S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii Capitolul VII APLICAŢII TEHNOLOGICE ALE PLASMEI Plasmele generate prin descărcări în gaze au aplicaţii tehnice în diferite domenii. Într-o descărcare, electronii câştigă energie de la un câmp electric exterior şi pierd această energie prin ciocniri cu moleculele neutre ale gazului. Transferul de energie către molecule conduce la formarea unei largi varietăţi de specii noi, incluzând metastabili, atomi, radicali liberi şi ioni. Aceşti produşi sunt chimic activi şi pot servi ca precursori ai formării de noi compuşi stabili. Procesele de formare a noi compuşi sunt descrise de către chimia plasmei şi ele pot sta la baza unor aplicaţii tehnologice ale plasmei. Un alt domeniu larg de aplicaţii ale plasmei este bazat pe proprietăţile termice ale acesteia. Plasmele termice pot fi folosite ca surse de căldură pentru topiri, suduri, tăieri şi tratamente ale suprafeţelor. Descărcările electrice în gaze sunt însoţite şi de fenomene luminoase sau pot genera luminiscenţa unor materiale. Pe aceste proprietăţi se bazează folosirea gazelor ionizate în fabricarea surselor de lumină sau a lămpilor cu descărcare în gaze. Energia termică a plasmelor poate fi convertită direct în energie electrică folosind principiul conversiei magnetohidrodinamice (MHD), energie care poate fi folosită în diferite scopuri (dispozitive de propulsie, pomparea fluidelor etc.). În continuare vom prezenta câteva aplicaţii tehnologice bazate pe aceste principii. 7.1 Aplicaţii ale chimiei plasmei Trecerea curentului electric prin gaze este însoţită şi influenţată de modificările chimice. Reacţiile în faza gazoasă dintr-o descărcare electrică reprezintă obiectul de studiu al chimiei plasmei. Din punct de vedere al reacţiilor chimice se disting două tipuri de plasme: a) Plasmele cu temperaturi înalte, cunoscute şi sub denumirea de plasme fierbinţi sau termice, în care temperaturile gazului şi respectiv electronilor sunt aproape identice (0,5 5x10 4 K). Din acest motiv se spune despre aceste plasme că sunt la echilibru termodinamic local (LTE). Ele sunt generate la presiuni mai mari decât presiunea atmosferică, cu puteri electrice cuprinse între 5 şi 10 MW şi sunt parcurse de curenţi electrici cu intensităţi de ordinul 10 2 A. Este cazul arcului electric sau a jetului de plasmă. Plasmele termice au diferite aplicaţii tehnologice: 109
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei Surse de căldură pentru încălzirea directă a materialelor în vederea topirii, sudurii, tăierii, alierii sau ca mediu gazos care transferă energia unor reactanţi injectaţi. Mediu fierbinte pentru accelerarea reacţiilor chimice. Producerea unor specii chimice sau reactanţi care au nevoie de temperaturi înalte pentru formarea lor (de exemplu sinteza NO). b) Plasmele cu temperaturi joase, cunoscute şi sub denumirea de plasme reci sau non-termice. În aceste plasme temperatura gazului (300 1000 K) este diferită de cea a electronilor (10 3 10 5 K) De aceea se spune despre ele că nu sunt la echilibru termodinamic local. Ele sunt generate la presiuni subatmosferice, cu puteri electrice sub 1 kw şi sunt parcurse de curenţi electrici cu intensităţi sub 1 A. Astfel de plasme sunt descărcarea corona şi descărcările luminiscente (inclusiv descărcările în câmpuri de radiofrecvenţă şi microunde). Plasmele non-termice sunt mai bune pentru prelucrarea unor materiale sensibile la temperatură. Temperatura electronică înaltă din aceste plasme asigură producerea de specii chimic active: purtători de sarcină electrică (electroni şi ioni), fragmente de molecule neutre (atomi şi radicali) şi molecule excitate (pe nivele electronice, rotaţionale sau vibraţionale). Reactivitatea acestor specii nu depinde numai de energia transportată de ele ci şi de diferiţi factori legaţi de structura lor: starea electronică a orbitalilor moleculari, starea vibraţională sau simetria dispunerii atomilor. Pentru a înţelege procesele chimice din plasmă, sistemul de reacţii trebuie considerat ca o serie de trei paşi succesivi: excitarea reactanţilor în descărcare, interacţiunea speciilor excitate în miezul plasmei, dispariţia speciilor active pe pereţii incintei de descărcare sau pe materialul ţintă care este prelucrat. Vom prezenta în continuare câteva dintre aplicaţiile chimiei plasmei. 7.1.1 Generarea de ozon Dezinfecţia, oxigenarea şi chimia sunt trei domenii în care ozonul are aplicaţii largi. De exemplu, ozonul ocupă un loc din ce în ce mai important în procesul de purificare a apei. El înlocuieşte clorul cu un gust şi un miros neplăcute. Deşi cantitatea de ozon produsă în descărcările electrice este destul de scăzută, acestea sunt calea cea mai bună pentru sinteza lui. Tehnica producerii lui a fost studiată timp îndelungat, iar acum ea se pretează la aplicarea pe scară industrială, se fac eforturi continue pentru mărirea randamentului reactorilor de ozon. Reacţia globală care descrie formarea ozonului: 3 O 2 2 O 3 (7.1) implică o energie W = 2,95 ev (presupunând că moleculele de O 2 şi O 3 sunt în stare fundamentală) cu un randament maxim de 1,2 kg/kwh. Reacţia de producere a ozonului: 110
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii O + O 2 + O 2 O 3 + O 2 (7.2) poate avea loc dacă în reacţiile de disociere se produc atomi de oxigen. În acelaşi timp însă au loc şi reacţii distructive: O 3 + O 2 O 2 + O 2 +O (7.3) şi O 3 + O 2O 2 (7.4) prima dintre ele reprezentând descompunerea termică a ozonului şi a doua, afectând nu numai ozonul ci şi speciile intermediare utile de atomi de oxigen. Producerea eficientă a ozonului se poate face controlând în mod adecvat aceste reacţii de bază, în primul rând prin controlul temperaturii care joacă un rol foarte important. Creşterea temperaturii reduce producerea de ozon şi accelerează reacţiile distructive, mai ales descompunerea termică. În al doilea rând, formarea atomilor de oxigen implică reacţii disociative care necesită existenţa unor câmpuri electrice intense. Ambele imperative, temperatură redusă pentru încetinirea reacţiilor distructive şi existenţa unui câmp electric intens pentru disocierea O 2, sunt satisfăcute în canalele strimerice ale descărcărilor corona şi în descărcările liniştite (silenţioase). Ultimul tip de descărcări se referă la descărcările cu barieră dielectrică, pentru că în reactorii pentru descărcări liniştite tensiunea înaltă alternativă se aplică între doi electrozi, dintre care cel puţin unul este acoperit cu un strat izolator, de exemplu sticlă. Bariera dielectrică împiedică formarea scânteilor şi descărcarea se poate stinge singură atunci când câmpul sarcinii electrice acumulate pe suprafaţa ei reduce câmpul electric local sub valoarea minimă necesară menţinerii descărcării. Geometria electrozilor descărcării este fie planară (electrozi plan paraleli), fie cilindrică (electrozi coaxiali). De asemenea, sunt folosite configuraţii asemănătoare cu cele din descărcările corona (un fir central aflat într-un tub de sticlă învelit într-o folie metalică). Un exemplu de tub de descărcare folosit în ozonizatoare este cel prezentat în Fig.7.1. Ozonizatorul este compus din câteva sute de astfel tuburi elementare identice, paralele. Fig.7.1 - Tub de descărcare pentru ozonizarea aerului. 111
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei Fiecare tub are o simetrie cilindrică. Electrodul cilindric interior este învelit într-un material izolator şi descărcarea are loc în spaţiul dintre electrozi, spaţiu prin care circulă aerul care trebuie purificat. Cu un astfel de ozonizator se pot produce aproximativ 70 g/kwh de ozon, ceea ce însemnă un randament cu puţin mai mare de 5%. Sursa de energie electrică ce alimentează un astfel de reactor pentru descărcări liniştite este foarte simplă, ceea ce face ca el să fie folosit în multe aplicaţii. Randamentul scăzut al ozonizatorului poate fi mărit pe de o parte prin alimentarea lui în impulsuri de tensiune cu o rată mare de repetiţie şi pe de alta prin uscarea prealabilă a aerului. Uscarea micşorează posibilităţile de creare a radicalilor OH excitaţi pe nivele vibraţionale prin ciocniri de tip electroni (sau atomi de O)-molecule H 2 O, radicali care apoi ar putea participa la reacţii de distrugere a ozonului. 7.1.2 Purificarea curenţilor de gaze Ploile acide, încălzirea globală, smogul şi sărăcirea stratului de ozon reprezintă unele dintre problemele importante cu care se confruntă azi întreaga lume. Tehnicile bazate pe plasmele reci oferă o abordare relativ economică a acestor probleme. Oxizii de azot (NO x ) şi dioxidul de sulf (SO 2 ), care sunt produşi primari ai proceselor de ardere a cărbunelui industrial şi ai arderilor combustibilului automobilelor, sunt principalii responsabili de ploile acide. Dioxidul de carbon (CO 2 ), care este rezultatul proceselor de ardere a combustibililor fosili (cărbune, ulei, gaze naturale), este răspunzător de efectul de seră. Compuşii volatili organici (cum ar fi cloroflorocarbonaţii) şi halogenii, reprezintă principala ameninţare a stratului de ozon şi contribuie la formarea de compuşi care pot conduce la încălzirea globală. Ei sunt folosiţi pe scară largă în instalaţiile de aer condiţionat şi de răcire, în industria electronică ca agenţi de curăţare sau industria chimică la fabricarea produşilor spumanţi. Funinginea şi hidrocarbonaţii evacuaţi odată cu gazele de eşapament contribuie la formarea smogului deasupra marilor aglomerări urbane. Tehnologiile convenţionale existente pentru tratarea acestor gaze toxice sunt practic limitate de către costurile financiare şi consumurile energetice. Plasmele non-termice oferă avantajul eficienţei energetice şi al îndepărtării simultane a poluanţilor. Aceste tehnici se bazează pe disocierea şi ionizarea gazului, rezultând radicali ai componentelor toxice. Cheia succesului în folosirea plasmelor non-termice constă în producerea unei descărcări în care energia electrică să fie folosită în principal pentru producerea electronilor energetici şi mai puţin pentru încălzirea gazului. Deşi electronii liberi, cu energii cuprinse între 5 şi 20 ev, au un timp de viaţă scăzut în descărcările la presiune atmosferică şi se ciocnesc destul de rar cu moleculele poluante, ei suferă multe ciocniri cu moleculele majoritare de azot, oxigen sau apă. Radicalii produşi în acest mod au un timp de viaţă lung şi reacţionează selectiv cu moleculele contaminante. Astfel, 112
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii moleculele de NO x şi SO 2 sunt transformate în acizi care reacţionează cu compuşii bazici injectaţi în dispozitiv, rezultând săruri sub formă de particule solide. Acestea sunt colectate în precipitatoare electrostatice sau electrofiltre (Fig.7.2). Fig.7.2 - Reprezentarea schematică a procesului de eliminare a oxizilor de azot şi dioxid de sulf. Înlăturarea moleculelor de NO x şi SO 2 din curentul de gaz este influenţată de cantităţile de H 2 O, NH 3 şi O 2 prezente în gazul tratat, dar şi de energia transmisă gazului pentru formarea ionilor şi radicalilor activi. Dioxidul de sulf poate fi înlăturat prin două mecanisme diferite. 1. Prin reacţii între radicali care au loc în prezenţa unui transfer de energie către gaze, reacţii în care SO 2 este transformat în sulfat de amoniu: SO 2 + OH HOSO 2 (7.5) HOSO 2 + O 2 HO 2 + SO 3 (7.6) SO 3 + H 2 O + 2NH 3 (NH 4 ) 2 SO 4 (7.7) 2. Prin reacţii spontane care se iniţiază chiar în absenţa energiei de transfer către gaze şi care conduc la formarea sulfaţilor şi sulfiţilor. Primul grup de reacţii contribuie la reducerea cu aproximativ 30% a conţinutului de SO 2 prezent în gaze. Următorul grup de reacţii este mai important din punct de vedere al cantităţii. Înlăturarea oxizilor de azot (NO x ) poate fi explicată prin următoarele reacţii: NO + O 3 NO 2 + O 2 (7.8) NO + O NO 2 (7.9) NO 2 + OH HNO 3 (7.10) NO 2 + NH 2 NH 2 NO 2 (7.11) 113
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei HNO 3 + NH 3 NH 4 NO 3 (7.12) Reacţiile (7.10) şi (7.11) nu pot elimina tot dioxidul de azot produs de reacţiile de oxidare (7.8) şi (7.9). Se crede că înlăturarea NO 2 este facilitată de reacţiile în fază eterogenă (de exemplu cu un gaz care trece printr-un filtru). Metoda cea mai eficientă de transferare a energiei electrice gazelor este prin aplicarea unor impulsuri pozitive foarte scurte (de regulă 200 ns) de înaltă tensiune unor electrozi asimetrici (conductor subţire central coaxial cu un cilindru exterior, o serie de conductori subţiri între doi electrozi plani conectaţi la masă). În aceste condiţii, descărcarea corona se dezvoltă prin strimeri care pornesc de la conductorii subţiri şi ating electrozii conectaţi la masă într-un interval de timp care variază între 20 şi 40 ns. Această descărcare corona nu produce străpungerea spaţiului de descărcare, durata totala a pulsului fiind de 1 µs. Cea mai mare parte a curentului printr-o astfel de descărcare este datorată electronilor, deoarece ionii au o mobilitate de aproximativ 500 de ori mai mică decât a electronilor. Aceasta are ca rezultat o eficienţă mare în procesul de eliminare a oxizilor de azot, deoarece curentul electronic poate iniţia reacţii chimice, iar curentul ionic nu. Strimerii traversează întreg spaţiul dintre electrozi producând cantităţi mari de specii active. Descărcarea corona sub formă de strimeri diferă de descărcarea corona liniştită prin următoarele particularităţi: 1. Zonele conţinând specii active au aspect de coadă stufoasă traversând spaţiul dintre electrozi fără a se rezuma doar la o descărcare globulară în apropierea electrodului generator de electroni sau la un strat luminiscent la suprafaţa stratului dielectric. 2. Descărcarea corona sub formă de strimeri este dominată de curenţii electronici spre deosebire de descărcarea corona liniştită în care curentul ionic este majoritar. 3. Strimerii sunt generaţi prin impulsuri foarte scurte de tensiune, în timp ce descărcările corona liniştite sunt generate în câmpuri continue sau periodice. Descărcările corona normale sunt folosite în procesele de precipitare a prafului. Înlăturarea particulelor materiale se face cu ajutorul precipitatoarelor electrostatice. Un astfel de precipitator (Fig.7.3) constă dintr-un grup de conductori subţiri paraleli (electrozii emiţători), plasaţi între electrozii plan paraleli (electrozii colectori). Descărcarea corona este generată în jurul electrozilor emiţători, generând sarcini ionice în gaz. Particulele solide conţinute în acesta sunt încărcate cu sarcină electrică şi migrează către electrozii conectaţi la masă datorită forţei electrice care acţionează asupra lor. Viteza de migraţie a particulelor depinde atât de intensitatea câmpului electric, cât şi de caracteristicile particulelor: v m = 2,95 10-12 p(e/s) 2 d/µ g (7.13) unde 1,5 < p < 2,4 depinzând de constanta dielectrică a particulei, s - distanţa dintre electrozii emiţători şi electrozii colectori, d diametrul particulei iar µ g este 114
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii vâscozitatea gazului.viteza reală de migraţie poate fi uşor diferită de cea calculată cu relaţia (7.13) şi ea de obicei se determină experimental. Fig.7.3 - Principiul precipitatorului electrostatic Atunci cînd particulele sunt preluate de electrozii colectori ele îşi pierd o parte din sarcina electrică care se scurge în pământ. Rezistivitatea electrică a particulelor face ca descărcarea lor să fie doar parţială, sarcinile rămase contribuind la creşterea forţei de reţinere a cenuşei pe plăci, unde aceasta formează un strat compact. Înlăturarea acestuia se face prin scuturarea plăcilor, particulele fiind adunate în nişte coşuri plasate în parte de jos a precipitatorului. Lungimea L a precipitatorului, măsurată în direcţia de curgere a gazului, care este necesară pentru înlăturarea unor particule de o anumită dimensiune se obţine egalând timpul necesar unei particule să migreze către electrozii de colectare cu timpul necesar gazului să parcurgă lungimea precipitatorului: L = s v g /v m (7.14) unde v g este viteza de curgere a gazului. Randamentul de colectare al precipitatorului, η d, este definit ca masa particulelor de o anumită diemensiune reţinute pe electrozii colectori raportată la masa totală a particulelor de aceeaşi dimensiune care intră în precipitator. Ea este dată de expresia: η d = 1- exp(-av m /Q) x (7.15) unde A este aria suprafeţelor colectoare ale electrozilor, Q debitul volumic de gaz pe fiecare placă, x variabilă dependentă de geometria precipitatorului, din datele experimentale rezultând pentru ea o valoare de aproximativ 0,5. 115
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei În precipitatoarele convenţionale care funcţionează în curent continuu este folosită polarizarea negativă deoarece s-a constatat că randamentul de colectare este mai bun. Dacă rezistivitatea electrică a paticulelor este mare, căderea de tensiune pe stratul de cenuşă colectată devine suficient de mare pentru a produce o străpungere locală, fenomen denumit uzual back corona. Particulele şi ionii încărcaţi cu sarcină opusă sunt împinse înapoi în curentul de gaz de către această back corona, afectând randamentul de colectare. Performanţele precipitatoarelor electrostatice pot fi îmbunătăţite combinând tensiunea continuă de polarizare cu impulsuri scurte de tensiune. Operarea în impulsuri a descărcării corona face posibilă aplicarea unei tensiuni mai înalte, fără pericolul apariţiei scânteilor, rezultând o descărcare corona mult mai uniformă dea lungul suprafeţei conductorilor subţiri. Deoarece tensiunea medie poate fi mai mică decât în modul de operare numai în curent continuu, densitatea de curent ionic în spaţiul interelectrodic va fi şi ea mai mică. Aceasta ajută prevenirea formării descărcării back corona prin micşorarea căderii de tensiune pe stratul de particule prezent pe electrodul colector. 7.1.3 Interacţiuni de suprafaţă cu solidul Există trei modalităţi prin care plasma poate interacţiona cu suprafaţa unui corp solid. În primul caz plasma şi solidul sunt în contact fizic, sunt izolate din punct de vedere electric şi sunt într-o interacţiune staţionară. Contactul fizic este realizat prin plasarea solidului în sau sub jetul de gaz în volumul căruia este generată plasma. Astfel plasma se poate extinde pe suprafaţa solidului. Izolarea electrică înseamnă că nu există un curent net prin suprafaţa de separare plasmăsolid şi, drept urmare, potenţialul suprafeţei solidului este flotant, fiind acelaşi cu al plasmei. Un exemplu de astfel de interacţiune este acela al unei foi de polietilenă imersată într-o plasmă de radiofrecvenţă care nu este în contact cu electrozii de menţinere a descărcării. În al doilea tip de interacţiune staţionară plasma şi solidul sunt atât în contact fizic cât şi electric. Solidul poate fi chiar unul dintre electrozii de susţinere a plasmei sau poate să nu fie implicat în procesul de generare a plasmei dar poate fi conectat la un potenţial electric. Contactul electric presupune existenţa unui curent prin suprafaţa de separare plasmă-solid. Existenţa acestui curent poate influenţa reacţiile de suprafaţă determinând modificări în compoziţia plasmei şi a gazului la suprafaţa solidului. Un exemplu clasic este catodul metalic al unei descărcări luminiscente. În acest caz solidul este folosit ca electrod al descărcării dar, în acelaşi timp, suprafaţa sa suferă modificări chimice prin interacţiunea cu constituenţii plasmei. Al treilea caz implică interacţiuni nestaţionare în care solidul este în contact fizic cu plasma dar nu şi în contact electric. Astfel de condiţii se întâlnesc atunci când particule solide se află în mişcare prin miezul plasmei. În acest paragraf vom discuta doar de interacţiunile staţionare în care corpul solid se află în repaus. Aceste procese, care implică un contact direct între plasmă şi solid pot fi clasificate în trei categorii: 116
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii 1. interacţiuni chimice (oxidarea, nitrurarea etc.) 2. interacţiuni mecanice (pulverizarea catodică) 3. interacţiuni electrostatice (încărcarea cu sarcină electrică a materialului izolator) Suprafaţa solidului reprezintă unul dintre partenerii de reacţie, fie că este reactant (cazul gravării sau corodării), fie că este produs de reacţie (cazul acoperirii cu un strat subţire). Solidul poate interacţiona pe întreaga lui suprafaţă (de exemplu nitrurarea metalelor) sau interacţiunea plasmă-solid poate avea loc numai în zone bine determinate (tratarea polimerilor). Efectele interacţiunii pot fi foarte diferite, în funcţie de energia cinetică transportată de particulele incidente, de natura mai mult sau mai puţin izolatoare a suprafeţei implicate în interacţiune, precum şi de polaritatea ei dacă este vorba despre un material conductor. Atunci când au loc reacţii chimice cu suprafaţa materialului, plasma poate produce diferite modificări ale acesteia: 1. În urma interacţiei cu oxigenul poate să crească aderenţa la lichide prin formarea de grupări polare, se pot forma locuri în care se pot ataşa alte molecule, se pot înlătura impurităţile sau se pot depune straturi protectoare. 2. Interacţiunea cu azotul determină curăţirea suprafaţei de radicali liberi, distrugerea compuşilor organici, formarea lanţurilor carbon-azot şi creşterea rezistenţei mecanice. 3. Florul micşorează aderenţa la lichide a suprafeţei solide, reduce posibilitatea formării straturilor nereactive pe suprafeţele polimerilor, influenţează coeficienţii de frecare ai metalelor. 4. Hidrogenul regenerează zonele active din punct de vedere chimic ale suprafeţei solide. De asemenea, plasma poate acţiona în sensul formării de radicali pe suprafaţa solidului, care va putea astfel reacţiona cu alte materialele sau mediile cu care este pusă în contact. Principalele modificări care pot avea loc în procesul de interacţiune dintre plasmă şi polimeri sunt: creşterea aderenţei la lichide, mărirea greutăţii moleculare a stratului superficial şi modificarea compoziţiei chimice a suprafeţei polimerului. În majoritatea cazurilor, efectele interacţiunii plasmă-polimer se reduc la o adâncime cuprinsă între 1 şi 10 µm. Datorită acestui fapt, proprietăţile de volum ale polimerului rămân neschimbate. Aderenţa la lichide a suprafeţei polimerului, definită ca unghiul de contact dintre o picătură de lichid şi suprafaţă, este o caracteristică importantă care este legată de aderenţa coloranţilor, cernelurilor şi adezivilor pe polimer. Polimerii au tendinţa să fie inerţi şi de aceea nu se poate scrie sau desena pe ei. Un exemplu tipic de folosire a lor îl reprezintă izolaţiile firelor şi cablurilor de conexiune electrică. În urma interacţiei suprafeţei polimerice cu plasma creşte aderenţa lichidelor şi polimerii pot fi etichetaţi. În Tabelul 7.1 Sunt prezentate sintetic principalele procese de interacţiune plasmă-suprafaţă polimerică şi efectele lor asupra suprafeţelor polimerice. 117
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei Tabelul 7.1 PROCESUL DE INTERACŢIUNE Procese fizice - ciocniri cu electronii, ionii şi particulele neutre - efecte termice - captarea sarcinilor (ioni sau electroni) în reţeaua atomică Procese chimice - acţiuni ale speciilor activate - difuzia în material a speciilor activate EFECTUL ASUPRA SUPRAFEŢEI POLIMERULUI creşterea rugozităţii suprafeţei micşorarea cristalinităţii materialului creşterea potenţialului superficial curăţirea suprafeţei oxidarea moleculelor micşorarea greutăţii moleculare ruperea sau legarea lanţurilor moleculare (în funcţie de compoziţia gazului) şi creşterea sau descreşterea porozităţii Procesele care duc la creşterea aderenţei lichidelor şi-au găsit o aplicabilitate largă în industria de ambalaje, electronică, construcţii sau în industria confecţiilor. De exemplu, siliconul este un material cu proprietăţi electrice şi termice superioare (rezistivitate electrică şi stabilitate termică mari). El poate fi topit foarte uşor dar este puţin rezistent la acţiunea factorilor de mediu, ceea ce împiedică folosirea sa ca material pentru încapsularea echipamentelor electronice miniaturale sau de înaltă tensiune. Rezistenţa sa la acţiunea mediului poate fi îmbunătăţită prin tratamentul în plasmă care permite răşinilor epoxidice să protejeze suprafaţa siliconului. Un număr mare de piese din echipamentele electronice sunt încapsulate în silicon, apoi sunt expuse unei plasme cu oxigen şi îmbrăcate în răşini epoxidice. Această tehnică creşte calitatea capsulei şi micşorează greutatea şi dimensiunile totale ale echipamentelor. In general, expunerea polimerului într-o plasmă de oxigen are ca efect creşterea aderenţei la lichide şi modificări în greutatea moleculară. Plasma gazelor nobile nu are efect decât asupra greutăţii moleculare. Plasma este folosită şi pentru modificarea proprietăţilor suprafeţelor metalelor, cum sunt coeficientul de frecare, rezistenţa la uzură, rezistenţa mecanică sau rezistenţa la coroziune. Implantarea ionică este un proces prin care într-un material gazdă sunt introduse elemente de aliere prin accelerarea lor la energii suficient de înalte pentru a le permite impactul cu suprafaţa ţintei. În funcţie de numărul atomic şi de energia lor, ionii pot pătrunde în materialul ţintă până la adâncimi cuprinse între 0,01 şi 1 µm, formând pe substrat un strat aliat dens. Deşi prin implantare ionică se poate modifica compoziţia, structura şi natura 118
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii suprafeţei metalice, prin această tehnică sunt evitate multe dintre dificultăţile altor tehnici de acoperire superficială. Tratamentul poate fi realizat la temperaturi suficient de mici (adesea chiar la temperatura camerei), astfel încât proprietăţile de volum ale materialului rămân nealterate. De asemenea, nu se modifică în mod semnificativ dimensiunile geometrice ale ţintei iar stratul superficial tratat rămâne parte integrantă a solidului, fără a apare discontinuităţi şi probleme de adeziune ca în cazul celorlalte tehnici. Într-un reactor pentru implantare ionică proba metalică este aşezată pe un suport izolator în centrul incintei vidate. Sursa de tensiune continuă este conectată la probă, aceasta îndeplinind şi rolul de catod al descărcării luminiscente. Pentru nitrurare ionică sistemul este umplut cu un amestec de azot şi hidrogen la o presiune cuprinsă între 1 şi 10 torr. Metalul ţintă (proba) este atât în contact electric cât şi fizic cu plasma. Curentul prin descărcare reprezintă un element important al procesului de interacţiune, afectând chimia suprafeţei. În cazul nitrurării ionice într-o plasmă de radiofrecvenţă, schema proceselor elementare care au loc este următoarea: 1. prin ciocnirea electronilor liberi cu moleculele de azot şi hidrogen se formează speciile active în fază gazoasă 2. speciile active sunt adsorbite la suprafaţa de contact plasmă-solid 3. speciile adsorbite reacţionează chimic cu reţeaua atomică de la suprafaţa metalului 4. azotul de pe suprafaţa nitrurată suprasaturată difuzează în metal. Plasmele de microunde sunt folosite pentru nitrurarea unei varietăţi largi de metale, cum sunt: Ti, Zr, oţelul, W, Mo. Alte procese de implantare ionică sunt: 1. Carburarea, care se desfăşoară într-o plasmă de metan la temperaturi de 850 1050 o C, în prezenţa unei descărcări în hidrogen care are rolul de a curăţa prin pulverizare materialul tratat 2. Borurarea, folosită pentru creşterea rezistenţei mecanice dar şi a capacităţii oţelurilor de a rezista la uzură şi la acţiunile agenţilor chimici corozivi 3. Titanarea Industria semiconductorilor reprezintă poate cel mai atractiv domeniu de aplicare a proceselor chimice care au loc în plasmă, deoarece în acest mod se reduce la aproximativ jumătate numărul etapelor procesului de fabricare a unor dispozitive semiconductoare, comparativ cu metodele chimice tradiţionale. De asemenea, metodele cu plasmă se pretează foarte bine proceselor de automatizare a tehnologiei. În toate procesele de fabricaţie din industria semiconductorilor punctul de plecare îl constituie un substrat uniform sau o pastilă de siliciu, germaniu sau arseniură de galiu. Substratul este supus unei serii de tratamente chimice şi termice care-i modifică proprietăţile pe suprafeţe foarte bine determinate. 119
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei Definiţia (fineţea) prelucrării este asigurată prin fotolitografiere: un strat fotosensibil de polimer, numit fotorezist, este aplicat pe suprafaţa substratului şi apoi, printr-o mască foarte exactă, este supus acţiunii radiaţiilor ultraviolete sau radiaţiilor X emise de un fascicol de electroni. Radiaţia iniţiază o reacţie chimică în polimer, formând un şablon exact definit de către mască. Şablonul este developat, înlăturându-se suprafeţele de polimer neiradiate. Apoi pastila este introdusă într-o soluţie de corodare care atacă suprafeţele neprotejate. Fineţea liniilor (traseelor) astfel obţinute poate fi mai mică de 0,5 µm. Tehnologiile de corodare în plasmă se bazează pe acţiunea exercitată asupra substratului de două clase de specii chimice reactive formate într-o descărcare luminiscentă: atomii şi radicalii. De regulă atomii sunt responsabili de corodarea substratului iar radicalii formează adesea depuneri care pot reduce capacitatea de corodare a descărcării. Deşi de cele mai multe ori este o complicaţie inutilă, formarea acestor depuneri poate fi folosită pentru controlul anizotropiei procesului tehnologic (Fig.7.4). În gazele care sunt compuşi ai florului de tipul CF 4, C 2 F 6 sau SF 6, atomii de flor au rolul de corodant, în timp ce radicalii de tipul CF x (CF, CF 2, CF 3 ) şi SF x reprezintă specii polimerizatoare. În compuşii clorului de tipul CCl 4 şi BCl 3 corodanţii sunt atomii de clor (sau moleculele de gaz), în timp ce radicalii de tipul CCl x şi BCl x sunt răspunzători de formarea depunerilor. Radicalii nesaturaţi sunt şi ei capabili să formeze depuneri pe suprafeţe. Dacă concetraţia lor în gaz este suficient de mare, se pot forma depuneri de straturi pe toate suprafeţele expuse plasmei care nu sunt expuse bombardamentului ionic. În general, radicalii nesaturaţi sunt precursorii depunerilor polimerice. Fig.7.4 - Corodarea anizotropică realizată prin mecanismul de blocare a corodării pereţilor (depunerile se fac numai pe suprafeţele neexpuse bombardamentului ionic). Se vede deci că întotdeauna este o competiţie între procesul de corodare şi cel de depunere, procesul dominant depinzând de condiţiile de operare: concentraţia speciilor, gradul de bombardare ionică, temperatura, aditivii, etc. Uneori, această competiţie poate fi folosită pentru realizarea proceselor 120
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii anizotropice prin bombardament cu ioni cu energie mică. Acest mecanism foarte important constă în formarea unui film foarte subţire numai pe pereţii laterali ai spaţiului corodat, în timp ce chiar un bombardament ionic uşor este capabil să cureţe şi să corodeze suprafaţa perpendiculară. În cazul chimiei bazate pe flor, nivelul concentraţiei de atomi de flor (deci capacitatea plasmei de corodare) poate fi controlată prin adăugarea de CF 4, C 2 F 6 sau SF 6. Reacţia oxigenului cu radicalii CF x formează compuşi oxidaţi de carbon, eliberează atomi de flor şi reduce rata de recombinare a acestora. Arderea în plasmă este procesul de înlăturare a stratului fotorezistiv prin reacţia cu oxigenul la temperaturi mai mici de 40 o C. Rata de înlăturare a fotorezistului este funcţie de debitul de oxigen prin sistem, de presiunea în reactor şi de nivelul puterii de radiofrecvenţă. Procedeul de înlăturare a fotorezistului este foarte simplu. După corodare şi spălare, pastilele sunt puse în poziţie verticală într-o cuvă de cuarţ care este introdusă în incinta reactorului vidat la o presiune mai mică de 10-2 torr. Apoi, în incintă se introduce oxigen şi se amorsează descărcarea de radiofrecvenţă prin cuplaj inductiv. Timpul după care trebuie întreruptă alimentarea cu oxigen şi se opreşte tensiunea de radiofrecvenţă se stabileşte experimental. 7.1.4 Depunerea de straturi subţiri în plasmă Acoperirea suprafeţelor cu filme groase sau subţiri dintr-un anumit material are o importanţă din ce în ce mai mare nu numai în procesul de fabricare a componentelor electronice, dar şi în confecţionarea dispozitivelor optice, a materialelor biomedicale şi a straturilor protectoare uşoare pentru aparatele de zbor. Materialele care se depun sunt diverse: filme subţiri organice sau anorganice, ceramici, metale, aliaje, polimeri sau materiale compozite. Straturile depuse au un rol de protecţie împotriva coroziunii, uzurii, acizilor, căldurii sau a altor influenţe din mediul înconjurător. În multe cazuri filmele sunt depuse pentru a îndeplini o anumită funcţie: ferestre sau filtre optice, părţi conductoare de căldură, dispozitive microelectronice. Alături de tehnicile convenţionale de depunere a straturilor subţiri (evaporarea sau electrodepunerea), procesele din plasmă joacă un rol din ce în ce mai important în realizarea unor astfel de filme. Tehnicile de depunere chimică în plasmă prin evaporare permit realizarea unor straturi mai subţiri de 1µm. În aceste procese, mecanismele ion-moleculă şi radical-moleculă sunt responsabile de disocierea moleculelor organice şi organicanorganice şi de formarea speciilor polimerice în stare de plasmă. Introducerea gazelor inerte stimulează disocierea monomerilor şi, prin aceasta, sporeşte rata de depunere. Acelaşi efect este obţinut prin iradierea suplimentară cu o radiaţie electromagnetică (de exemplu o radiaţie laser). Pentru confinarea plasmei, pentru transportul şi chiar pentru reciclarea ei sunt folosite câmpuri magnetice adiţionale. Una dintre calităţile ce nu pot fi obţinute cu alte tehnici este gradul înalt de aderenţă la substrat a filmului depus. 121
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei Există extrem de multe metode de producere a plasmei în scopul folosirii ei pentru depuneri, sursele de energie putând fi cuplate în diferite moduri la reactoarele de plasmă. Proprietăţile mediului de plasmă pot fi controlate cu ajutorul debitului de gaz, temperaturii, curentului, tensiunii, duratei impulsurilor de putere sau a unor câmpuri magnetice. Procesul de depunere a unui film include trei etape: 1. formarea în plasmă a monomerilor (ioni, radicali liberi, specii excitate) 2. interacţiunea acestor specii cu moleculele superficiale 3. formarea pe suprafaţa substratului a filmului polimeric Noile specii formate prin adsorbţie şi reacţii chimice sunt apoi ţinta unor componente energetice din plasmă, inclusiv fotoni cu energie înaltă. Acesta este un proces continuu care determină modificări suplimentare ale particulelor componente ale filmului, inclusiv legături suplimentare. Datorită acestui fapt, filmele organice formate într-un mediu de descărcare luminiscentă sunt în general amorfe şi de regulă prezintă o ordine structurală foarte mică. În procesul de fabricare a dispozitivelor electronice, depunerile în plasmă şi creşterea de filme dielectrice anorganice reprezintă tehnologii foarte avantajoase. Măştile de difuzie ca şi straturile izolatoare sunt realizate din astfel de filme. Nitrura de siliciu (Si 3 N 4 ), dioxidul de siliciu (SiO 2 ) şi oxinitrurile de siliciu (Si x O y N z ) reprezintă materiile prime folosite în procesul de difuzie. De exemplu, reacţia pentru depunerea Si 3 N 4 este următoarea: 3SiH 4 + 4NH 3 Si 3 N 4 + 12H 2 (7.16) şi poate fi realizată într-o descărcare luminiscentă (Fig.7.5). Fig.7.5 - Depunerea filmelor dielectrice în descărcarea luminiscentă. Substratul este plasat pe un radiator încălzit de aluminiu în interiorul camerei de reacţie, confecţionată din cuarţ. Gazele reactante sunt amestecate 122
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii înainte de a fi introduse în cameră prin partea ei inferioară iar puterea de radiofrecvenţă este furnizată amestecului de gaze prin cuplaj inductiv, folosind o bobină cu două spire înfăşurate în jurul camerei. Camera este vidată la aproximativ 3. 10-3 torr iar substratul este adus la temperatura dorită. Pentru curăţirea premergătoare depunerii se amorsează o plasmă de argon pentru aproximativ 10 minute, la presiunea de 2-3 torr. Apoi, se introduc gazele reactante cu debitul dorit şi se amorsează descărcarea luminiscentă. Rata depunerii filmului este dependentă de puterea de radiofrecvenţă şi de cantitatea de silan din reactant. Un sistem similar poate fi folosit pentru depunerea oxidului de siliciu dacă se adaugă oxid de azot în reacţia (7.16). În procesul de depunere a filmelor prin pulverizare reactivă (reactive sputtering) atomii sunt expulzaţi dintr-o ţintă metalică sau izolatoare prin transfer de impuls de la ionii pozitivi din plasmă. Pentru transferul materialului ţintei dintr-o fază condensată (solidă sau lichidă) în fază de vapori se foloseşte activarea termică, procesul numindu-se de evaporare reactivă. Următorii paşi ai celor două tehnologii sunt similari: (a) transportul speciilor vaporizate de la ţintă către substrat şi (b) creşterea filmului pe substrat. În ambele tehnologii ţinta supusă pulverizării sau evaporării reprezintă şi materialul care trebuie depus. Ţinta şi substratul sunt expuse descărcării luminiscente în acelaşi reactor. Procesele sunt foarte complexe, ele incluzând disocierea compusului în fragmente, transportul pe suprafaţa substratului şi recombinarea şi formarea compusului depus pe substrat. Avantajul evaporării reactive faţă de pulverizarea reactivă constă în posibilitatea modificării distanţei dintre sursă şi substrat fără o reducere semnificativă a ratei de depunere. În general, evaporarea reactivă asigură o rată de depunere mai mare decât pulverizarea reactivă. O prezentare comparativă a celor două tehnologii de depunere esta dată în Tabelul 7.2. Tabelul 7.2 VARIABILA DE PROCES EVAPORARE REACTIVĂ PULVERIZARE REACTIVĂ Presiunea 10-3 10-4 torr 10-2 10-3 torr Distanţa sursă-substrat 20 25 cm 4 6 cm Gaz folosit Energia electronilor Potenţialul substratului în raport cu plasma gazul reactiv: a 2 H 2, N 2, O 2 etc 5 20 ev câţiva volţi gazul reactiv + un amestec de gaze inerte funcţie de puterea de intrare şi presiune (tipic 50 100 ev) funcţie de puterea de intrare şi presiune (tipic câteva sute de volţi) În unele dintre tehnologiile de fabricaţie a circuitelor integrate (bipolare, CMOS, de microunde, dispozitive fotoelectronice) o etapă importantă a procesului tehnologic o reprezintă epitaxia siliciului în mediul de plasmă. Această 123
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei metodă asigură o reactivitate chimică înaltă a creşterii epitaxiale la temperaturi joase şi migrarea atomilor pe suprafaţa depusă pe cristal. După cum a reieşit din cele câteva exemple prezentate anterior, avantajele tehnologiilor bazate pe chimia plasmei pot fi rezumate după cum urmează: (1) calitatea ridicată a produselor; (2) costul redus al tehnologiei (manoperă, energie, materiale); (3) limitarea proceselor chimice întâmplătoare. 7.2 Aplicaţii ale plasmelor termice Principala utilizare a plasmei termice sau a plasmei aflată la echilibru, în care temperatura gazului este aproape identică cu temperatura electronilor, este ca sursă de căldură cu temperaturi foarte înalte. Toate tehnologiile cu plasmă termică, tehnologii considerate de perspectivă în anii 80, se aplică acum la o scară mai mult sau mai puţin largă în diferite sectoare de producţie. În acest paragraf ne vom referi doar la cele cu cea mai largă extindere: cuptoarele cu arc electric, sudura metalelor cu arc electric în atmosferă controlată, tăierea cu plasmă şi pulverizarea cu plasmă. 7.2.1 Cuptoare cu arc Una dintre aplicaţiile arcului electric de mare intensitate cu electrozi de carbon este topirea cantităţilor mari de metale. Această tehnologie a fost introdusă de către Heroult încă la începutul secolului XX, ea fiind folosită şi astăzi cu doar câteva mici îmbunătăţiri. În principiu ea se bazează pe alimentarea cu tensiune trifazată a trei electrozi confecţionaţi din grafit (Fig.7.6). Fig.7.6 - Principiul furnalului cu arc electric. Arcul electric este amorsat între vârfurile electrozilor şi metalul care trebuie topit. Distanţa dintre electrozi şi metal este controlată printr-o reţea electrică de reacţie, astfel încât intensitatea curentului prin arc să fie păstrată constantă. Pentru minimizarea fluctuaţiilor inevitabile ale curentului în timpul operaţiunii, în circuit este introdusă o inductanţă de balast. De asemenea, este necesar şi un control al tensiunii aplicate pe electrozi. 124
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii Cuptoarele moderne au capacităţi de peste 100 de tone şi lucrează la puteri de ordinul megawaţilor. Suporţii electrozilor sunt răciţi cu apă pentru a fi protejaţi la supraîncălzire. Pentru prelucrarea metalelor cu punct de topire ridicat au fost construite cuptoare cu arc în vid sau în gaze inerte, care asigură condiţii de puritate mare, condiţii care nu pot fi realizate cu echipamentele convenţionale. În aceste cuptoare arcul este amorsat între un electrod confecţionat din metalul care trebuie topit şi o incintă din cupru masiv, răcită cu apă, pentru a se evita contaminarea metalului cu atomi de cupru (Fig.7.7). Pe măsură ce arcul topeşte electrodul, metalul topit cade în incintă formând un lingou iar electrodul se deplasează în jos pentru menţinerea arcului electric care poate fi stabilizat cu un câmp magnetic. Căderea de tensiune pe arc este menţinută constantă cu ajutorul unui circuit electronic, astfel încât puterea consumată de arc este direct proporţională cu intensitatea curentului (pentru un lingou de oţel cu un diametru de 65 cm curentul măsurat a fost de mii de amperi). Fig.7.7 - Furnal cu electrod consumabil. În alte configuraţii constructive metalul care trebuie topit este plasat în incintă şi arcul este amorsat între el şi un electrod din tungsten sau grafit care nu se consumă. În cuptoarele cu arc în gaz inert cel mai des se foloseşte argonul sau heliul. 7.2.2 Sudura cu arc Temperatura înaltă a unui arc electric la presiune atmosferică este folosită de multă vreme pentru sudura diverselor metale, asigurănd o rezistenţă foarte mare a îmbinării sudate. Sudura cu arc este una dintre cele mai cunoscute tehnologii de sudură. De regulă, arcul este amorsat între piesa de lucru şi un electrod metalic consumabil care are rolul şi de material de umplere. Electrodul 125
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei este deplasat manual sau automat de-a lungul îmbinării cu o viteză potrivită. El este o bară de metal care poate fi acoperită cu un material ce are diverse roluri. În unele aplicaţii acest strat este foarte subţire şi conţine săruri care pot îmbunătăţi stabilitatea arcului prin introducerea în acesta a unor elemente cu potenţial scăzut de ionizare. Straturile mai groase sunt mult mai folosite şi conţin materiale care sunt utile la protejarea arcului faţă de atmosfera înconjurătoare. Gazele formate prin vaporizarea sau combustia stratului acoperitor formează o manta în jurul arcului şi o zgură la suprafaţa sudurii, care protejează metalul topit împotriva oxidării şi formării incluziunilor de impurităţi. Materialul stratului acoperitor este mult mai puţin volatil decât materialul electrodului, ceea ce nu permite acestuia din urmă să se evapore în exterior. Mantaua astfel formată ajută la concentrarea arcului şi reduce pierderile termice, asigurând astfel o creştere a temperaturii, vitezei şi adâncimii de penetrare a sudurii. Zgura formată în timpul sudurii este înlăturată foarte uşor după răcirea îmbinării sudate. În sudura cu arc de contact, stratul acoperitor al electrodului este foarte gros şi are o conductibilitate electrică apreciabilă. Arcul poate fi amorsat prin atingerea de material a acestui strat, iar lungimea arcului este păstrată constantă prin menţinerea permanentă a acestui contact. Alimentarea unui astfel de arc poate fi realizată atât în curent alternativ cât şi în curent continuu, intensitatea curentului consumat fiind cuprinsă între 30 şi 500 A, sub o tensiune de alimentare cuprinsă în intervalul 40 15V. Dacă se foloseşte alimentarea în curent continuu, electrodul este conectat la un potenţial negativ iar piesa de lucru la unul pozitiv. Este important ca punctul de funcţionare pe caracteristica volt-amperică să fie poziţionat pe o porţiune cu pantă negativă a ei, pentru a fi posibil controlul curentului şi tensiunii pe arc. Pentru realizarea unei suduri uniforme şi rezistente, este necesară controlarea atât a lungimii arcului electric pe măsură ce electrodul se consumă, cât şi a vitezei cu care electrodul este deplasat de-a lungul îmbinării. Un arc prea lung este instabil şi provoacă depuneri nedorite de metal. Mecanismul de transfer al metalului topit de la electrod spre îmbinarea sudată este influenţat de gravitaţie şi de tensiunea superficială care atrage picăturile de la electrod spre materialul topit formând sudura. Tensiunea superficială poate fi un ajutor atunci când electrodul nu poate fi plasat deasupra sudurii, ea anulând efectul gravitaţiei. În acest caz trebuie generat un arc electric scurt, cu un electrod cu diametru mic. În cazul folosirii unui arc electric alimentat în curent alternativ, forţele electrostatice pot acţiona şi ele în sensul atragerii picăturilor spre material. O caracteristică a descărcărilor care presupun un curent cu intensitate mare este efectul pinch, care este o îngustare a canalului de scurgere a curentului sub acţiunea forţelor de interacţiune dintre curent şi propriul său câmp magnetic. El joacă un rol important în mecanismul de transfer al materialului, ajutând picăturile de metal topit să se separe de electrod. 126
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii Fig.7.8 - Sudura cu arc electric în atmosferă de gaz inert, cu electrod consumabil. Uneori este necesară efectuarea sudurilor în atmosferă controlată de gaz ionizat (argon sau heliu). În această situaţie argonul sau heliul este introdus printro duză care înconjoară electrodul, asigurând o protecţie totală a arcului şi metalului împotriva atmosferei de oxigen. Acest sistem permite sudura materialelor care altfel ar fi foarte greu sau chiar imposibil de sudat, datorită oxidării aproape instantanee a lor în aer (de exemplu aluminiul). Electrodul poate fi neconsumabil, confecţionat dintr-un material cu temperatură de topire ridicată (wolfram), caz în care este necesar un material de umplere sau, dacă se sudează materiale mai groase, electrodul este din material consumabil (Fig.7.8). În cazul sudurii în atmosferă de hidrogen atomic, se folosesc doi electrozi din wolfram iar hidrogenul este introdus prin duze care înconjoară fiecare electrod. Conductivitatea termică bună datorată disocierii asigură crearea unei plasme uniforme cu temperatură ridicată şi permite un transfer de căldură eficient. De asemenea, efectul reducător al atmosferei de hidrogen protejează metalul la oxidare şi exclude formarea impurităţilor. Pentru o sudură rezistentă este necesară folosirea unui material de umplere a îmbinării sudate. 7.2.3 Tăierea cu plasmă Temperatura ridicată a unui arc electric poate fi folosită şi pentru tăierea metalelor. În torţa cu plasmă arătată în Fig.7.9 se poate realiza o temperatură de aproximativ 17000 K. În aceste condiţii, materialul este topit foarte rapid şi cade din zona tăiată. Efectul combinat al temperaturii foarte mari şi al acţiunii jetului de gaz produce o tăietură foarte îngustă, uniformă şi foarte curată comparativ cu tăierea mecanică. Drept gaze pentru obţinerea jetului de plasmă se folosesc argonul, heliul, hidrogenul sau amestecuri de argon (65-80%) şi hidrogen (20-35%). Amorsarea arcului se face în două etape: (a) la început, datorită distanţei mici dintre electrod şi diafragma prin care este obligat să treacă jetul de plasmă, se 127
Capitolul VII Aplicaţii tehnologice ale plasmei formează un arc secundar; (b) apoi, prin creşterea debitului de gaz şi aducerea piesei în dreptul duzei, se formează arcul principal între electrod şi piesă iar arcul secundar dispare. Fig.7.9 - Reprezentarea schematică a tehnologiei de tăiere cu plasmă; a) generarea jetului de plasmă; b) transferul arcului către piesa de lucru. 7.2.4 Pulverizarea cu plasmă În tehnologia pulverizării cu plasmă, arcul electric reprezintă transportorul materialului care urmează să fie depus. Materialul se prezintă sub formă de macroparticule cu diametre cuprinse între câţiva micrometri şi câteva zeci de micrometri. În jetul de plasmă, aceste macroparticule au suprafaţa parţial topită şi miezul în stare solidă sau se prezintă sub forma unor picături complet fluide. Praful care reprezintă materialul ce urmează să fie depus este injectat în jetul de plasmă şi este accelerat de către acesta către substrat (Fig.7.10). 128
S.D. Anghel Fizica plasmei şi aplicaţii Fig.7.10 - Principiul pulverizării cu plasmă. Jetul de plasmă este generat de către un arc electric amorsat între un catod cilindric şi un anod toroidal, prin expansiunea termică a acestuia printr-un orificiu al anodului. Pentru accelerarea şi dirijarea jetului de plasmă se pot folosi diferite configuraţii de câmpuri magnetice. O altă metodă de generare a jetului de plasmă este ionizarea fără electrozi a unui gaz rar într-un câmp de microunde la o presiune până la o atmosferă. Există o mare varietate de pulberi care pot fi pulverizate în plasmă, cu diverse distribuţii ale dimensiunilor particulelor: Al 2 O 3, TiO 2, Cr 2 O 3, ZrO 2, Cr 3 C 2 - NiCr. Grosimile straturilor depuse sunt până la câţiva milimetri. Datorită faptului că se depun particule discrete, acoperirea prin pulverizare în plasmă asigură suprafeţelor o anumită rugozitate care este necesară în unele procese industriale. 7.3 Surse de lumină cu plasmă Una dintre cele mai răspândite aplicaţii ale gazelor ionizate o reprezintă folosirea lor la fabricarea surselor de lumină. În fiecare an, în lume se produc peste 1,5 miliarde de corpuri de iluminat cu descărcare în gaze. Tabelul 7.3 CARACTERISTICA LĂMPII LĂMPI DE ÎNALTĂ PRESIUNE CU MERCUR LĂMPI DE JOASĂ PRESIUNE CU MERCUR Putere consumată 400 W 36 W Diametrul tubului de descărcare 19 mm 24 mm Distanţa dintre electrozi 72 mm 1120 mm Presiunea vaporilor de mercur 4. 10 5 Pa 1 Pa Presiunea gazului rar 2. 10 4 Pa 200 Pa Intensitatea curentului prin descărcare 3,2 A 0.44 A Temperatura gazului pe axa tubului 6000 K 320 K Temperatura electronică 6000 K 13000K 129