等離子體的工業(yè)應(yīng)用

等離子體化工 利用等離子體的高溫或其中的各種活性粒子和輻射，促成某些化學(xué)反應(yīng)，主要用子合成、聚合、裂解等過(guò)程，以獲得所需要的產(chǎn)物。例如用電弧把甲烷(CH4天然氣)裂解成乙炔(C2H2)，用高頻等離子體法制備二氧化鈦(鈦白)粉。

用低氣壓等離子體處理金屬或非金屬固體表面。低氣壓等離子體中的高能電子以及與分子碰撞時(shí)產(chǎn)生的離子、自由基，激發(fā)態(tài)分子和原子都是一些活性粒子，它們能引起一些特殊的化學(xué)反應(yīng)。例如，用等離子體法形成的聚合物薄膜，具有優(yōu)良的機(jī)械、電氣、化學(xué)特性。用有機(jī)硅單體在光學(xué)透鏡表面沉積10微米的薄層，可改善透鏡的抗劃痕性和反射指數(shù)。用等離子體處理聚酯織物，可以改變表面浸潤(rùn)性。對(duì)塑料表面進(jìn)行處理或聚合膜層，可以改善表面粘性，改變浸潤(rùn)性等。等離子體沉積薄膜可以作為反滲透膜(此種膜對(duì)通過(guò)的海水有較好的脫鹽效果)。此外，低氣壓等離子體可用于金屬固體表面加工。例如，等離子體刻蝕是利用輝光放電在氣體中產(chǎn)生反應(yīng)性氣體，并與固體表面材料化合成揮發(fā)性物質(zhì)，而在表面刻蝕出圖象。這種方法在半導(dǎo)體元件生產(chǎn)中有重要用途。又如等離子體鍍膜(又稱離子鍍膜)是將難熔的鍍材或其他鍍材蒸氣在輝光放電中電離成低氣壓等離子體，并與相應(yīng)的電離氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)形成所需的化合物，經(jīng)電場(chǎng)加速后沉積在負(fù)偏壓的基體表面上，形成耐磨，耐高溫的高強(qiáng)度膜層。

在工業(yè)上，熱等離子體主要作為高溫?zé)嵩?，而冷等離子體主要是利用它的特殊的物理性質(zhì)，兩者都已獲得廣泛的應(yīng)用，主要用于下述幾個(gè)方面:

用等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫氣流模擬超高速飛行器進(jìn)入大氣層時(shí)所處的嚴(yán)重氣動(dòng)加熱環(huán)境的一種試驗(yàn)方法。遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、航天飛船、行星探測(cè)器等超高速飛行器進(jìn)入大氣層時(shí)，氣體受到劇烈壓縮和摩擦，溫度可升到7000~8000開(kāi)以至超過(guò)1萬(wàn)開(kāi)，形成部分電離等離子體，對(duì)飛行器劇烈加熱(見(jiàn)燒蝕)。為了研制適用的熱防護(hù)系統(tǒng)和材料，必須進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)。電弧等離子體發(fā)生器是能夠持續(xù)產(chǎn)生相當(dāng)于飛行條件下產(chǎn)生的高溫氣體的主要試驗(yàn)設(shè)備，50年代后期以來(lái)不斷得到改進(jìn)。這種設(shè)備現(xiàn)在以直流、長(zhǎng)弧、大功率為主，電源功率達(dá)到100兆瓦(50000伏，2000安)，弧室氣壓達(dá)到300大氣壓(1大氣壓=101325帕)左右。電弧加熱器是一種比較先進(jìn)的加熱器，可在很高的氣壓下達(dá)到較高的氣體總焓。

用電弧加熱器進(jìn)行氣動(dòng)熱模擬試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)模擬要求采用不同的試驗(yàn)方式。例如，材料燒蝕試驗(yàn)用亞聲速射流在平頭試件上進(jìn)行;導(dǎo)彈端頭燒蝕模型試驗(yàn)用超聲速射流和球頭模型;飛行器側(cè)壁材料燒蝕試驗(yàn)用亞聲速和超聲速導(dǎo)管;加熱率低的飛船等防熱試驗(yàn)通常用低壓高超聲速風(fēng)洞。圖1是這幾種試驗(yàn)的示意圖。試驗(yàn)中需要測(cè)量溫度、焓、流速等氣流參量，表面壓力和熱流等模型環(huán)境參量，表面溫度、燒蝕速度、內(nèi)部溫度分布等燒蝕參量。將所得結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行比較，供設(shè)計(jì)參考。

用等離子體熔化和精煉金屬的技術(shù)。這種技術(shù)是從60年代初期開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)已進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)階段。應(yīng)用最廣的等離子體電弧熔煉爐(圖2)，其中的等離子體噴槍用轉(zhuǎn)移弧，以被熔金屬為陽(yáng)極，電流達(dá)到幾千安培。噴槍中通以惰性氣體(如氧氣)，可以保護(hù)陰極并在爐中形成保護(hù)性氣氛，還可對(duì)熔化金屬進(jìn)行攪動(dòng)和產(chǎn)生對(duì)流加熱。有的爐子下部有產(chǎn)生磁場(chǎng)的裝置，以利用磁場(chǎng)和電流間的作用力對(duì)金屬進(jìn)行攪拌。等離子體冶金技術(shù)已用于熔化耐高溫合金和煉制高級(jí)合金鋼等。它比真空感應(yīng)爐等設(shè)備簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量不低，大型等離子體電弧爐裝有4支噴搶?zhuān)萘窟_(dá)到30噸。目前還在研制更大的爐子。

等離子體提取冶金

利用等離子體的高溫和活性粒子促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，以便從礦物中提取所需產(chǎn)品的冶金過(guò)程。很多在常規(guī)方法提供的溫度下不能進(jìn)行的吸熱反應(yīng)，在等離子體提供的高溫下成為可能，而且增加了反應(yīng)速率，使設(shè)備小型化。60年代以來(lái)散了大量研究，已取得的成就有:還原鐵礦石和鈦鐵礦以生產(chǎn)純鐵和高鈦渣產(chǎn)品;分解鋯英石和二硫化鉬以生產(chǎn)二氧化鋯(ZrO2)、水玻璃(Na2SiO2)和鉬鐵;生產(chǎn)釩鐵合金和超細(xì)金屬粉末等。

利用等離子體噴槍產(chǎn)生的高溫高速射流進(jìn)行焊接、堆焊、噴涂、切割、加熱切削等加工過(guò)程。

在焊接方面，小孔式等離子體焊接方法能一次焊透較厚的材料(如3~8毫米的不銹鋼對(duì)接縫)，焊接速度高，熱影響區(qū)小。不銹鋼管生產(chǎn)線上用等離子體弧焊接縱縫，對(duì)壁厚6毫米銅管焊速達(dá)每分鐘36厘米，比用鎢極氬弧焊快得多。新的發(fā)展有:改變焊槍噴口形狀，使電弧受到較少壓縮，能用更大的電流而不出現(xiàn)"雙弧"，可增加焊接最大厚度和焊速;用脈沖等離子體弧焊可使焊縫成型穩(wěn)定，工件受熱降低，規(guī)范控制要求沒(méi)有用連續(xù)電流那樣嚴(yán)格。1965年出現(xiàn)的等等離子體焊接(火炬尺寸只有約2~3毫米)，可用于十分細(xì)小的工件。

等離子體堆焊(圖3)可在部件上堆焊具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能的合金，以提高工件的使用壽命，滿足特殊性能要求，或修復(fù)已磨損的舊部件，此法已用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)閥門(mén)、通用閥門(mén)、鉆頭、農(nóng)業(yè)機(jī)械、石油化工設(shè)備、運(yùn)輸機(jī)械、礦山機(jī)械和軸承等。

等離子體噴涂50年代就在航空發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用，以后又在機(jī)械工業(yè)中用于耐熱耐磨零件。等離子體噴涂槍70年代已達(dá)到80千瓦功率，有超聲速噴嘴，使涂層質(zhì)量大為提高。

等離子體切割是用電弧等離子體將被切割的金屬迅速地局部加熱到熔化狀態(tài)，同時(shí)用高速氣流將已熔金屬吹掉而形成狹窄切口。這種方法可以切割各種黑色和有色金屬。在采用非轉(zhuǎn)移弧(即陰極和陽(yáng)極都在等離子體發(fā)生器內(nèi))時(shí)還可以切割各種非金屬材料。此外，還在研究脈沖等離子體，切割，交流等離子體切割等。

等離子體加熱切削的原理是在刀具之前的適當(dāng)位置處放一個(gè)等離子體弧，使金屬在切削前受熱，局部改變材料的機(jī)械性能，達(dá)到易于切削的目的。對(duì)于冶金、礦山設(shè)備中的大型、高強(qiáng)度、高硬度、高韌性難加工金屬零件的切削加工，有極其顯著的效果。試驗(yàn)證明，用這種方法切削各種難切削金屬，工效可提高5~20倍。

高壓斷路器 控制和保護(hù)電力系統(tǒng)的重要電器。它除了有正常的斷開(kāi)和關(guān)合功能外，當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，還能在毫秒級(jí)的短時(shí)間內(nèi)制服強(qiáng)大的短路電弧。斷路器的兩個(gè)觸頭斷開(kāi)時(shí)，觸頭間必然產(chǎn)生等離子體交流電弧。研究斷路器的重點(diǎn)是研究它的電弧特性，電弧同滅弧室、電路參量間的系，以便設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的滅弧室，達(dá)到可靠地滅弧。

30年代以來(lái)，電網(wǎng)對(duì)斷路器斷流能力的要求逐漸提高。近年來(lái)，出現(xiàn)性能優(yōu)異的六氟化硫(SF6)氣吹斷路器。對(duì)斷路器的研究大致可分為實(shí)驗(yàn)研究和電弧數(shù)學(xué)模型理論研究?jī)煞N。這些研究都需要應(yīng)用磁流體力學(xué)、等離子體動(dòng)力學(xué)、等離子體物理學(xué)的理論和等離子體診斷技術(shù)。