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等離子體有多熱？
發(fā)布時(shí)間 : 2020-11-12 16:36:13
大多數(shù)等離子體應(yīng)用中所達(dá)到的高溫使許多用戶對(duì)工藝的安全性產(chǎn)生疑問，尤其是在處理高敏感的材料時(shí)。 本文解說了有關(guān)等離子體應(yīng)用期間溫度和熱傳導(dǎo)的懸而未決的問題，并列舉了一些關(guān)鍵實(shí)例證實(shí)了等離子體溫度臨界工藝的適用性。 潛在的問題看似簡(jiǎn)單，卻不容易回答：等離子體有多熱?
等離子體有多熱？
自然產(chǎn)生的等離子體可以達(dá)到高達(dá)106eV（1eV?11600K）[1]的溫度，在工業(yè)應(yīng)用中，最高溫度約為1eV [2]。 因此，等離子體是一種高能量狀態(tài)，其溫度取決于其物種（中性原子，電子和離子）的能量，并且強(qiáng)烈依賴于各自等離子體的電離程度。 這使得根據(jù)它們的溫度可能分類不同的等離子體，區(qū)分成兩個(gè)主要種類：熱等離子體和非熱等離子體。
當(dāng)它完全地被電離且所有的物種具有相同的溫度時(shí)我們稱為熱等離子體，典型的例子是太陽(yáng)的日冕或聚變等離子體。 [3]對(duì)于本文而言，非熱或非平衡等離子體的類別是相關(guān)的。 這些等離子體具有不同的預(yù)熱電子、中性粒子和離子。 因此，電子可達(dá)到10000 K的溫度，而大多數(shù)氣態(tài)粒子變得明顯地沒那么熱或保持在室溫。
然而，在使用干燥的壓縮空氣作為等離子體氣體的操作過程中由plasmabrush??PB3發(fā)生的等離子火焰的靜態(tài)測(cè)量產(chǎn)生低于1000°C的溫度。 這種等離子體火焰，是等離子射流可見最前的部分，也稱為“遠(yuǎn)程等離子體”，通常是處理基材表面的等離子體區(qū)域。
非熱等離子體通常被稱為“冷等離子體”。 該術(shù)語(yǔ)應(yīng)謹(jǐn)慎使用，因?yàn)樗◤V泛范圍的低壓和大氣壓等離子體。 例如，piezobrush?PZ2產(chǎn)生的“冷等離子體”的溫度幾乎不高于環(huán)境溫度，與plasmabrush? PB3產(chǎn)生的熱量相反。然而，本文關(guān)注在運(yùn)行非熱高溫等離子體的工業(yè)中用于高生產(chǎn)率設(shè)備的種類。
A250噴嘴和使用plasmabrush? PB3的A250, A350 and A450噴嘴類型的靜態(tài)溫度
當(dāng)用戶問起最初引號(hào)的問題“等離子體有多熱？”時(shí)，通常他們意味的不是等離子體本身的溫度，而是發(fā)生在處理過的基材表面上的熱事件。為了具體說明這些溫度，廣延溫度和紅外測(cè)量是必要的。 基于多年的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，Relyon Plasma GmbH開發(fā)了一款軟件，可以模擬大氣壓或非平衡等離子體在基材上的熱傳遞，以供研究之用。所做的計(jì)算區(qū)分了基材表面的類型和幾何形狀，以及選擇等離子體的電輸入功率的設(shè)置。
使用relyon plasma軟件模擬在強(qiáng)化等離子體處理過程中生熱
廣延測(cè)量的結(jié)果證實(shí)，插入表面的能量主要影響基材的第一層。 這使大氣等離子體處理成為真正的表面處理，因?yàn)榍逑春蜐?rùn)濕效果是由等離子體粒子與材料的頂部原子層的相互作用所引起的，而材料的較深層不會(huì)受到任何影響。
表面上有效的溫度不僅取決于等離子體的電輸入功率，而且還受到所用等離子體氣體類型的顯著影響，以及由用戶通過工藝參數(shù)控制，通常最重要的兩個(gè)參數(shù)：操作速度和設(shè)備與基材之間的距離。這簡(jiǎn)單的參數(shù)化對(duì)大多數(shù)等離子體應(yīng)用是絕對(duì)足夠的。
使用relyon plasma軟件模擬在溫和等離子體處理過程中溫度的產(chǎn)生
對(duì)于某些工藝（例如熱熔或涂裝），工作使用復(fù)矩陣是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。 為此，除了已經(jīng)提到的兩個(gè)參數(shù)外，設(shè)備本身提供了三個(gè)更多的參數(shù)設(shè)置（氣體流量、頻率和電輸入功率）。 在下文中，討論了三個(gè)臨界溫度的應(yīng)用，要求工藝控制。 細(xì)胞培養(yǎng)芯片、薄膜（此處：鋁箔）和LDPE薄膜沉積例證了Plasmabrush?工序的可能性。
細(xì)胞培養(yǎng)芯片
原芯片（左）以及損壞的芯片（中）和未損壞的芯片的細(xì)節(jié)（右）
在該項(xiàng)目中，3D細(xì)胞培養(yǎng)芯片的微觀結(jié)構(gòu)表面應(yīng)該被激活，而不對(duì)細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)造成熱損傷。 該工序的成功由蒸餾水的接觸角評(píng)定。
輕微的過度激活（過度的能量輸入到表面）改變芯片三角形部分的形態(tài)，如中間的圖片詳細(xì)所示。只有對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化可以無(wú)熱效應(yīng)地處理樣品。由于較溫和的處理，表面能將保持在最大活化容量以下，但接觸角從92°減小到43°。使用plasmabrush?PB3和A250噴嘴，工藝參數(shù)設(shè)置為250 mm/s，40 mm的工作距離，氮?dú)庾鳛楣狻?br/>
薄膜應(yīng)用：鋁箔
卷對(duì)卷工序中鋁箔的處理
由于它們最小的厚度，在等離子體應(yīng)用中薄膜是特別關(guān)鍵的。因?yàn)樗鼈兊牡母邆鲗?dǎo)性，盡管金屬和溫度通常沒有問題，由于它們沒有導(dǎo)熱層，薄膜必須非常小心地被處理。 一定質(zhì)量的金屬能緩慢地以30 mm / s的速度被處理，而箔片必須以500 mm / s或更高的速度處理。
卷對(duì)卷是這樣一個(gè)工序的實(shí)例，每個(gè)薄膜必須以非常高的速度被處理，只能瞬間地離開使等離子體粒子與表面相互作用。 在這些條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的活化是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。 可是，合適的設(shè)備布置仍然允許成功的實(shí)施。 從右上方的圖片可以看出，在一個(gè)實(shí)例中三個(gè)等離子體發(fā)生器以12m / s的速度被串聯(lián)設(shè)置，以覆蓋薄箔的膠粘表面的全部的寬度。
LDPE熱熔沉積在鋁上
等離子誘導(dǎo)涂裝是一個(gè)非常復(fù)雜的工藝，因?yàn)樗糜诜勰┹斔偷母郊咏M件，從而增強(qiáng)了參數(shù)矩陣。 在該項(xiàng)目中，應(yīng)該將LDPE應(yīng)用于鋁基材。 熱熔涂裝達(dá)到了均勻平滑層所需的低黏性，同時(shí)該過程比傳統(tǒng)方法快得多，因?yàn)闊o(wú)需去除溶劑。
外部系統(tǒng)輸送粉末到噴嘴出口，以便它直接在表面熔化，然后在表面冷卻。該系統(tǒng)可以輸送粉末率高達(dá)7.19g / m。等離子體具有兩個(gè)功能：首先，通過微粒引入到表面改善了表面的化學(xué)交聯(lián)，其次，由于提高的潤(rùn)濕性，熱熔體擴(kuò)散得更好。
此過程中的關(guān)鍵參數(shù)是速度。 應(yīng)將其設(shè)置得足夠低以形成均勻的涂層，但同時(shí)應(yīng)設(shè)置得足夠高以避免過多的能量輸入到表面和剛形成的涂層。 因此，在該應(yīng)用中，速度設(shè)置為210 mm / s，工作距離設(shè)置為14 mm。 同時(shí)，部件以14.5 rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 整個(gè)涂裝過程需要六分鐘才完成。
完成的熱熔涂裝（左）和具有外部噴射器的plasmabrush?（右）
結(jié)論
即使非熱等離子體以高溫使用在工業(yè)應(yīng)用中，通過相應(yīng)地設(shè)置工藝參數(shù)（特別是工作速度和與基材的距離）它是非常好地來處理高敏感的材料。 而且，該處理僅改性基材的表面，而更深層保持未曾觸及。 這使得等離子體應(yīng)用成為一種高效且同時(shí)溫和方法處理甚至那些為了活化和精細(xì)清洗目的以及改善的潤(rùn)濕性非常熱敏感的材料。
參考文獻(xiàn)
[1] K. Küpfmuller，W.Fathis和A.Reibiger，《理論電氣工程》：導(dǎo)論，Springer，2013年。 [2] H.Zohm，?Plasmaphysik“，LMU慕尼黑，慕尼黑，2012/2013年 [3] R. A.Wolf,?Atmospheric Pressure Plasma?for Surface Modification, Hoboken and Salem, USA: Wiley & Sons and Scrivener Publishing, 2013. [3] R.A.Wolf，用于表面改性的大氣壓等離子體，霍博肯和塞勒姆，美國(guó)：威利父子公司和Scrivener出版社，2013年。
大多數(shù)等離子體應(yīng)用中所達(dá)到的高溫使許多用戶對(duì)工藝的安全性產(chǎn)生疑問，尤其是在處理高敏感的材料時(shí)。 本文解說了有關(guān)等離子體應(yīng)用期間溫度和熱傳導(dǎo)的懸而未決的問題，并列舉了一些關(guān)鍵實(shí)例證實(shí)了等離子體溫度臨界工藝的適用性。 潛在的問題看似簡(jiǎn)單，卻不容易回答：等離子體有多熱?
等離子體有多熱？
自然產(chǎn)生的等離子體可以達(dá)到高達(dá)106eV（1eV?11600K）[1]的溫度，在工業(yè)應(yīng)用中，最高溫度約為1eV [2]。 因此，等離子體是一種高能量狀態(tài)，其溫度取決于其物種（中性原子，電子和離子）的能量，并且強(qiáng)烈依賴于各自等離子體的電離程度。 這使得根據(jù)它們的溫度可能分類不同的等離子體，區(qū)分成兩個(gè)主要種類：熱等離子體和非熱等離子體。
當(dāng)它完全地被電離且所有的物種具有相同的溫度時(shí)我們稱為熱等離子體，典型的例子是太陽(yáng)的日冕或聚變等離子體。 [3]對(duì)于本文而言，非熱或非平衡等離子體的類別是相關(guān)的。 這些等離子體具有不同的預(yù)熱電子、中性粒子和離子。 因此，電子可達(dá)到10000 K的溫度，而大多數(shù)氣態(tài)粒子變得明顯地沒那么熱或保持在室溫。
然而，在使用干燥的壓縮空氣作為等離子體氣體的操作過程中由plasmabrush??PB3發(fā)生的等離子火焰的靜態(tài)測(cè)量產(chǎn)生低于1000°C的溫度。 這種等離子體火焰，是等離子射流可見最前的部分，也稱為“遠(yuǎn)程等離子體”，通常是處理基材表面的等離子體區(qū)域。
非熱等離子體通常被稱為“冷等離子體”。 該術(shù)語(yǔ)應(yīng)謹(jǐn)慎使用，因?yàn)樗◤V泛范圍的低壓和大氣壓等離子體。 例如，piezobrush?PZ2產(chǎn)生的“冷等離子體”的溫度幾乎不高于環(huán)境溫度，與plasmabrush? PB3產(chǎn)生的熱量相反。然而，本文關(guān)注在運(yùn)行非熱高溫等離子體的工業(yè)中用于高生產(chǎn)率設(shè)備的種類。
A250噴嘴和使用plasmabrush? PB3的A250, A350 and A450噴嘴類型的靜態(tài)溫度
當(dāng)用戶問起最初引號(hào)的問題“等離子體有多熱？”時(shí)，通常他們意味的不是等離子體本身的溫度，而是發(fā)生在處理過的基材表面上的熱事件。為了具體說明這些溫度，廣延溫度和紅外測(cè)量是必要的。 基于多年的監(jiān)測(cè)應(yīng)用，Relyon Plasma GmbH開發(fā)了一款軟件，可以模擬大氣壓或非平衡等離子體在基材上的熱傳遞，以供研究之用。所做的計(jì)算區(qū)分了基材表面的類型和幾何形狀，以及選擇等離子體的電輸入功率的設(shè)置。
使用relyon plasma軟件模擬在強(qiáng)化等離子體處理過程中生熱
廣延測(cè)量的結(jié)果證實(shí)，插入表面的能量主要影響基材的第一層。 這使大氣等離子體處理成為真正的表面處理，因?yàn)榍逑春蜐?rùn)濕效果是由等離子體粒子與材料的頂部原子層的相互作用所引起的，而材料的較深層不會(huì)受到任何影響。
表面上有效的溫度不僅取決于等離子體的電輸入功率，而且還受到所用等離子體氣體類型的顯著影響，以及由用戶通過工藝參數(shù)控制，通常最重要的兩個(gè)參數(shù)：操作速度和設(shè)備與基材之間的距離。這簡(jiǎn)單的參數(shù)化對(duì)大多數(shù)等離子體應(yīng)用是絕對(duì)足夠的。
使用relyon plasma軟件模擬在溫和等離子體處理過程中溫度的產(chǎn)生
對(duì)于某些工藝（例如熱熔或涂裝），工作使用復(fù)矩陣是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。 為此，除了已經(jīng)提到的兩個(gè)參數(shù)外，設(shè)備本身提供了三個(gè)更多的參數(shù)設(shè)置（氣體流量、頻率和電輸入功率）。 在下文中，討論了三個(gè)臨界溫度的應(yīng)用，要求工藝控制。 細(xì)胞培養(yǎng)芯片、薄膜（此處：鋁箔）和LDPE薄膜沉積例證了Plasmabrush?工序的可能性。
細(xì)胞培養(yǎng)芯片
原芯片（左）以及損壞的芯片（中）和未損壞的芯片的細(xì)節(jié)（右）
在該項(xiàng)目中，3D細(xì)胞培養(yǎng)芯片的微觀結(jié)構(gòu)表面應(yīng)該被激活，而不對(duì)細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)造成熱損傷。 該工序的成功由蒸餾水的接觸角評(píng)定。
輕微的過度激活（過度的能量輸入到表面）改變芯片三角形部分的形態(tài)，如中間的圖片詳細(xì)所示。只有對(duì)工藝參數(shù)優(yōu)化可以無(wú)熱效應(yīng)地處理樣品。由于較溫和的處理，表面能將保持在最大活化容量以下，但接觸角從92°減小到43°。使用plasmabrush?PB3和A250噴嘴，工藝參數(shù)設(shè)置為250 mm/s，40 mm的工作距離，氮?dú)庾鳛楣狻?br/>
薄膜應(yīng)用：鋁箔
卷對(duì)卷工序中鋁箔的處理
由于它們最小的厚度，在等離子體應(yīng)用中薄膜是特別關(guān)鍵的。因?yàn)樗鼈兊牡母邆鲗?dǎo)性，盡管金屬和溫度通常沒有問題，由于它們沒有導(dǎo)熱層，薄膜必須非常小心地被處理。 一定質(zhì)量的金屬能緩慢地以30 mm / s的速度被處理，而箔片必須以500 mm / s或更高的速度處理。
卷對(duì)卷是這樣一個(gè)工序的實(shí)例，每個(gè)薄膜必須以非常高的速度被處理，只能瞬間地離開使等離子體粒子與表面相互作用。 在這些條件下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的活化是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。 可是，合適的設(shè)備布置仍然允許成功的實(shí)施。 從右上方的圖片可以看出，在一個(gè)實(shí)例中三個(gè)等離子體發(fā)生器以12m / s的速度被串聯(lián)設(shè)置，以覆蓋薄箔的膠粘表面的全部的寬度。
LDPE熱熔沉積在鋁上
等離子誘導(dǎo)涂裝是一個(gè)非常復(fù)雜的工藝，因?yàn)樗糜诜勰┹斔偷母郊咏M件，從而增強(qiáng)了參數(shù)矩陣。 在該項(xiàng)目中，應(yīng)該將LDPE應(yīng)用于鋁基材。 熱熔涂裝達(dá)到了均勻平滑層所需的低黏性，同時(shí)該過程比傳統(tǒng)方法快得多，因?yàn)闊o(wú)需去除溶劑。
外部系統(tǒng)輸送粉末到噴嘴出口，以便它直接在表面熔化，然后在表面冷卻。該系統(tǒng)可以輸送粉末率高達(dá)7.19g / m。等離子體具有兩個(gè)功能：首先，通過微粒引入到表面改善了表面的化學(xué)交聯(lián)，其次，由于提高的潤(rùn)濕性，熱熔體擴(kuò)散得更好。
此過程中的關(guān)鍵參數(shù)是速度。 應(yīng)將其設(shè)置得足夠低以形成均勻的涂層，但同時(shí)應(yīng)設(shè)置得足夠高以避免過多的能量輸入到表面和剛形成的涂層。 因此，在該應(yīng)用中，速度設(shè)置為210 mm / s，工作距離設(shè)置為14 mm。 同時(shí)，部件以14.5 rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。 整個(gè)涂裝過程需要六分鐘才完成。
完成的熱熔涂裝（左）和具有外部噴射器的plasmabrush?（右）
結(jié)論
即使非熱等離子體以高溫使用在工業(yè)應(yīng)用中，通過相應(yīng)地設(shè)置工藝參數(shù)（特別是工作速度和與基材的距離）它是非常好地來處理高敏感的材料。 而且，該處理僅改性基材的表面，而更深層保持未曾觸及。 這使得等離子體應(yīng)用成為一種高效且同時(shí)溫和方法處理甚至那些為了活化和精細(xì)清洗目的以及改善的潤(rùn)濕性非常熱敏感的材料。
參考文獻(xiàn)
[1] K. Küpfmuller，W.Fathis和A.Reibiger，《理論電氣工程》：導(dǎo)論，Springer，2013年。 [2] H.Zohm，?Plasmaphysik“，LMU慕尼黑，慕尼黑，2012/2013年 [3] R. A.Wolf,?Atmospheric Pressure Plasma?for Surface Modification, Hoboken and Salem, USA: Wiley & Sons and Scrivener Publishing, 2013. [3] R.A.Wolf，用于表面改性的大氣壓等離子體，霍博肯和塞勒姆，美國(guó)：威利父子公司和Scrivener出版社，2013年。
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