常壓射頻反應(yīng)等離子體拋光機理研究項目摘要

利用常壓射頻反應(yīng)等離子體中的高密度高活性粒子與工件材料表面的原子發(fā)生物理、化學作用，可以實現(xiàn)高效的、原子級的材料去除，從而有效地解決超光滑表面加工中存在的效率極低、容易產(chǎn)生表層及亞表層損傷、表面清洗困難等問題，是目前國際上超光滑加工領(lǐng)域的一個研究熱點。本課題在對多場多參數(shù)耦合作用下的常壓反應(yīng)等離子體的特性進行研究的基礎(chǔ)上，采用分子動力學仿真等手段，著重研究常壓等離子體中活性粒子與工件表面的氣-固相物理、化學作用過程，揭示等離子體拋光的材料高效去除機理和超光滑表面形成機理。同時，采用AFM、XPS、XRD等手段，探討了常壓等離子體拋光表面的微觀缺陷的形成機制，并以此為依據(jù)，實現(xiàn)了面向工藝過程優(yōu)化的多參數(shù)解耦控制。本項目研究的突破，將是我國在超光滑表面的加工領(lǐng)域的重要方法創(chuàng)新，將為我國在尖端光學、微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要技術(shù)支撐，有很高的社會和經(jīng)濟效益。

常溫常壓合成氨一直是倍受關(guān)注的研究領(lǐng)域。電化學合成氨不受熱力學限制，可拓展合成氨反應(yīng)研究的范圍，同時電化學合成氨吸附活化、供電子活化和質(zhì)子化過程可協(xié)同進行，并可通過控制電極電勢、質(zhì)子傳輸速率等方法方便地控制和測量。采用電化學方法研究常溫常壓下氨合成的動力學和機理具有獨特的優(yōu)勢。電化學合成氨研究具有重要理論意義和潛在的應(yīng)用價值。 2100433B

激光等離子體點火技術(shù)具有點火位置和時序精確可控、電磁兼容性好、工況適應(yīng)性好等優(yōu)點，在內(nèi)燃機、天然氣發(fā)動機、燃氣輪機等動力系統(tǒng)上具有廣泛的應(yīng)用前景。項目針對激光等離子體點火參數(shù)和機理不明確的研究現(xiàn)狀，開展了激光等離子體點火機理研究，獲得了如下創(chuàng)新性研究成果。 1）建立了甲烷/氧氣混合燃氣激光等離子體點火化學反應(yīng)動力學模型，研究了熱效應(yīng)和燃燒化學反應(yīng)效應(yīng)在點火過程中的作用，明確了影響成功點火的關(guān)鍵因素是初始火核中激光等離子體產(chǎn)生早期形成的活性基團的濃度，提出了“熱效應(yīng)-燃燒化學反應(yīng)”點火新機理，完善了現(xiàn)有的“間接點火”模型。 2）系統(tǒng)獲得了甲烷/氧氣混合燃氣激光誘導(dǎo)等離子體的電子溫度、電子密度、時空演化、活性粒子分布、振轉(zhuǎn)溫度等特性，為分析激光等離子體點火機理奠定了基礎(chǔ)。 3）系統(tǒng)開展了甲烷/氧氣預(yù)混和擴散燃氣系統(tǒng)激光等離子體點火實驗研究，建立了最小點火能量、點火延時等參數(shù)的研究方法，獲得了相關(guān)參數(shù)的邊界條件，為激光等離子體點火的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 4）提出了激光燒蝕等離子體點火技術(shù)，使成功點火的激光脈沖能量降低一個數(shù)量級，有利于激光等離子體點火系統(tǒng)的小型化，促進了激光等離子體點火技術(shù)的工程應(yīng)用。 5）在國內(nèi)最先開展了液氧/甲烷等低溫燃料的激光等離子體點火研究，突破了低溫推進劑燃料可靠重復(fù)點火的技術(shù)瓶頸，在姿軌控發(fā)動機燃燒模擬器上成功實現(xiàn)了液氧/甲烷的激光等離子體點火，填補了國內(nèi)空白。 6）克服了超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中湍流耦合、激波干擾等惡劣條件，在國際上首次實現(xiàn)了Ma2.52超聲速氣流條件下航空煤油的直接激光點火和穩(wěn)定燃燒，為超燃沖壓發(fā)動機的可靠重復(fù)點火奠定了基礎(chǔ)。 本項目的研究成果對于加深激光等離子體點火機理的研究、促進激光等離子體點火的工程應(yīng)用具有重要的理論意義和應(yīng)用價值，為火箭發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機等先進動力系統(tǒng)的可靠重復(fù)點火提供了重要的技術(shù)支撐。 2100433B