等離子體技術(shù)與應(yīng)用

本書是以非平衡(低溫)等離子體技術(shù)為主，介紹了非平衡等離子體的基本原理、概念和應(yīng)用，低溫等離子體技術(shù)在化學(xué)合成反應(yīng)、聚合反應(yīng)、等離子體鍍膜、表面處理和功能膜制備等中的應(yīng)用。

本書以非平衡等離子體為主要內(nèi)容進(jìn)行介紹，共分為10章，第1章～第3章介紹等離子體基本原理、基本概念。第4章～第9章分別介紹在無聲放電、電暈和輝光放電、微波放電等不同的等離子體條件下的研究基礎(chǔ)工作與技術(shù)應(yīng)用。第10章簡要介紹近幾年來國際上對等離子體技術(shù)的研究進(jìn)展。

本書可作為石油、化工、能源、材料、環(huán)境、電子等工程專業(yè)和大專院校師生、研究生和工程技術(shù)人員的參考書。

1等離子體基本原理1

1.1等離子體概念1

1.1.1物質(zhì)的三態(tài)變化2

1.1.2物質(zhì)第四態(tài)——等離子體2

1.2等離子體特征和等離子體判據(jù)3

1.2.1等離子體的整體特性3

1.2.2等離子體的準(zhǔn)電中性3

1.2.3等離子體鞘層4

1.2.4等離子體擴(kuò)散過程5

1.2.5等離子體輻射5

1.3等離子體的特征量及等離子體判據(jù)7

1.3.1粒子密度和電離度7

1.3.2電子溫度和離子溫度7

1.3.3沙哈方程8

1.3.4等離子體的時(shí)空特征限量8

1.3.5等離子體判據(jù)8

1.4等離子體的分類9

1.4.1按存在分類9

1.4.2按電離度分類9

1.4.3按粒子密度分類9

1.4.4按熱力學(xué)平衡分類10

1.5等離子體的應(yīng)用10

1.5.1等離子體物理10

1.5.2等離子體化學(xué)10

1.5.3等離子體工程13

1.5.4等離子體工業(yè)應(yīng)用實(shí)例13

參考文獻(xiàn)13

2等離子體化學(xué)行為14

2.1等離子體的超?；瘜W(xué)現(xiàn)象14

2.2非平衡等離子體的激活作用17

2.2.1碰撞參數(shù)18

2.2.2等離子體中的基本粒子18

2.2.3等離子體產(chǎn)生的電離機(jī)制21

2.3電離過程分析——電子雪崩現(xiàn)象23

2.4等離子體化學(xué)反應(yīng)歷程25

2 4.1電子反應(yīng)26

2.4.2重粒子之間的反應(yīng)26

2.4.3舉例分析26

參考文獻(xiàn)29

3等離子體發(fā)生技術(shù)30

3.1氣體放電特性與原理30

3.1.1湯森放電31

3.1.2帕邢定律(Paschen law)32

3.1.3氣體原子的激發(fā)轉(zhuǎn)移和消電離32

3.2放電等離子體發(fā)生形式與放電類型33

3.2.1電暈放電過程33

3.2.2火花放電過程34

3.2.3介質(zhì)阻擋放電（DBD）過程34

3.2.4輝光放電35

3.2.5弧光放電過程35

3 2.6微波放電36

3.3放電參量與等離子體作用36

3.3.1放電參量36

3.3.2等離子體作用舉例分析——輝光放電等離子體作用37

3.4等離子體工業(yè)發(fā)生技術(shù)41

3.4.1高頻等離子體發(fā)生技術(shù)41

3.4.2介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體技術(shù)制臭氧42

參考文獻(xiàn)43

4介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用44

4.1介質(zhì)阻擋放電特性44

4.1.1介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器44

4.1.2介質(zhì)阻擋放電的物理過程44

4.1.3介質(zhì)阻擋放電特性46

4.2介質(zhì)阻擋放電物理參數(shù)的測量46

4.2.1介質(zhì)阻擋放電的參數(shù)和過程46

4.2.2介質(zhì)阻擋放電的電場強(qiáng)度47

4.2.3介質(zhì)阻擋放電的等效電路48

4.2.4介質(zhì)阻擋的放電電壓48

4.2.5介質(zhì)阻擋的放電電流49

4.2.6介質(zhì)阻擋的放電電荷49

4.2.7介質(zhì)阻擋放電的功率50

4.3甲烷的微放電51

4.3.1微放電的形貌51

4.3.2微放電的特征52

4.3.3測量方法53

4.4無聲放電等離子技術(shù)在化工中的應(yīng)用——天然氣轉(zhuǎn)化和CO2利用53

4.4.1介質(zhì)阻擋放電等離子體催化天然氣偶聯(lián)制C2烴54

4.4.2甲烷和二氧化碳反應(yīng)59

4.5偶聯(lián)歷程的量子化學(xué)研究65

4.5.1反應(yīng)途徑的推定66

4.5.2計(jì)算方法66

4.5.3過渡態(tài)的幾何構(gòu)型67

4.5.4生成熱和活化能68

4.5.5鍵級分析69

4.5.6內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)（IRC）反應(yīng)路徑分析70

4.5.7結(jié)語72

參考文獻(xiàn)72

5電暈和輝光放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用74

5.1電暈和輝光放電等離子體性質(zhì)分類74

5.1.1電暈放電74

5.1.2輝光放電75

5.2等離子體鞘層效應(yīng)和放電的機(jī)理分析75

5.2.1等離子體鞘層效應(yīng)75

5.2.2電暈放電的機(jī)理分析78

5.3電暈和輝光放電等離子體技術(shù)在化工中的應(yīng)用——甲烷和二氧化碳制合成氣、甲烷偶聯(lián)制碳二烴80

5.3.1利用電暈放電冷等離子體技術(shù),甲烷和二氧化碳制合成氣80

5.3.2非對稱電極電暈放電場的能量分布90

5.3.3常壓輝光放電甲烷偶聯(lián)制碳二烴93

5.3.4等離子體甲烷常壓偶聯(lián)反應(yīng)的光譜分析98

參考文獻(xiàn)104

6微波放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用106

6.1微波等離子體原理106

6.1.1微波在等離子體中的傳播特性107

6.1.2微波等離子體的電子能量吸收的計(jì)算109

6.2微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)112

6.2.1微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)112

6.2.2溶膠霧化微波等離子體化學(xué)氣相制備薄膜材料115

6.3微波等離子化學(xué)氣相沉積的應(yīng)用119

6.3.1微波等離子體化學(xué)氣相沉積制備薄膜119

6.3.2微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備納米管121

6.3.3微波等離子體制備粉體材料122

6.3.4微波等離子體表面改性124

參考文獻(xiàn)127

7放電等離子體技術(shù)與在薄膜制備中的應(yīng)用(一)128

7.1等離子體的形成與檢測128

7.1.1低溫等離子體的形成方法128

7.1.2等離子體的測量130

7.2等離子體濺射現(xiàn)象與性質(zhì)133

7.2.1濺射現(xiàn)象133

7.2.2濺射率134

7.2.3濺射率的測量法134

7.2.4各種物質(zhì)的濺射率136

7.2.5各種物質(zhì)起始濺射的能量閾值138

7.2.6離子的加速電壓同濺射率的關(guān)系138

7.2.7濺射率和晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系140

7.2.8離子束相對靶面的入射角同濺射率的關(guān)系140

7.2.9從靶面上被濺射出來的粒子狀態(tài)140

7.2.10被濺射出來的原子的角度分布141

7.3濺射裝置和工作原理141

7.3.1直流二極濺射裝置及工作原理142

7.3.2磁控濺射裝置和原理143

7.3.3對向靶濺射裝置和原理143

7.3.4射頻濺射裝置和工作原理144

7.3.5離子束濺射裝置與原理147

7.3.6反應(yīng)濺射法的成膜原理147

7.3.7激光束成膜裝置148

參考文獻(xiàn)148

8放電等離子體技術(shù)與在薄膜制備中的應(yīng)用（二）150

8.1高密度磁記錄用的垂直磁化薄膜150

8.1.1CoCr系垂直磁化薄膜150

8.1.2鋇鐵氧體（BaM）垂直磁化薄膜154

8.2對向靶反應(yīng)濺射FeN薄膜156

8.2.1對向靶反應(yīng)濺射α″Fe16N2單晶薄膜156

8.2.2FeN梯度薄膜159

8.2.3Ti摻雜α″Fe16N2薄膜的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性增強(qiáng)162

8.3碳氮薄膜163

8.3.1碳氮薄膜的化學(xué)成分——氮含量164

8.3.2碳氮薄膜的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)166

8.3.3碳氮薄膜的力學(xué)性質(zhì)169

8.3.4碳氮薄膜的電學(xué)性質(zhì)170

8.3.5光學(xué)性質(zhì)170

8.3.6熱穩(wěn)定性171

8.3.7類芳香烴結(jié)構(gòu)的碳氮薄膜172

8.4軟X射線光學(xué)多層膜172

8.4.1軟X射線金屬多層膜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)173

8.4.2軟X射線光學(xué)多層膜的制備、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與反射率175

8.4.3軟X射線光學(xué)多層膜的結(jié)構(gòu)評價(jià)178

8.5磁隧道結(jié)（MTJ）179

8.5.1MTJ中鐵磁薄膜層之間的隧穿電導(dǎo)180

8.5.2隧道結(jié)的制備及性質(zhì)測量183

8.5.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果183

8.6顆粒薄膜185

8.6.1鐵磁性金屬非磁性金屬顆粒膜186

8.6.2金屬絕緣體顆粒薄膜188

8.6.3與顆粒結(jié)構(gòu)相關(guān)的其他磁性質(zhì)195

8.6.4應(yīng)用195

參考文獻(xiàn)196

9等離子體在高分子化學(xué)中的應(yīng)用198

9.1低溫等離子體在高分子化學(xué)中的應(yīng)用198

9.2等離子體聚合199

9.2.1等離子體聚合反應(yīng)裝置199

9.2.2等離子體反應(yīng)的基本參數(shù)201

9.2.3等離子體聚合的反應(yīng)機(jī)理與特征202

9.2.4等離子體聚合反應(yīng)207

9.3等離子體引發(fā)聚合208

9.3.1等離子體引發(fā)聚合的裝置209

9.3.2單體和反應(yīng)條件209

9.3.3等離子體引發(fā)聚合的反應(yīng)機(jī)理和特征210

9.3.4等離子體引發(fā)聚合反應(yīng)211

9 3.5等離子體引發(fā)聚合原位合金化216

9.4高分子材料的等離子體表面修飾與改性217

9.4.1等離子體表面處理的特點(diǎn)218

9.4.2等離子體與高分子材料表面的作用218

9.4.3高分子材料表面的等離子體修飾與改性的應(yīng)用220

9.5等離子體高分子化學(xué)的發(fā)展前景224

參考文獻(xiàn)225

10等離子體化學(xué)的進(jìn)展228

10.1等離子體在微電子、光電子技術(shù)方面的應(yīng)用及進(jìn)展228

10.2等離子體在薄膜制備領(lǐng)域的應(yīng)用及進(jìn)展228

10.3超純、超細(xì)粉末材料的合成229

10.4等離子體表面處理229

10.4.1聚合物材料的等離子體表面改性230

10.4.2等離子體在納米復(fù)合材料的制備中的應(yīng)用231

10.4.3金屬材料的表面處理231

10.4.4等離子體噴涂232

10.5等離子體化學(xué)合成232

10.5.1常壓非平衡等離子體合成氨233

10.5.2等離子體有機(jī)合成233

10.5.3納米碳管的合成233

10.6低溫等離子體在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用進(jìn)展233

10.6.1低溫等離子體處理氣體污染物的研究進(jìn)展234

10.6.2在溫室氣體轉(zhuǎn)化方面的應(yīng)用234

10.6.3臭氧的合成235

10.6.4在汽車廢氣處理方面的應(yīng)用235

10.6.5在液、固體廢物處理方面的應(yīng)用235

10.7在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用236

10.7.1提高醫(yī)用高分子材料的生物相容性236

10.7.2生物醫(yī)用聚合物材料的微圖形化237

10.7.3利用等離子體殺菌消毒238

10.8等離子體化學(xué)中的診斷技術(shù)239

展望240

參考文獻(xiàn)240 2100433B

作　者：許根慧，姜恩永，盛京 著

出 版 社：化學(xué)工業(yè)出版社

ISBN：9787502584740

出版時(shí)間：2006-05-01

版　次：1

頁　數(shù)：242

裝　幀：平裝

開　本：16開

所屬分類：圖書 > 科學(xué)與自然 > 物理學(xué)

看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見的物質(zhì)，在太陽、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99%。21世紀(jì)人們已經(jīng)掌握和利用電場和磁場產(chǎn)生來控制等離子體。最常見的等離子體是高溫電離氣體，如電弧、霓虹燈和日光燈中的發(fā)光氣體，又如閃電、極光等。金屬中的電子氣和半導(dǎo)體中的載流子以及電解質(zhì)溶液也可以看作是等離子體。在地球上，等離子體物質(zhì)遠(yuǎn)比固體、液體、氣體物質(zhì)少。在宇宙中，等離子體是物質(zhì)存在的主要形式，占宇宙中物質(zhì)總量的99%以上，如恒星(包括太陽)、星際物質(zhì)以及地球周圍的電離層等，都是等離子體。為了研究等離子體的產(chǎn)生和性質(zhì)以闡明自然界等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并利用它為人類服務(wù)，在天體物理、空間物理、特別是核聚變研究的推動(dòng)下，近三、四十年來形成了磁流體力學(xué)和等離子體動(dòng)力學(xué)。

等離子體由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成，整體呈中性的物質(zhì)狀態(tài)。等離子體可分為兩種：高溫和低溫等離子體。等離子體溫度分別用電子溫度和離子溫度表示，兩者相等稱為高溫等離子體；不相等則稱低溫等離子體。低溫等離子體廣泛運(yùn)用于多種生產(chǎn)領(lǐng)域。例如：等離子電視，嬰兒尿布表面防水涂層，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在電腦芯片中的蝕刻運(yùn)用，讓網(wǎng)絡(luò)時(shí)代成為現(xiàn)實(shí)。

高溫等離子體只有在溫度足夠高時(shí)發(fā)生的。恒星不斷地發(fā)出這種等離子體，組成了宇宙的99%。低溫等離子體是在常溫下發(fā)生的等離子體（雖然電子的溫度很高）。低溫等離子體可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機(jī)物和無機(jī)物上進(jìn)行沉淀涂層處理。

等離子體（Plasma）是一種由自由電子和帶電離子為主要成分的物質(zhì)形態(tài)，廣泛存在于宇宙中，常被視為是物質(zhì)的第四態(tài)，被稱為等離子態(tài)，或者“超氣態(tài)”，也稱“電漿體”。等離子體具有很高的電導(dǎo)率，與電磁場存在極強(qiáng)的耦合作用。等離子體是由克魯克斯在1879年發(fā)現(xiàn)的，1928年美國科學(xué)家歐文·朗繆爾和湯克斯（Tonks）首次將“等離子體”（plasma）一詞引入物理學(xué)，用來描述氣體放電管里的物質(zhì)形態(tài)[1]。嚴(yán)格來說，等離子體是具有高位能動(dòng)能的氣體團(tuán)，等離子體的總帶電量仍是中性，借由電場或磁場的高動(dòng)能將外層的電子擊出，結(jié)果電子已不再被束縛于原子核，而成為高位能高動(dòng)能的自由電子。

等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，即電離了的“氣體”，它呈現(xiàn)出高度激發(fā)的不穩(wěn)定態(tài)，其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。其實(shí)，人們對等離子體現(xiàn)象并不生疏。在自然界里，熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結(jié)果。對于整個(gè)宇宙來講，幾乎99．9%以上的物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在的，如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法，如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產(chǎn)生等離子體。分子或原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由電子和原子核組成。在通常情況下，即上述物質(zhì)前三種形態(tài)，電子與核之間的關(guān)系比較固定，即電子以不同的能級存在于核場的周圍，其勢能或動(dòng)能不大。

普通氣體溫度升高時(shí)，氣體粒子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，使粒子之間發(fā)生強(qiáng)烈碰撞，大量原子或分子中的電子被撞掉，當(dāng)溫度高達(dá)百萬開到1億開，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。

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(shí)，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，并伴隨著極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo)；等離子體能被磁場約束作回旋運(yùn)動(dòng)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)。

在宇宙中，等離子體是物質(zhì)最主要的正常狀態(tài)。宇宙研究、宇宙開發(fā)、以及衛(wèi)星、宇航、 能源等新技術(shù)將隨著等離子體的研究而進(jìn)入新時(shí)代。