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聚焦:等离子体材料 实现表面处理解决方案创新的物质实体

在我们的 "材料聚焦 "系列中,我们迄今已经介绍了固体、有形的材料,如镍或钛。这一次,我们关注的是一种 "物质实体"(古希腊语:plasma),假如没有了它,现代的表面处理解决方案将难以想象。

等离子体是如何形成的?

等离子体是如何形成的?
等离子体是继固体、液体、气体之后的 "第四种物质状态"。当气体以热的形式获得额外的能量时,就会产生等离子体。高温将电子从原子结构中分离出来,从而产生自由粒子的混合物——带正电的离子和带负电的电子。存在于等离子体中的这些粒子越多,它的 "电离 "程度就越高。等离子体的电离度可以从1到100%不等。


等离子体能在哪里被发现?
在日常生活中,我们很少观察等离子体,但这种物质状态在整个宇宙中非常普遍。我们的太阳,其核心温度高达数百万度,由等离子体组成,大多数恒星也是如此。气态星云和星际空间也主要由这种实体构成。等离子体确实在地球上自然形式出现——当它出现时非常壮观!例如,北极光和闪电。例如,北极光和闪电的光线就是由等离子体构成的。温度高达3万摄氏度的闪电能使地球大气层局部发热致使原子分裂,我们看到由此产生的等离子体就像一束耀眼的光。

与其他物质状态一样,等离子体及其能力已被人类利用于一些技术用途。但是,为了实现这些目的,等离子体必须由人工产生。所需的能量通常由带电的气体或强激光束提供。


等离子体有什么用途?
等离子体具有非常不同的性质,但有一个共同点:它们都是导电的,并且可以受到磁力的影响。由于其不同的特性,它们可用于许多发明和工艺——包括节能荧光灯、等离子显示器、医疗仪器消毒,甚至是反应堆中的核聚变。

欧瑞康巴尔查斯和欧瑞康美科使用等离子体进行表面涂层。"从科学上讲,我们处理的是同一件事—等离子体研究。但是当涉及到应用时,我们的工作是在等离子光谱的两端,"材料科学家Alessandro Zedda(欧瑞康巴尔查斯)和Alexander Barth(欧瑞康美科)为此达成一致。


气体等离子喷涂:高压高密度
在大多数热喷涂过程中,工作是在常压下进行的。涂层原料以粉末颗粒的形式存在,其尺寸范围一般为10至100微米。在狭窄的等离子体射流(直径6至10毫米)中熔化,并喷洒到待喷涂的表面。等离子体的温度可以达到20,000°C,相当于我们太阳的表面温度。这使得它可以熔化任何材料。通过精确地平衡等离子体和材料的特性,使颗粒达到理想的温度和速度,从而达到最佳的涂层效果。

等离子体发生器包括一个狭窄的喷嘴或阳极,气体连续地流经该喷嘴,以及一个集中位于喷嘴内的电极或阴极。带正电的喷嘴和带负电的电极形成电偶,从而使流动的气体电离并将其转化为等离子体。然后将涂层原料注入等离子体中,使其熔化并被推进到要涂层的表面。

"等离子体在产生这种高热量方面非常有效,因为所有的电能都转化为热量。我们与合作伙伴和大学在等离子体涂层研究方面进行合作,并将研究结果不断融入到欧瑞康美科的新产品中。"Alexander Barth解释道。

PVD涂层:低压和低密度

PVD涂层:低压和低密度
对于高质量的超薄PVD涂层,等离子体是通过蒸发金属靶材上的原子产生的。然后通过将电子从原子中分离出来形成离子。通过施加电压,这些离子被吸引到要涂层的基体上(可以是一个零部件或工具)。它们以高能量撞击基体,在其表面扩散并相互结合,形成一层薄而致密的涂层。为了防止它们在 "行进 "过程中与空气分子发生碰撞,需要高真空的环境。

Alessandro Zedda解释道:“等离子体的产生需要大量的能量——以高达几百伏的高压形式。涂层质量不仅取决于靶材的选择,还取决于等离子体的电压和能量。"等离子体源的设计对所得涂层的质量非常重要。这就是为什么在欧瑞康巴尔查斯,我们一直在进行不断的研究以改进等离子体源和最终的涂层。”

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