当前位置:主页 > 科技论文 > 物理论文 >

大气压射频等离子体的产生及其在涂层制备中的应用研究

发布时间:2020-05-18 07:21
【摘要】:涂层技术应用广泛,涂覆涂层于工件表面可以有效提高工件性能、延长工件使用寿命、降低工件制备成本;有些器件则直接为涂层的形式,如印刷电路板等。随着科学技术的发展,对涂层制备要求越来越高,对涂层制备技术也提出了较高的要求。大气压射频等离子体技术具有装置结构简单、环境友好等优点,在涂层制备领域中受到越来越多的关注。大气压射频等离子体存在两种放电模式:一种是轴向分布静电场引起的容性耦合放电(E模式);另一种是线圈内部感应产生的环向分布电场引起的感应耦合模式放电(H模式)。本论文工作中应用E模式放电制备了铜薄膜,应用H模式放电制备了碳化硼涂层,研究了等离子体的产生、E-H模式转变的动态过程、等离子体特性参数随实验条件的变化及不同实验条件对所制备涂层特性的影响。主要工作及实验结果如下:(1)应用高速摄像技术,分析了大气压感应耦合等离子体E-H模式转变过程,以及H模式下环形放电转变为团状放电的动态过程。结果表明,在氩气放电中,输入功率约300-1000 W时,E-H模式转变过程大约需要0.5-1 ms;环形H模式放电形成后,放电会从炬内边缘发展到炬内中心位置,形成稳定的团状放电状态。提高输入功率、边气流速和在氩气中引入少量氢气都有助于减少此转变过程所需要的时间。(2)对一种铜线插入放电管中的射频E模式等离子体进行诊断,并应用高速相机拍摄了其产生过程。结果表明放电起始于铜丝尖端,经气流作用发展为等离子体射流。放电为丝状放电。在本实验条件下,电压有效值在650-850 V之间,纯氩气放电电流有效值在4-6.5A之间,引入氢气后放电电流有效值降低到2.5-5 A之间。放电电流比电压的相位超前约90度。在氩气放电中引入少量氢气会使等离子体气体温度和电子密度上升,但同时降低了放电电流和电子激发温度。等离子体气体温度约为600-1400 K;电子激发温度约为8000-11000 K;电子密度约为3.1×1020-8.2×1020m-3。(3)研究了输入功率、气体流速和氢气浓度对大气压射频E模式放电沉积铜膜过程的影响。结果表明,等离子体气体温度和流经铜丝的放电电流是引起铜线烧蚀的主要原因。提高输入功率,有助于等离子体气体温度升高和放电电流增大,促进铜线的烧蚀,从而使铜原子蒸发量增多,加速了铜膜沉积速率,并使薄膜的粗糙度和沉积颗粒的粒径增大。提高气体流量,等离子体气体温度下降,导致铜原子的蒸发量降低,使铜膜沉积速率、颗粒粒径和表面粗糙度均有所下降。随氢气浓度增大,等离子体气体温度上升,放电电流下降。当氢气浓度低于1.6‰时,随着氢气浓度增大,铜原子蒸发量增多,沉积速率和薄膜上的颗粒粒径增大。当氢气浓度大于1.6‰时,随着氢气浓度增大,铜原子蒸发量减小,沉积速率下降,薄膜上的颗粒粒径减小。此外,提高氢气浓度有助于降低薄膜表面粗糙度。(4)应用感应耦合热等离子体(H模式放电)在铜基底上制备了纯碳化硼涂层和碳化硼/铜梯度涂层。对比原粉和涂层的XRD检测结果表明,经等离子体喷涂后碳化硼的物相没有变化。成功制备了碳化硼/铜梯度涂层材料,测试结果表明,较铜基上纯碳化硼涂层,梯度涂层与基底的结合力提高显著。此外,随着边气中引入氢气浓度的增加,沉积在铜基底上的纯碳化硼涂层孔隙率降低,致密度有所提高。应用发射光谱并结合高速摄像诊断了感应耦合热等离子体特性参数随氢气浓度的变化情况。结果表明,边气中引入氢气后,等离子体在轴向和径向都有收缩;且随着氢气流量的增加,等离子体的体积收缩程度变大。电子激发温度与电子密度随氢气含量的增加而增大。
【图文】:

示意图,直流电弧等离子体炬,感应耦合等离子体,热喷涂


粒子具有较大的能量撞击到基体表面。感应耦合热等离子体的体积较大,颗粒与逡逑等离子体接触充分,对原料颗粒的加热性好,且等离子体不与电极接触,放电纯逡逑净,有利于制备纯度要求较高的涂层。图1.1展示了(a)直流电弧等离子体炬逡逑和(b)感应耦合热等离子体炬的喷涂过程示意图W。应用直流等离子体炬喷涂逡逑时,被喷涂的粉通过送粉气沿与等离子体轴向垂直的方向送入到等离子体中;送逡逑粉位置可以在喷嘴口内或喷嘴口外,但在喷嘴口内时,要在阳极弧根的下游位置;逡逑外部送粉时,送粉口在直流炬喷口下端。外部送粉方式比内部送粉更常用。当颗逡逑粒被喷射入等离子体中时,颗粒会被加热到熔融或半熔融状态,并在等离子体气逡逑流下加速撞击到基底上形成扁平状贴片,很多颗粒谁积后便形成了涂层。应用电逡逑弧喷涂时,应注意调整送粉口口径和气流速度等参数,以使大部分颗粒能喷射入逡逑等离子体中,获得好的颗粒群加热和加速效果。逡逑Plasma邋gas邋Cathode逦Powders邋carrier逡逑J邋|逦9as邋Central邋gas逡逑r逦Cooling邋water邋out邋i邋.邋Sheath邋gas逡逑

示意图,介质阻挡放电,大气压,结构示意图


图1.2大气压介质阻挡放电结构示意图,(a)侧面送气,(b)中心送气。逡逑大气压冷等离子体化学沉积法制备薄膜常用的放电类型为介质阻挡放电。介逡逑质阻挡放电装置的结构有多种,常用的结构和送气方式的示意图如图1.2邋(a)和逡逑(b)所示。如图所示放电装置的上下电极板之间的间距一般为1-5邋mm,气体流逡逑动一般为层流状态,气体流速一般在1-9邋m/s之间。所用的放电气体一般为氦气、逡逑氩气、氮气等。氦气的击穿电势比较低(大气压下约4邋kV/cm)且容易获得弥散逡逑均匀的等离子体,但氦气的价格比较昂贵。氩气的价格相对便宜,但不易获得弥逡逑散的等离子体。氮气与氦气和氩气相比不容易维持稳定放电,但在特定的薄膜制逡逑备中需要用到N原子参与化学反应[18]。用于沉积薄膜的基体放置于下电极板,逡逑可以是导电材料也可以是非导电材料;导电材料可接地也可不接地。值得一提的逡逑是,,基底的放置会对等离子体的放电形态等造成影响,从而影响薄膜的制备[18]。逡逑放电管内插有金属线材并由射频电源驱动的等离子体射流是一种常见的大逡逑4逡逑
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O53

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 廖梓s

本文编号:2669370


资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/2669370.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户924b3***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com