微波與等離子體

微波與等離子體第一頁，共八十六頁，2022年，8月28日第二頁，共八十六頁，2022年，8月28日一、微波1概念

微波與無線電波、紅外線、可見光一樣都是電磁波，微波是指頻率為300MHz-300KMHz的電磁波，即波長(zhǎng)在1米到1毫米之間的電磁波。是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。

第三頁，共八十六頁，2022年，8月28日微波通常由直流電或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得。產(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)來完成能量變換的器件，或稱之為電子管。在電真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管、多腔速調(diào)管、微波三、四極管、行波管等。在目前微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)應(yīng)用中使用的主要是磁控管及速調(diào)管。2微波的產(chǎn)生

第四頁，共八十六頁，2022年，8月28日

微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。而從電子學(xué)和物理學(xué)觀點(diǎn)來看，微波具有不同于其他波段的如下重要特點(diǎn)：

3微波的性質(zhì)

第五頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.1穿透性

穿透能力就是電磁波穿入到介質(zhì)內(nèi)部的本領(lǐng)，電磁波從介質(zhì)的表面進(jìn)入并在其內(nèi)部傳播時(shí)，由于能量不斷被吸收并轉(zhuǎn)化為熱能，它所攜帶的能量就隨著深入介質(zhì)表面的距離，以指數(shù)形式衰減。微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠(yuǎn)紅外線等波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此具有更好的穿透性。第六頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.2熱慣性小

微波對(duì)介質(zhì)材料是瞬時(shí)加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的輸出功率隨時(shí)可調(diào)，介質(zhì)溫度升高可無惰性的隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動(dòng)控制和連續(xù)化生產(chǎn)的需要。第七頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.3選擇性加熱加熱原理：

根據(jù)物質(zhì)對(duì)微波的吸收程度,可將物質(zhì)材料分成導(dǎo)體、絕緣體和介質(zhì)。微波不能進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部,只能在其表面反射。絕緣體可透過微波而對(duì)微波吸收很少。介質(zhì)可透過并吸收微波,介質(zhì)通常由極性分子組成。介質(zhì)分子在微波埸中其極性分子取向?qū)⑴c電場(chǎng)方向一致。當(dāng)電場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),極性分子也隨之變化。一方面由于極性分子的變化滯后于電場(chǎng)的變化,因而產(chǎn)生了扭曲效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為熱能。另一方面介質(zhì)分子在電場(chǎng)的作用下兩極排列,電場(chǎng)振蕩,迫使兩極分子旋轉(zhuǎn)、移動(dòng),當(dāng)加速的離子相遇,碰撞摩擦?xí)r就轉(zhuǎn)化為熱能。即微波加熱機(jī)理是通過極化機(jī)制和離子傳導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行加熱。微波加熱有如下的特點(diǎn):(1)選擇性加熱(2)采取內(nèi)部加熱的方式，快速高效、能耗低、無污染和易控制。第八頁，共八十六頁，2022年，8月28日選擇性加熱

物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗因數(shù)大的物質(zhì)對(duì)微波的吸收能力就強(qiáng)，相反，就弱。由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點(diǎn)。水分子屬極性分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對(duì)微波具有強(qiáng)吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合物等的介電常數(shù)相對(duì)較小，其對(duì)微波的吸收能力比水小得多。第九頁，共八十六頁，2022年，8月28日

P=2πfE2εrVtgδ

在微波場(chǎng)電中，介質(zhì)吸收微波功率的大小P正比于頻率f、電場(chǎng)強(qiáng)度E的平方、介電常數(shù)εr和介質(zhì)損耗正切值tgδ。第十頁，共八十六頁，2022年，8月28日內(nèi)部加熱方式

常規(guī)加熱都是先加熱物體的表面，再通過熱傳導(dǎo)逐步使中心溫度升高（即外部加熱)。微波則屬于內(nèi)部加熱，電磁能直接作用于介質(zhì)分子，轉(zhuǎn)換成熱，且透射性能使物料內(nèi)外介質(zhì)同時(shí)受熱，不需要熱傳導(dǎo)，而內(nèi)部缺乏散熱條件，造成內(nèi)部溫度高于外部的溫度梯度分布，形成驅(qū)動(dòng)內(nèi)部水分向表面滲透的蒸汽壓差，加速了水份的遷移蒸發(fā)速度。第十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.4似光性和似聲性

似光性：當(dāng)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于物體的尺寸時(shí)，微波的特點(diǎn)和幾何光學(xué)的相似。

似聲性：當(dāng)波長(zhǎng)和物體的尺寸有相同量級(jí)時(shí)，微波的特點(diǎn)又與聲波相近。第十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.5非電離性微波的量子能量不大，不足以改變物質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或破壞分子之間的鍵。分子原子核在外加電磁場(chǎng)的作用下呈現(xiàn)的許多共振現(xiàn)象卻發(fā)生在微波范圍，因而微波為探索物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和基本特性提供了有效的研究手段。第十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.6信息性

由于微波頻率很高，其可用的頻帶很寬，可達(dá)數(shù)百甚至上千兆赫茲，這意味著微波的信息容量大，所以現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)，包括衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，都是工作在微波波段。第十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日4微波的應(yīng)用

?

雷達(dá)和通訊?

加熱和滅菌?

在無機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用第十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日4.1雷達(dá)和通訊

第十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日衛(wèi)星通訊

第十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日4.2加熱和殺菌

*對(duì)食物加熱的頻率:2450MHz(波長(zhǎng)為12.24cm)的微波。

*工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)用的頻率有433MHz、915MHz、2450MHz、5800MHz、22125MHz。目前國內(nèi)用于工業(yè)加熱的常用頻率為915MHz和2450MHz。

第十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日滅菌第十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日4.3微波在無機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用合成催化材料

在分子篩催化劑合成方面引入了微波加熱方法，在其它工藝條件相同時(shí)，所用時(shí)間僅為傳統(tǒng)加熱方式的1/30-1/40.

合成納米材料傳統(tǒng)納米材料的制備都離不開加熱處理，微波法則有著傳統(tǒng)加熱方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)，制備樣品不僅時(shí)間短，而且能夠防止晶型的轉(zhuǎn)變以及晶粒間的團(tuán)聚。所以易于得到晶粒細(xì)小，形狀規(guī)則而且分布均勻。第二十頁，共八十六頁，2022年，8月28日制備陶瓷材料

微波燒結(jié)具有突出的優(yōu)勢(shì):節(jié)能省時(shí)無污染;燒結(jié)溫度低、物料受熱均勻,致密度高,大大改了材料性能,產(chǎn)生具有新的微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能的材料。制備碳材料

樊希安等以棉稈為原料,微波輻射氯化鋅法制備活性炭,活化時(shí)間6min(為傳統(tǒng)方法的1/36),產(chǎn)品吸附性能超過國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。第二十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日功能材料制造微波加熱技術(shù)用于合成沸石分子篩是一種有效的方法,能大幅度提高合成速度,如NY沸石的合成從24h縮短到10min,同時(shí)晶體的粒徑得到有效控制,質(zhì)量明顯改善。此外，微波與一些合成方法結(jié)合，可以制備出性能優(yōu)良的材料。如，與水熱法結(jié)合制備出高度分散的顆粒，并且團(tuán)聚現(xiàn)象明顯的降低；和等離子結(jié)合，事例如下。第二十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日微波等離子體化學(xué)氣相沉積法制備的新型納米片狀碳膜

在CH4和H2的混合系統(tǒng)中,利用石英管型微波等離子體化學(xué)氣相沉積方法,在硅片上制備了新型的長(zhǎng)1um、寬100nm相互纏的納米片狀碳膜.第二十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日二、等離子體的概念等離子體：又叫做電漿，是由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)組成的，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性，且具有集體效應(yīng)的混合氣體。準(zhǔn)中性:在等離子體中的正負(fù)離子數(shù)目基本相等，系統(tǒng)在宏觀上呈現(xiàn)中性，但在小尺度上則呈現(xiàn)出電磁性，而集體效應(yīng)則突出地反映了等離子體與中性氣體的區(qū)別。它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài).第二十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日第二十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體與氣體的區(qū)別

?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(zhǎng)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(chǎng)；電荷定向運(yùn)動(dòng)引起電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)．電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)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)。第二十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日三、等離子體的分類及獲取1.分類

1.1按產(chǎn)生方式天然等離子體：宇宙中99.9%的物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)，如恒星星系、星云等。地球比較特別，物質(zhì)大部分以凝聚態(tài)形式存在，能量水平低。人工等離子體:隨處可見的日光燈、霓虹燈中的放電等離子體等。第二十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.2按電離度

等離子體中存在電子、正離子和中性粒子等三種粒子。設(shè)其密度分別為ne、ni、nn，定義電離度β=ne/(ne+nn)，以此來衡量等離子體的電離程度，這時(shí)等離子體可分為以下三類：

第二十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日β=ne/(ne+nn)

*當(dāng)β=1時(shí)，稱完全電離等離子體，如日冕，核聚變中的高溫等離子體，其電離度是100%；*0.01<β<1時(shí)，稱為部分電離等離子體，如大氣電離層、極光、雷電等；*β<0.01時(shí)為弱電離等離子體，如火焰中的等離子體大部分是中性粒子，帶電粒子成分較少，屬于弱電離等離子體。第二十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日

1.3按熱力學(xué)平衡分類

根據(jù)離子溫度與電子溫度是否達(dá)到熱平衡，可把等離子體分為三類：*完全熱力學(xué)平衡等離子體：當(dāng)整個(gè)等離子體系統(tǒng)T>5000K時(shí)，體系處于熱平衡狀態(tài)，各種粒子的平均動(dòng)能都相同，這種等離子體稱為熱力學(xué)平衡等離子體，簡(jiǎn)稱平衡等離子體；

*局域熱力學(xué)平衡等離子體：就是局部處于熱力學(xué)平衡的等離子體；

*非熱力學(xué)平衡等離子體。

第三十頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.4按系統(tǒng)溫度分類高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體是高于10000℃的等離子體，如聚變、太陽核心。高溫等離子體中的粒子溫度T>108-109K，粒子有足夠的能量相互碰撞，達(dá)到了核聚變反應(yīng)的條件。低溫等離子體又分為熱等離子和冷等離子體兩種。熱等離子體是稠密氣體在常壓或高壓下電弧放電或高頻放電而產(chǎn)生的，溫度也在上千乃至數(shù)萬開，可使分子、原子離解、電離、化合等。冷等離子體的溫度在100-1000K之間，通常是稀薄氣體在低壓下通過激光、射頻或微波電源發(fā)輝光放電而產(chǎn)生的。第三十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.5按產(chǎn)生方法和途徑分類

除自然界本身產(chǎn)生的等離子體外，人為發(fā)生等離子的方法主要有氣體放電法、射線輻射法、光電離法、熱電離法、沖擊波法等。其中化工中最為常見的是氣體放電法。根據(jù)所加電場(chǎng)的頻率，氣體放電可分為直流放電、低頻放電、高頻放電、微波放電等多種類型；根據(jù)其放電形式又可分為電暈、輝光、弧光等離子體等；根據(jù)氣壓可分為低壓等離子體和常壓等離子體。第三十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日2等離子體的產(chǎn)生方法和原理

獲得等離子體的方法和途徑多種多樣，其中宇宙星球、星際空間以及地球高空的電離層等屬于自然界產(chǎn)生的等離子體。這里只討論人為產(chǎn)生等離子體的主要方法和原理。一般說來，電離的方法有如下幾種：

第三十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日?光、X射線、射線照射：通過光、X射線、射線的照射提供氣體電離所需要的能量，由于其放電的起始電荷是電離生成的離子，所形成的電荷密度通常極低。?輝光放電：從直流到微波的所有頻率帶的電源產(chǎn)生各種不同的電離狀態(tài)。輝光放電法所產(chǎn)生的低溫等離子體在薄膜材料的制備技術(shù)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。?燃燒：通過燃燒，火焰中的高能粒子相互之間發(fā)生碰撞，從而導(dǎo)致氣體發(fā)生電離，這種電離通常稱之為熱電離。另外，特定的熱化學(xué)反應(yīng)所放出的能量也能夠引起電離。第三十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日?沖擊波：氣體急劇壓縮時(shí)形成的高溫氣體，發(fā)生熱電離形成等離子體。?激光照射：大功率的激光照射能夠使物質(zhì)蒸發(fā)電離。?堿金屬蒸氣與高溫金屬板的接觸：由于堿金屬蒸氣的電離能小，當(dāng)堿金屬蒸氣接觸到電離能大的金屬時(shí)，電離容易發(fā)生。?微波激發(fā)等離子體：用微波加熱激發(fā)產(chǎn)生等離子體。第三十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日3等離子體的性質(zhì)

等離子體的性質(zhì)常取決于以下因素：①等離子體的組分，如原子、分子、離子、電子、化學(xué)基團(tuán)等。②粒子所處的狀態(tài)，如中性態(tài)、激發(fā)態(tài)、電離態(tài)、活化的分子及自由基。③各種粒子數(shù)密度，即單位體積中的粒子數(shù)。第三十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日④各種粒子的溫度。如果電子和離子的溫度相等，稱為平衡態(tài)等離子體；反之，是非平衡態(tài)等離子體。⑤等離子體所處的環(huán)境，如電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、電極結(jié)構(gòu)、氣流、放電容器等。⑥各種因素的作用時(shí)間。應(yīng)用取決于它的性質(zhì)和狀態(tài)。

等離子體的應(yīng)用取決于它的性質(zhì)和狀態(tài)

第三十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日四、四類等離子體反應(yīng)第三十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.A(s)+B(g)→C(g)

選擇合適的氣體,其等離子體與固體表面物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),生成揮發(fā)性氣態(tài)物質(zhì)除去,這就是等離子體刻蝕。選用不同氣體的等離子體，幾乎可刻蝕所有材料，刻蝕的分辨率高第三十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日第四十頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.母體分子CF4在高能電子的碰撞下分解成多種中性基團(tuán)或者離子CF4CF3,CF2,CF,F,C以及他們的離子2.這些活性粒子由于擴(kuò)散或者在電場(chǎng)作用下到達(dá)SiO2表面，并在表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)過程中，CF4中摻如O2，這有利于提高Si和SiO2的刻蝕速率e第四十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日光刻膠刻蝕首先，使光刻膠層頂部曝光形成圖形。第二步，將光刻膠暴露在含硅的氣體中使光刻膠被硅化。最后一步,用氧等離子體把光刻膠各向異性地刻蝕掉。

第四十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日2.A(g)+B(g)→C(s)+D(g)

兩種以上的氣體在等離子狀態(tài)下相互反應(yīng)，產(chǎn)生的固體物質(zhì)以薄膜的形式沉積在基片上，這就是等離子體化學(xué)氣相沉積（PCVD）。其過程大概包括：①反應(yīng)氣體向固體表面的擴(kuò)散；②反應(yīng)氣體吸附于固體表面；③氣體與固體物在表面上的化學(xué)反應(yīng)；④氣態(tài)副產(chǎn)物脫附而擴(kuò)散或被真空泵抽走，在表面上留下產(chǎn)物(淀積物)。第四十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日非晶硅(α-Si)太陽能電池的大規(guī)模廉價(jià)生產(chǎn)

PCVD工藝一般是以硅烷SiH4為主要原料，輝光放電形成等離子體。單用SiH4反應(yīng)生成的是i型非晶硅半導(dǎo)體，若在SiH4中摻人少量B2H6便生成p型層；改摻少量PH3則生成n型層。第四十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日絕緣層材料氮化硅Si3N4

約300℃溫度下通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積生成。而同樣效果的非等離子體化學(xué)氣相沉積過程則需要900℃。這樣高的溫度會(huì)使鋁熔化，毀壞器件。第四十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日聚甲基丙烯酸甲酯包裹的Al2O3有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料在納米顆粒的出口處引入有機(jī)單體,則在等離子體輻射下瞬時(shí)聚合包裹于微粒表面第四十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.A(s)+B(g)→C(s)

這個(gè)反應(yīng)表示B氣體放電等離子體與固體A表面反應(yīng),并在表面生成新的化合物C，由此能使表面性質(zhì)發(fā)生顯著變化，因此叫等離子體表面改性或表面處理。表面改性可以在金屬表面也可以在高分子材料表面進(jìn)行。在金屬表面如金屬表面氧化或表面氮化，在高分子材料表面即為高分子材料的表面改性。第四十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日4.A(g)+B(g)+M(s)→AB(g)+M(s)

這類反應(yīng)是固態(tài)物質(zhì)M的表面起催化作用，促進(jìn)氣體分子的解離和復(fù)合第四十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日五、高溫等離子體在無機(jī)合成中的應(yīng)用第四十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日1.等離子體冶金

高溫等離子體在冶金方面充分發(fā)揮了它的優(yōu)越性。研究得最早,而且比較成熟的是等離子體煉鋼。它以廉價(jià)的煤代替較貴的焦炭,能耗低（由4100kW/t降至3100kW/t）,效率高。產(chǎn)品質(zhì)好。南非MSA公司、瑞典鉻鐵公司-鉻鐵合金

Samancor公司、巴黎錳鐵公司-錳鐵合金第五十頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體電弧熔煉爐示意圖第五十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日瑞典的SKF鋼廠已建成年產(chǎn)7萬噸等離子體冶煉鈦鐵礦（主要成份FeO·TiO2）裝置。基本過程是將煤通過電弧等離子體加熱產(chǎn)生高溫。在高溫下,可大大減少SiO2、焦油和CO的產(chǎn)生。第五十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體冶金適合冶煉高熔點(diǎn)的Zr,Ti,Ta,Nb,W等金屬。可用簡(jiǎn)化工藝過程，如直接從氯化鋯，硫化鉬，氧化鉭和氯化鈦中分別獲得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(diǎn)粉末，如WC-Co,Mo-Ti-Zr-C等。粉末等離子體冶煉的優(yōu)點(diǎn)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。第五十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體冶金的優(yōu)點(diǎn)與感應(yīng)熔煉結(jié)合，采用等離子體冶金的優(yōu)點(diǎn)包括：非金屬夾雜物減少；改善產(chǎn)品的物理性能，例如加工性能和機(jī)械強(qiáng)度；非常高的合金元素收得率；爐料中使用的廢鋼量可超過50%；大范圍內(nèi)熔煉合金的靈活性；與真空熔煉相比，生產(chǎn)率高，成本低。第五十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日第五十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日2.氧化物粉末的合成

瑞典的SKF鋼廠用等離子體冶煉鈦鐵礦,不僅得到了純鐵,而且還得到了TiO2。Padmanabhana等人利用熱等離子體，以空氣為反應(yīng)性氣體，TiH2為前驅(qū)物，制備了直徑在幾納米到30納米之間的二氧化鈦粉末，75%以上為銳鈦晶型第五十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日3.碳化物、氮化物的合成

在高科技領(lǐng)域中碳化物、氮化物和硼化物是重要的無機(jī)材料。這些化合物的制備方法有化學(xué)氣相沉積(CVD)、高溫粉末反應(yīng)等。這些方法均有一定的缺點(diǎn),難以得到高純、微細(xì)的化學(xué)品。采用高溫等離子體合成即可克服這些不足。第五十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日以二氧化硅為原料,以CH4為還原劑和碳源,在氬等離子體的作用下,可合成SiC。以有機(jī)硅化合物(SiCH3Cl3,SiCH2CH2Cl2)為原料、用氬等離子體分解,可得粒度5千埃的β-SiC粉末。以鈦粉、鋁粉、活性炭和硅粉為原料，采用放電等離子工藝，采用一定的物料比，可制得Ti2AlC/Ti3AlC2塊體材料。第五十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體制備超微粉末的方法法是將物質(zhì)注入約104K的超高溫中，此時(shí)多數(shù)反應(yīng)物質(zhì)和生成物質(zhì)成為離子或原子狀態(tài)，然后使其急劇冷卻，獲得很高的過飽和度，這樣就有可能制得與通常條件下形狀完全不同的納米粒子。以等離子體作為反應(yīng)器制備納米粒子時(shí)，大致分為三種方法：等離子體蒸發(fā)法反應(yīng)性等離子體蒸發(fā)法等離子體CVD法4.超微粒子的制備

第五十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體蒸發(fā)法即把一種或多種固體顆粒注入惰性氣體的等離子體中，使之在通過等離子體之間時(shí)完全蒸發(fā)，通過火焰邊界或驟冷裝置使蒸汽凝聚制得超微粉末，常用于制備含有高熔點(diǎn)金屬合金的超微粉末，如Fe-Al,Nb-Si,V-Si,W-C等。第六十頁，共八十六頁，2022年，8月28日反應(yīng)性等離子體蒸發(fā)法即在等離子體蒸發(fā)法時(shí)所得的超高溫蒸汽的冷卻過程中，引入化學(xué)反應(yīng)的方法。通常在火焰尾部導(dǎo)入反應(yīng)性氣體，如制造氮化物超微粉末時(shí)引入氨氣，常用于制造ZrC,TaC,WC,SiC,TiN,ZrN,W2N等。第六十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日等離子體CVD法通常是將引入的氣體在等離子體中完全分解，所得分解產(chǎn)物之一與另一氣體反應(yīng)制得超微粉末，例如，將SiCl4注入等離子體中，在還原氣體中進(jìn)行熱分解，在通過反應(yīng)器尾部時(shí)與氨氣反應(yīng)并同時(shí)冷卻制得超微粉末。為了不使副產(chǎn)品氯化銨混入，故在250-300℃時(shí)捕集，這樣可得到高純度的Si3N4。常用于制備TiC,SiC,TiN,AlN第六十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日SiH4(g)+CH4(g)→SiC(s)+4H2(g)3SiH4(g)+4NH3(g)→Si3N4(s)+12H2(g)2B2H6(g)+CH4(g)→B4C(s)+8H2(g)第六十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日第六十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日用等離子體制備金屬超微粒子時(shí),不同的等離子體作用機(jī)理不同。氬等離子體-惰性氣體中急冷氫等離子體-氫原子強(qiáng)制性地?cái)y帶著金屬原子飛濺第六十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日5.富勒烯合成第六十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日六、低溫等離子體在無機(jī)合成中的應(yīng)用

第六十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日金剛石結(jié)構(gòu)1.金剛石的合成

第六十八頁，共八十六頁，2022年，8月28日目前，合成金剛石的方法大概可分為四類，共有十幾種，等離子體合成法就是其中之一。該方法是將碳?xì)浠蠚怏w或其他含碳?xì)怏w與氫氣作為原料氣，在真空系統(tǒng)中導(dǎo)入上述氣體，經(jīng)等離子活化后到達(dá)基體表面進(jìn)行沉積反應(yīng)。第六十九頁，共八十六頁，2022年，8月28日第七十頁，共八十六頁，2022年，8月28日第七十一頁，共八十六頁，2022年，8月28日第七十二頁，共八十六頁，2022年，8月28日眾多研究表明，等離子體合成金剛石需要對(duì)氣體進(jìn)行活化，而且與活化方式無關(guān)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)所用的原料氣的種類與金剛石的生成沒有必然關(guān)系。另外，氫和氧在金剛石氣相生長(zhǎng)過程中的作用很重要。第七十三頁，共八十六頁，2022年，8月28日H原子在金剛石膜生長(zhǎng)中的關(guān)鍵作用氣相中促進(jìn)CH3.等自由基生成促進(jìn)金剛石碳骨架生成選擇性刻蝕石墨碳?xì)湓涌赏瑫r(shí)蝕除石墨、無定型碳和金剛石,這三種碳相的蝕除速率分別為0.13、0.11和0.006mm/h。第七十四頁，共八十六頁，2022年，8月28日在金剛石薄膜沉積完成后，需要對(duì)其進(jìn)行刻蝕拋光，以達(dá)到應(yīng)用要求。這時(shí)可選用等離子體刻蝕技術(shù)進(jìn)行拋光。第七十五頁，共八十六頁，2022年，8月28日金剛石膜應(yīng)用1.機(jī)械加工工具覆蓋膜：最高硬度

低熱膨脹系數(shù)2.芯片最佳襯底材料：常溫下最高熱導(dǎo)率

良好絕緣性化學(xué)惰性

低熱膨脹系數(shù)3.光學(xué)窗口：寬波段光學(xué)透過率第七十六頁，共八十六頁，2022年，8月28日2.等離子體化學(xué)沉積薄膜的制備

化學(xué)氣相沉積(CVD)是制備無機(jī)薄膜材料常用的方法。與之相比,PCVD常常能獲得具有不同晶型、不同性能的薄膜材料。第七十七頁，共八十六頁，2022年，8月28日Si、Ge在熔融狀態(tài)仍具有很高的配位數(shù),用熔融體驟冷法難以得非晶態(tài)硅,而用PCVD則易得到。平行平板等離子體裝里中,電子撞擊SiH4氣體解離成SiH3,SiH2,SiH,Si,