变化小;利用粉末作为
堆焊材料可提高合金设计的选择性,特别是能够顺利堆焊难熔材料,提高工件的耐磨、
耐高温、耐腐蚀。

【参考文献】
i. 马腾才,胡希伟,陈银华.等离子体物理原理.合肥:中国科学技术大学出版
社,1988.55

ii. 苗利湘,等离子体喷涂高温润滑涂层的组织与力学性能研究.金属材料与冶炼
工程,2008.36(6),6-28

图 1