Автор работы: Пользователь скрыл имя, 15 Января 2015 в 21:33, реферат
Воздействие плазмы на поверхность материалов осуществляется в результате ряда сложных, взаимосвязанных процессов энергетического, массового и зарядового обменов частиц плазмы с атомами обрабатываемого тела. Результатом таких взаимодействий являются десорбции атомов и молекул с поверхностью тела, распыление и испарение частиц материала, изменения структуры и фазового состояния. При плазменной обработке происходит взаимодействие материалов с активными и неактивными частицами плазмы, имеющими высокую кинетическую или потенциальную энергию. Различают физическое и химическое взаимодействия частиц.
Обратную диффузию распыленного материала к изделию, неопределенность в энергиях и угле падения бомбардирующих ионов и эффекты перезарядки в области ускорения ионов, свойственные разряду на постоянном токе, можно уменьшить или полностью исключить, используя давления газа, при которых средняя длина свободного пробега ионов и распыленных атомов становится сравнимой с областью ускорения ионов или размерами газоразрядной трубки, или превышает их. С этой целью для возбуждения плазмы эффективно используются ВЧ поля, так как при этом разряд может поддерживаться при меньших давлениях, чем при постоянном токе.
В большей части разрядного промежутка плазма электронейтральна. Электронный газ, совершая качания относительно практически неподвижных ионов, периодически обнажает положительные заряды. Это является причиной возникновения приэлектродных слоев пространственного заряда (СПЗ) в ВЧ – разряде емкостного типа.
При обработке в плазменной струе поверхностный слой с напряжением в несколько сот вольт образуется не только около электродов, но и у поверхности любого тела, помещенного в разряд как емкостного, так и индукционного типа. При этом энергия ионов достигает десятков электрон-вольт при удельной мощности разряда порядка 6 Вт/см3. Этой энергии ионов достаточно для деградации поверхностного слоя стекла на глубине 200 Е, в частности, для снижения его плотности.
Таким образом, независимо от того является ли тело электродом или располагается в плазме ВЧ -разряда пониженного давления, оно приобретает отрицательный потенциал относительно плазмы и подвергается бомбардировке ионами плазмообразующего газа. При этом может реализоваться процесс катодного распыления.
Технологические применения низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении в основном связаны с ее термическим воздействием. При пониженном давлении доля энергии, поступающей в разряд, которая превращается в тепловую, значительно меньше. Однако этот фактор необходимо учитывать, так как для различных материалов значения температуры, при которых начинается изменение свойств поверхностного слоя, лежат в широком диапазоне. Поэтому в реальных условиях при модификации материалов неравновесной низкотемпературной плазмой, в том числе в потоке ВЧ плазмы пониженного давления, в той или иной мере имеет место термическое воздействие.
Явления, происходящие под воздействием теплового потока, можно разделить на две группы: явления чисто физической природы и явления, содержащие одну или более химических реакций. Физические процессы включают в себя передачу теплоты от плазмы к обрабатываемому телу и связанные с этим физические превращения. Химический процесс сопровождается протеканием на поверхности одной или нескольких химических реакций.
Использование низкотемпературной плазмы как источника тепловой энергии позволяет проводить соединение материалов (сварка, пайка), поверхностную обработку материалов (наплавка, напыление, формование, резка, полировка, насыщение поверхностного слоя металла и т.д.), улучшать физико-химические свойства материалов (переплав, зонная плавка, выращивание монокристаллов, плазменно- дуговое рафинирование металлов), получать высококачественные материалы (плавка, сферические и ультрадисперсные порошки). При этом наиболее эффективно применять термическую плазму.
Практическое использование неравновесности при реализации процессов, связанных в основном с тепловой энергией плазмы, целесообразно для обеспечения повышенных выходов и получения соединений, образование которых в равновесных условиях затруднительно. Такие процессы применяются в плазмохимии. Неравновесная низкотемпературная плазма инертных газов как источник тепловой энергии практически не применяется из-за низкого КПД. Для эффективного воздействия неравновесной низкотемпературной плазмы на материалы плотность тепловых потоков должна составлять не менее 100 - 200 Вт/см2.
Поверхность твердого тела может изменяться и под действием электромагнитного излучения, включающего оптическое (видимое), ультрафиолетовое, инфракрасное, рентгеновское излучение и радиоволны. При атмосферном давлении и мощности ВЧ - разряда более 10 кВт лучистый тепловой поток может превышать величину теплового потока в десятки раз, что приводит к структурным и электрическим повреждениям материалов. Для эффективного воздействия магнитного поля его напряженность должна составлять порядка 0,5 - 10 кЭ. В процессах индукционного нагрева металлов напряженность ВЧ магнитного поля имеет порядок 104 - 105 А/м при незначительных напряженностях электрического поля порядка десятков и сотен вольт на метр.
При обработке диэлектриков в переменных электрических полях потери энергии в материале, а следовательно, и выделение тепла в нем определяются, в первую очередь, потерями при переменной поляризации, которая в свою очередь определяется амплитудой напряженности электрического поля, составляющей 104 - 105 В/м. Поляризационные потери в диэлектрике увеличиваются с частотой, что используется для понижения рабочего напряжения.
Ультрафиолетовое излучение плазмы вызывает образование свободных радикалов в органических соединениях и может распространиться на глубину до нескольких микрон. В полиэтилене, изолированном от воздействия частиц плазмы кварцевым стеклом, проницаемым для УФ, зафиксировано образование свободных радикалов.
Световое излучение плазмы применяется в процессах закалки органических веществ типа бензол.
При взаимодействии электронного пучка с веществом электронов кинетическая энергия электронов превращается в другие виды энергии. Чаще всего для обработки используются различные тепловые эффекты, сопровождающие электронную бомбардировку. Обладая малой массой, электроны способны приобретать энергию без сколь либо значительного повышения физической температуры газа и газовых ионов, а именно - не более чем до 500 К, что является существенным, особенно при плазменной обработке чувствительных к тепловому нагреву материалов, например, арсенида галлия или высокомолекулярных соединений. В электронных пучках, используемых в процессах электронно-лучевой технологии, электроны обладают энергией не менее десятка килоэлектрон-вольт. В низкотемпературной плазме, даже при пониженном давлении, энергия электронов не превышает нескольких килоэлектрон-вольт. В связи с этим электронная бомбардировка поверхности в низкотемпературной плазме позволяет либо производить очистку поверхности, либо изменять структуру поверхностного слоя. Однако для этого необходимо расположить изделие в окрестности электрода либо непосредственно на нем. В положительном столбе энергия электронов составляет ~ 1÷10 эВ при наличии небольшой фракции электронов, обладающих энергиями, превышающими 100 эВ.
В двухэлектродной ВЧ -системе вторичные электроны не играют решающей роли в установлении ВЧ -разряда. При этом в первом приближении в разряде с частотой несколько мегагерц и выше большую часть времени потенциал плазмы относительно электродов положителен, причем измеряемое постоянное напряжение между плазмой и любым из двух электродов близко к амплитуде ВЧ -напряжения. Таким образом, энергии электронов низкотемпературной плазмы для реализации основных процессов электронно-лучевой технологии недостаточно.
В низкотемпературной плазме значительный процент в ее составе занимают возбужденные атомы или молекулы. Попав на поверхность, они могут отдать ей свое возбуждение. В результате электронное возбуждение, если материал диэлектрик, преобразуется в фононные колебания или в экситон. Если материал металл, то электронное возбуждение первоначально отдается электронам металла и затем преобразуется в другие степени свободы атомов металла. Энергия возбужденных состояний атомов инертных газов относительно мала и составляет величину - 10 эВ, что превышает работу выхода электронов для большинства металлических поверхностей. Тушение таких возбужденных состояний на металлических поверхностях может сопровождаться вылетом свободных электронов с поверхности, причем эффективность данного процесса порядка единицы. Однако эффективность процессов тушения в объеме значительно выше, чем на поверхности[1].
Выводы: сравнение различных методов модификации поверхностного слоя в машиностроении показало, что такие широко распространенные методы модификации, как лазерный, газотермическое напыление, электроискровое легирование, наплавка и т.п., не позволяют реализовать ряд видов модификации, достигнутых ВЧ -плазменной обработкой.
Анализ существующих электрофизических процессов модификации показывает, что наиболее близкими ВЧ плазменной модификации по результатам воздействия на поверхность являются очистка в тлеющем разряде и ионно- лучевая обработка.
ВЧ -плазменная обработка позволяет реализовать такие процессы как: полировка, травление, нанесение тонких пленок и покрытий, очистка, различные виды упрочнения материалов.
Список использованных источников
1 Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления: монография / И. Ш. Абдуллин [и др.]. - Казань : Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, 2007. - 356 с.