等離子電解沉積強化層研究概念背景

“等離子體”(Plasma)一詞是1929年Tomsan和Langmuir在研究氣體放電中的振蕩時，首先用來描述帶電離子集合體的一個名詞。眾知，隨著溫度的上升，物質(zhì)的存在狀態(tài)一般會呈現(xiàn)出固態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，人們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。對于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時，由于物質(zhì)分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物。人們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為等離子體(plasma)，即物質(zhì)的第四態(tài)。因為電離過程中正離子和電子總是成對出現(xiàn)，所以等離子體中正離子和電子的總數(shù)大致相等，總體來看為準(zhǔn)電中性。

1835年，F(xiàn)araday用低壓放電管觀察到氣體的輝光放電現(xiàn)象，為了描述氣體放電中產(chǎn)生的電離介質(zhì)，1879年英國物理學(xué)家W。Crookes在當(dāng)時對放電管中“電離氣體”性質(zhì)的描述之后，提出了“物質(zhì)第四態(tài)”這個名詞。物質(zhì)第四態(tài)這個術(shù)語是根據(jù)下述觀點提出的：固態(tài)加熱時經(jīng)相變成為新態(tài)，通常就是液體；如果加熱液體則經(jīng)相變成為氣體；在氣體中加入更多的能量，就可以使一些原子電離，若溫度高于100000 K，則大部分物質(zhì)將處于電離狀態(tài)，物質(zhì)的這種電離狀態(tài)稱為第四態(tài)。之所以把等離子體視為物質(zhì)的又一種基本存在形態(tài)，是因為它與固、液、氣三態(tài)相比無論在組成上還是在性質(zhì)上均有本質(zhì)區(qū)別，它們即使與高溫氣體之間也有著明顯的差異。等離子體和普通氣體性質(zhì)不同，普通氣體由分子構(gòu)成，分子之間相互作用力是短程力，僅當(dāng)分子碰撞時，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運動論描述。

在等離子體中，帶電粒子之間的庫侖力是長程力，庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電粒子運動時，能引起正電荷或負(fù)電荷局部集中，產(chǎn)生電場；電荷定向運動引起電流，產(chǎn)生磁場。電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動，并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導(dǎo)；等離子體能被磁場約束作回旋運動等。等離子體的這些特性使它區(qū)別于普通氣體被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。

普通氣體溫度升高時，氣體粒子的熱運動加劇，使粒子之間發(fā)生強烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當(dāng)溫度高達百萬K到1億K，所有氣體原子全部電離。電離出的自由電子總的負(fù)電量與正離子總的正電量相等。這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體。由于等離子體含有離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子、自由基等極活潑的化學(xué)反應(yīng)物種，使它的性質(zhì)與固、液、氣三態(tài)有本質(zhì)的區(qū)別，并表現(xiàn)出許多獨特的特點。

從化學(xué)角度看，等離子體空間富集的離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子、分子及自由基，都是極活潑的高活性種。這些高活性種在普通的熱化學(xué)反應(yīng)中不易得到，但在等離子體中可源源不斷地產(chǎn)生。在等離子體中，各種粒子的溫度幾乎相等，約可達5×103～2×104 K。如此之高的溫度既可作為熱源進行高熔點金屬的熔煉提純，難熔金屬、陶瓷的熔射噴涂，也可利用其中的活性物種進行各種溫化學(xué)反應(yīng)，如礦石、化合物的熱分解還原、高熔點合金的制備、溫耐熱材料的合成等。通常物質(zhì)在三態(tài)下進行數(shù)千度以上的高溫反應(yīng)是極其困難的，僅反應(yīng)器的材質(zhì)就很成問題。

等離子態(tài)則不同，這是因為等離子體與任何容器并非直接接觸，二者之間會形成一個電中性被破壞了的薄層，即等離子體鞘，使高溫不會直接傳導(dǎo)給器壁，還可用電磁場來約束等離子體，加之冷卻等手段的運用，即便是數(shù)萬度的高溫反應(yīng)在技術(shù)上也易于實現(xiàn)，使得很多普通高溫條件下難以發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可以進行。等離子體主要用于以下3方面。①等離子體冶煉。用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如高熔點的鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬；還用于簡化工藝過程，例如直接從ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti；用等離子體熔化快速固化法可開發(fā)硬的高熔點粉末，如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等離子體冶煉的優(yōu)點是產(chǎn)品成分及微結(jié)構(gòu)的一致性好，可免除容器材料的污染②等離子體噴涂。許多設(shè)備的部件應(yīng)能耐磨耐腐蝕、抗高溫，為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化，并噴涂到基體(部件)上，使之迅速冷卻、固化，形成接近網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的表層，這可大大提高噴涂質(zhì)量。③等離子體焊接?？捎靡院附愉?、合金鋼；鋁、銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整、可以再加工、沒有氧化物雜質(zhì)、焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金，切割厚度大。

伴隨著氣體放電、天體物理和空間物理、受控?zé)岷司圩円约暗蜏氐入x子體技術(shù)應(yīng)用(如磁流體發(fā)電、等離子體冶煉、等離子體化工、氣體放電型的電子器件以及火箭推進劑等)的研究，作為它們的實驗和理論基礎(chǔ)的等離子體物理學(xué)迅速發(fā)展，逐漸成為一個獨立的學(xué)科。由于等離子體種類繁多，現(xiàn)象復(fù)雜，應(yīng)用廣泛，等離子體物理學(xué)正從實驗研究、理論研究、數(shù)值計算三個方面，互相結(jié)合地向深度和廣度發(fā)展。等離子體化學(xué)技術(shù)隨著當(dāng)代高科技的發(fā)展也應(yīng)運而生，作為一個學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域，在短短的發(fā)展歷程中已經(jīng)在化學(xué)合成、新材料研制、精細(xì)化學(xué)加工、表面處理等領(lǐng)域開拓出一系列新技術(shù)和新工藝。目前等離子體化學(xué)技術(shù)一方面主要集中在使用等離子體對傳統(tǒng)材料的表面改性，另一方面?zhèn)戎赜诘入x子體誘發(fā)或增強化學(xué)反應(yīng)。一般來說，利用低溫等離子體處理氣相物料的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，已經(jīng)到達廣泛的實際應(yīng)用階段。近些年來，發(fā)展起來了另外一種等離子體放電——液相等離子體放電，成為傳統(tǒng)等離子體的一種有效補充。液相等離子體放電的研究起始于水溶液中的瞬間放電現(xiàn)象。人們認(rèn)識到，瞬間放電能在水中形成等離子體通道，而放電通道內(nèi)的等離子體具有很高的能量，可產(chǎn)生高溫、沖擊波和很強的紫外光輻射。

等離子體電解(Plasma electrolysis)即是液相等離子體放電的一種。等離子體電解是在液體中利用等離子體電化學(xué)處理方法對材料進行表面改性以及涂層保護的一類技術(shù)的通稱。不同的等離子體電解技術(shù)盡管在可處理材料、處理工藝和處理效果上存在差異，但是它們具有下述的共同特征：一方面等離子體電解處理在溶液中進行，并在被處理材料和輔助電極之間施加適當(dāng)?shù)碾妷?；另一方面，被處理材料表面或者附近會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，即發(fā)生等離子體電解的電極過程。http://www.linshuojixiekeji.cn