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1、等离子体与加工人们对目前称之为等离子体态物质的认识可以追溯到1879年威廉克鲁克斯(William Crookes)对真空放电管的研究。当时它被实验者叫做“radia nt matter”。接着,1897年 英国物理学家Sir J.J. Thomson对真空放电管的性质进一步研究，并把其中产生的物质叫 阴极射线“cathoderay”。到1928年，由艾瓦尔.朗谬尔(Irving Langmuir)将放电 管中的电离气体最终命名为等离子体，距今已有80多年了1-2。随着科学与工程技术的迅速发展，对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。人们不仅 要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素(原子
2、)的相互作用，新相的形成，亚 稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了pm、nm量级(先进激光 陀螺反射镜基片要求Ra 1nm,集成电路线宽Ra 1pm。在实现这些要求的过程中， 作为特种加工手段之一的等离子加工工艺的应用越来越广泛，已经分化出来一项新技术 等离子体辅助制造技术3。实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之 一，是由其能量状态决定的。物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量 的输入，见图1。所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加 工提供了巨大潜力。等离子体制造（加工）技术简介等离子体的分类有多种方法，但在工业上用的等离子
3、体通常按温度分类见表1 4，用的较 多的是非平衡等离子体和热能离子体中的低温等离子体。一般情况下，低温热等离子体比 非平衡的等离子体的压力高。实际上，也正是它们的工作压力不同，使它们的作用机理发 生了变化。低气压时，粒子间的碰撞频率较低，主要作用是带电粒子与被处理材料之间发 生的物理过程。随着压力的增加，碰撞次数增加，化学过程开始充当主要角色。当压力进 一步增加达到1 x105Pa左右时，等离子体变得更象一个热源，很多场合代替了燃烧。此 时，离子与电子的温度趋于大致接近，其密度比非平衡类型的等离子体要高。*1工业用等离子的分类（毙全平櫛）1佑佬到殳控核臓嗖的協更低略僞子体（皿部平衡）間密压商一
4、锻貞0血）.T 电孤r宵频转唧予俸，燃塩养圜于Mt1E平常睜旖休（拎耶离子体）电于迎隧島离护甜嚏医的福薄低供群码的骚榨止政Hn2与等离子体制造有关的现代制造技术范畴等离子体加工与现代制造技术关系日益密切。可以说已经涉及或渗透到几乎所有现代工业 制造领域。从精密的微纳加工到大功率的金属冶炼以及废物处理，等离子体的高能量（态） 特点都发挥着其固有优势，而且有些方面已经成为不可或缺的技术手段。如在MEMS加 工领域，传统加工手段几乎是无能为力的。等离子体加工技术与现代制造技术的相互关系 可以用图2表示。H2 谆戍不悴辅助刘运涉巫的加工钊進領域驰出加V剖造目前工业上对低温热等离子体的应用主要有以下几个
5、方面：抗腐蚀、耐磨及其它性能的表 面涂层；新化学制品和新材料的研制；金属的精炼高性能陶瓷；焊接、切割；有害废物的 处理；磁流体发电。非平衡等离子的应用有以下几个方面：聚合物薄膜；磁记录介质；半导体集成电路及其他 电子器件的生产；刀具、模具及工业金属的硬化；精密加工。3等离子体加工涉及的工程技术与科学问题等离子体加工技术涵盖了大范围的制造领域，其结果必然使该技术涉及到深入的科学问题 与广泛的工程问题。从加工设备一一等离子体源的产生，到过程监控一一等离子体诊断， 到最终的加工对象属性一一等离子体与物质的相互作用等，均将涉及多个专业或它们的相 互交叉。由图3可以看出这一领域牵涉的科工程问题的丰富性3
6、。0B3專秸申越辅囲剧雷滥恶的科星导工科词BS等离子体加工若干领域简介1等离子喷涂技术喷涂技术是等离子体加工领域应用最早、成熟度最高的技术之一，属于増材加工范畴，在 汽车、航空航天、化工等行业均有应用。由于等离子弧焰温度高（约20000K），几乎所有 能够熔化而不分解的材料均能制成涂层。例如一些飞行器的零件就是用等离子喷涂（低压 LPPS或大气APS）不同材料获得各种涂层来实现抗腐蚀和耐热的功能（如航空发动机上的 热障涂层、封严涂层等等）。然而，尽管等离子喷涂技术已有40多年的发展历史且取得了 很大的成就，但对这一认识的过程仍很粗浅。到目前为止在所得涂层的性能、质量与可控 制的喷涂参数之间还没
7、有一个确切的函数关系。工业生产上的应用仍是主要根据经验进行喷涂工艺试验，取得优化参数。按等离子体射流的状态不同，可将目前的等离子喷涂技术按图4的形式粗略划分。其中轴 向送粉技术以及层流等离子体喷涂是该领域近几年出现的新趋势。圉4轉尺干绘；*雀崇的齐問井盍轴向送粉是对传统旁侧送粉方式的改进。传统的等离子喷涂粉末是从弧焰旁侧送入的，只 有那些粒度合适的颗粒才能被很好地加热和加速。这一现象无疑对喷涂是不利的。而轴向 送粉通过对喷枪结构的巧妙设计，使粉末直接送入弧焰中心，其加速和熔化程度得到了彻 底的改善，喷涂速度和沉积效率大大提高，且避免了易氧化粉末的氧化（在弧焰中心被工 作气体包围，基本不与空气接
8、触），是送粉技术的一大进步。目前世界上从事轴向送粉技 术研究的有加拿大、日本等国的相关企业与机构，北京航空制造工程研究所也对该技术进 行着探索性研究。等离子喷涂领域涌现的另一新技术是层流等离子喷涂。它利用等离子射流的层流状态，是 等离子射流应用的拓展。目前喷涂用的等离子射流均是湍流度很高的湍流形式，这种很快 淹没在气氛中的湍流实用上有很多弊端：对空气的扰动大、形成强噪音Q10130dB），能 量损失严重（与周围的径向热交换）、空气掺入、材料易氧化等。而层流射流克服了这些 缺点，代之以无噪音（约70dB）、热保留性好（径向无对流热交换）、材料成分较稳定、 能耗低、节气体（是湍流的1/3到1/4）
9、等优点。它首先给操作者免去了强噪音之苦，又 可节省建造高质量隔音间的成本，而且其束流集中（发散角2到6）,长度可控（50400mm）。由于层流流动的规则性，喷出的涂层致密，结合强度高。用层流等离子对 铝青铜和碳化钨材料所作的喷涂工艺试验表明，涂层结合强度分别达75.7MPa （涂层厚 0.21mm）和69.1MPa （涂层厚0.26mm），而所用功率较湍流射流却大大降低。在一些喷涂 面积不大的零件上，粉末利用率比湍流高几倍。层流等离子喷涂目前在俄罗斯与乌克兰有 广泛应用，已经显示出较好的发展前景，此技术将在航空制造业及其它行业发挥出更重要 作用。比如叶片的叶冠及活塞密封槽部位涂层，层流等离子体
10、喷涂具有明显的技术优势。2等离子体源离子注入与增强沉积离子注入表面改性已有约30多年的历史，最早以束线注入(IonBeam Implantation, IBI) 为主。但很多场合，对具有一定厚度的涂层或薄膜的需求更为迫切。由于离子轰击可有效 改善沉积薄膜与基体的结合状况，因此注入与沉积两种技术自然而然地被人们有机地结合 在一起，出现了增强沉积技术。尤其是等离子体浸没离子注入(Plasmaimmersion Ion Implantation, PIII)在20世纪80年代提出来以后，很快出现了等离子体源离子注入与 沉积技术(Plasma immersion Ion Implantationand
11、Deposition, PIII & D 6。PIII & D的出现既弥补了单纯注入改性层太薄的不足，又改进了普通沉积工艺结合不良的缺点。目前该技术已进入实用阶段。随着工件偏压方式的改进，工艺灵活性大大增强。图6显示 了高压脉冲与直流偏压及其复合后的工艺示意图。北京航空制造工程研究所高能束流实验 室最早开发研制了此种复合偏压技术，目前已在典型精密零件上进行了小规模应用试验， 取得了较为理想的效果。该技术是把工件直接放入已形成的等离子体中，并对其加上负高 压脉冲与直流的复合偏压。按偏压的不同作用形式，可以在同一个真空周期内分别进行注 入、沉积或同时进行注入与沉积，对增加工艺灵活性十分有利。JI
12、h | SUJil TidiL诡凤优S-.h(AS :冏丿ItU冲勺许湎业合l i 1I&D 瓷浪台泌畴不問工件徧IFF改柱沉推原理示意团在较高温度下的等离子渗工艺也有很好的表面强化作用。土耳其空军科学院航空航天技术 研究所即利用等离子体硼化技术处理刀具以加工钛合金，效率提高数倍7。3等离子体材料去除材料去除是“加工”概念的主要内涵之一。集成电路制造工艺中，离子刻蚀一直是重要的 加工工序。随着制造技术的不断发展，非传统材料去除工艺的应用越来越广泛。电子束、 激光束及等离子体等不同的能量方式给人们提供了丰富的加工手段。由于各种能量形式与 材料的作用方式不同，加工机理、设备、对象、成本等问题均有很
13、大区别。如激光束加工（LBM）、电火花（EDM）、电子束加工（EBM）等离子体束加工（Plasma Beam Machining, PBM）等工艺，表面温度很高，可达1000030000K范围。而离子束刻蚀（IBM）以及聚焦 离子束（FIB）加工，则很少超过400K。表2列出了几种加工技术的加工机理与典型的功 率密度5。2 JU41工工艺的禅茁井粪rtSWft昨1tBMIMIOIH3 JA xio1|)i v|uinftTM X (fMix时IX K(0,6 |i inE.()Mp.rn 員11爭钮山切：(IS贮pmEDM I也朮花,犬化復电itf-IOTEfiM C电子棗1IOxKTwfui
14、!近几年发展较快的是聚焦离子束(Focus Ion Beam, FIB)，尤其是在精密加工刀具的加工 方面显出了较强优势。因其能量集中，所以对窄、尖区域的加工具有得天独厚的优点8。 如前面所述，离子束加工需要耗费大的能量，因此完全用聚焦离子束加工出一个刀具是难 以实现的。如与激光加工结合起来，则可为工业服务。图7给出了经激光切割的硬质材料 刀具在聚焦离子束后续加工前后形貌5。(aiWTliUI hJihW激光切割的粧剧石73具狂5鬻需子束加工帥后形猊4等离子体聚合简介 等离子聚合工艺与PACVD很相似，但它们区别在于：等离子聚合更 侧重于有机从材料的沉积，而且这种有机材料在性质上是可聚合的。这
15、种方法形成的聚合 物常是高度交叉连接的，且可形成用其他方法不能得到的高质量薄膜。其基本过程包括初 始激发、表面吸附、非均匀生长、最后聚合等阶段。初始气体被激励活化后，生成有机物 单体和气相自由基，这些衍生相吸附在固体表面时，形成表面自由基，亦即在基体表面生 成了聚合反应所必须的“核”。接着以这些核为基础，衍生单体与气相自由基在等离子气 氛中在基体表面上不断聚合生长，最后生成大分子量的聚合薄膜。等离子聚合过程对能量、 压力、初始气体及相对含量的要求比较严格，其装置与其他沉积过程的反应器往往有较大 差别。利用等离子体聚合技术可在工件表面制备光刻胶聚合物薄膜，代替传统的湿法涂胶 工艺。还可制备特殊电学和光学特性的有机薄膜和金属有机薄膜，是一项有广阔应用前景 的领域。
