大气压等离子体加工技术

大气压等离子体加工技术目录1、等离子体概述2、传统等离子体加工技术3、大气等离子体加工技术发展概况4、等离子加工技术面临问题1、等离子体概述什么是等离子体•等离子体是物质三态（气液固）之外的第四种可能状态，等离子体是高温电离的气体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，离解成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子所组成，整体的正负电荷数值仍然相等，因此称为等离子体。广义的讲它是包含等量高密度正、负带电粒子的物质体。气体放电现象当作用于气体的电场强度超过临界值时就会发生气体放电现象，这时气体就从绝缘态变为导电态，放电形式与气体的压力和电流密度有着重要的关系。低气压小电流密度下的放电称为辉光放电，大气压或更高气压下的大电流放电称为电弧放电。气体放电的基本内涵是放电中的带电粒子在电场的作用下，气体就从绝缘态变为导电态即物质的第四态—等离子态。2.传统等离子体加工传统等离子体加工•原理：利用电弧放电使气体电离成过热的等离子态气流，靠局部熔化及汽化去除材料的工艺方法称为等离子体加工。•特点：(1)温度高、能量集中(2)有高的导电和导热性能(3)具有较大的冲击力(4)比一般电弧稳定(5)各项有关参数的调节范围广等离子喷涂•等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。等离子涂技术是采用由直流电驱动的等离子电弧作为热源，将陶瓷、合金、金属等材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法。等离子焊接•（1）等离子弧焊接在石油工业中的应用。在机械加工中，焊接是一种非常重要的手段，在石油工业中也非常重要。由于其焊接质量比较高，在液化石油气加工以及管道加工中，已经得到了广泛的运用。比如焊接不锈钢时，利用等离子弧焊接能够单面焊接双面成型，这样不但能够提高焊接的质量还能够提高焊接效率。•（2）等离子弧焊接在再造技术中的应用。通过先进技术来修复已经失效的零件的技术便是再制造技术，通过再制造技术能够重复利用零件。现在等离子弧焊接已经出现和发展了六十多年，在实践和研究中技术也得到了快速的发展。•（3）在工业生产中应用等离子弧焊接实用非常广泛，特别是在军工、航空航天以及尖端工业技术中，作用更是非常重要。比如焊接飞机中的薄壁容器、焊接钛合金导弹壳体等3、大气等离子体加工技术发展概况大气等离子体加工技术•随着连续相板（CPPs）等光学元件在激光驱动惯性约束核聚变（ICF）项目中的广泛应用，对其加工精度与效率的要求越来越高，超光滑表面元器件的需求量急剧增加，对于航空航天，天文望远镜等相关领域，往往要求其精度达到纳米级别，此时常规的加工方式已经不能满足其精度要求，而大气等离子体加工技术具有较高的加工分辨率和材料去除率，且不引入亚表面损伤的特性，其在光学元件领域和核能源上有着显著的功效。大气等离子体加工原理•大气等离子体加工是在大气压下，采用施加在电极之间的射频电压，使得反应气体在等离子体氛围中被激发产生活性粒子，与工件表面的原子发生化学反应生成挥发性产物，实现对光学零件的加工。该方法无需真空设备，加工成本较低，并且是基于原子之间的化学反应，属于非接触式加工，可以避免接触应力造成的表层及亚表层损伤。因此，大气等离子体加工在光学制造领域有很大的应用潜力。国外大气等离子体加工技术发展概况•在大气等离子加工技术方面，美国和日本等发达国家发展较快，国外在大气等离子刻蚀化学反应机理有相当的研究历史，80年代，有学者在此领域做过大量研究，其对CF4气体，SF4等气体的自由基反应均有系统性的化学机理分析，对等离子气体与加工工件表面材料反应研究也较为深入，美国NASA也对大气等离子抛光做过相应去除机理研究。等离子体化学蒸发加工•20世纪90年代初，日本大阪大学提出了等离子体化学蒸发加工（PlasmaChemicalVaporizationMachining，PCVM）。PCVM方法基于容性耦合等离子体（CapacitivelyCoupledPlasma，CCP）放电原理，通常将13.56MHz或150MHz的高频电压施加在不同形状的电极上，工作台接地，通过在加工区域形成稳定的介质阻挡放电来激发产生等离子体，进而实现材料的去除。反应原子等离子体技术•美国LawrenceLiver2more实验室开发了反应原子等离子体技术（RAPT,ReactiveAtomPlasmaTechnology）.该技术采用电感耦合式等离子体炬产生腐蚀性气体，比PCVM技术产生的等离子体稳定，减少了影响等离子体的影响因素。RAPT技术有效解决了PCVM技术加工重复性问题。大气下等离子体射流加工技术•德国莱布尼兹表面改性研究所在真空离子束技术的基础上，开展了大气下等离子体射流加工技术（PlasmaJetMachining，PJM）的研究。PJM采用2.45GHz的微波电源作为等离子体功率源，设计了多种微波等离子体炬，可以得到半高宽0.2~12mm的去除函数，能够实现复杂光学曲面高效去除加工。国内等离子体加工技术发展•国内哈尔滨工业大学开展了大气压下的低温等离子体抛光技术（APPP）的研究，对超光滑材料加工获得了Ra0.5μm的表面粗糙度在后续实验中提出了Ar和He作为保护气体，CF4或SF4等作为原料气体的多种气体配比模式，结合CCOS技术实现数字化控制。赵玺尝试了大面积均匀去除加工，完成了电极形状、气体配比等对去除特性的研究；王东方以介质阻挡放电原理设计了多种等离子体炬，对比了射流式加工和接触式加工的去除能力；金会良对表面沉积现象进行了相关理论建模、实验研究；金江、李铎、王骏等在电感耦合等离子体加工技术做了系统的研究，搭建了五轴大气等离子体加工机床，进行了最大去除能力、最小去除能力等加工实验；辛强等对表面形貌的演变规律进行了深入研究。4、大气等离子体加工技术所面临的问题大气压等离子体加工中温度与热问题由于等离子体是由惰性气体在电磁场中激发而成的电磁流体，随着放电过程的进行，焦耳热逐渐产生，从而引发等离子体温度的升高。大气压等离子体加工技术的原理是基于生成挥发产物的化学反应，温度作为影响化学反应速率的重要因素，也必将对加工过程产生很大影响。因此，温度与热问题一直是实现光学元件的精密加工关键所在。等离子加工技术加工光学曲面面临的挑战（1）高精度复杂光学曲面一般具有复杂的表面结构，这就要求大气等离子体加工技术能够获得高分辨率去除函数。同时，由于总体面型加工去除量大，大气等离子体加工应具有更高去除速率。（2）光学加工一般加工过程较长，而且复杂光学曲面加工过程中需要反复测量、迭代，这就要求大气等离子体加工技术能够保持长时间的加工稳定性。（3）等离子体炬的放电性能是制约去除速率、加工稳定性的本质原因，这就要求对大气压下等离子体放电理论深入研究，并能够通过各种手段分析其放电特性。谢谢