等离子技术

  所谓等离子技术，就是利用等离子体获得高温热源的一项技术。在化学工业中，利用等离子技术能实现一系列的反应过程。等离子体是指处于电离状态的气态物质，其中带负电荷的粒子（电子、负离子）数等于带正电荷的粒子（正离子）数。通常与物质固态、液态和气态并列，称为物质第四态。通过气体放电或加热的办法，从外界获足够能量，使气体分子或原子中轨道所束缚的电子变为自由电子，便可形成等离子体。
  一、等离子技术的特点
  等离子体在化学工业中的真正应用是在20世纪50年代以后。当时的联邦德国赫斯和赫司特化工厂于50年代成功地从甲烷和其他烃类在氢等离子体中热解制取乙炔。此后，美国、前苏联和日本都相应地建造了等离子体制乙炔的实验工厂。此法流程简单，对原料适应性强，但电耗偏高，限制了它的大规模推广。60年代，美国离子弧公司以锆英砂为原料在直流电弧等离子体中一步裂解制备氧化锆。70年代末，中国以硼砂和尿素为原料，在直流电弧等离子体中制备高纯六方氮化硼粉，该法具有产品纯度高、成本低、工艺流程简单等优点。此外，还可利用等离子技术生产二氧化钛。主要技术特点如下：
（1）等离子体中具有正、负离子，可作为中间反应介质。特别是处于激发状态的高能离子或原子，可促使很多化学反应发生。
（2） 由于任何气态物质均能形成等离子体,所以很容易调整反应系统气氛,通过对等离子介质的选择可获得氧化气氛、还原气氛或中性气氛。
（3） 等离子体本身是一种良导体，所以能利用磁场来控制等离子体的分布和它的运动，这有利于化工过程的控制。
（4） 热等离子体提供了一个能量集中、温度很高的反应环境。温度为104～105℃的热等离子体是目前地球上温度最高的可用热源。它不仅可以用来大幅度地提高反应速率，而且还可借以产生常温条件下不可能发生的化学反应。此外，热等离子体中的高温辐射能引起某些光电反应。
  二、等离子技术的应用
  1.目前等离子的主要应用在以下几个方面：
（1） 以热等离子体制备乙炔、硝酸、联氨和炭黑等产品。
　（2） 用热等离子技术合成高温碳化物、氮化物和硼化物,如碳化钨、氮化钛等。
　（3） 用热等离子技术制备超细粉末,如0.01～1μm的三氧化二铝、二氧化硅和氮化硅粉末。
　（4） 冷等离子体中的聚合薄膜的形成或清洗，如半导体工业中的氧化硅膜。
（5） 在冷等离子体中实现材料表面改性，如离子氮化、渗碳等工艺。
  2.等离子气相沉积技术
  等离子体是继物质3态（固态、液态、气态）后发现的第4态，由数量密度都近似的正、负离子组成。其基本原理是：采用特殊化学气相沉积技术，在特定的工艺条件下，使氮化硼、氮化硅微粒与金属之间发生离子置换，使金属零部件由表及里渗透，生成约0.03～0.06厚致硬薄膜层。等离子气相沉积技术的工作原理：
  等离子体化学气相沉积技术原理是利用低温等离子体(非平衡等离子体)作能量源,工件置于低气压下辉光放电的阴极上,利用辉光放电(或另加发热体)使工件升温到预定的温度,然后通入适量的反应气体,气体经一系列化学反应和等离子体反应,在工件表面形成固态薄膜｡它包括了化学气相沉积的一般技术,又有辉光放电的强化作用｡由于粒子间的碰撞,产生剧烈的气体电离,使反应气体受到活化｡同时发生阴极溅射效应,为沉积薄膜提供了清洁的活性高的表面｡因而整个沉积过程与仅有热激活的过程有显著不同｡这两方面的作用,在提高涂层结合力,降低沉积温度,加快反应速度诸方面都创造了有利条件｡
  等离子体化学气相沉积技术按等离子体能量源方式划分,有直流辉光放电､射频放电和微波等离子体放电等｡随着频率的增加,等离子体强化CVD过程的作用越明显,形成化合物的温度越低｡等离子气相沉积技术的主要优点如下：
（1）高硬度：采用此项技术加工后的产品硬度提高了15%～40%，在金属表面渗透生成的立方氮化硼具有很高的硬度，增加了耐磨性。
（2）耐高温、不易拉缸：经过处理的致硬薄膜层可以随温度的升高而增加，即使耐温超过1000℃，发动机在此状态下工作也不易拉缸。
（3）高润滑性。一方面金属表面生成的立方氮化硼具有减少摩擦的作用，另一方面经过处理的致硬薄膜层表面均匀分布着许多微孔，这些微孔具有特殊的贮油作用，润滑油在微孔中产生的油膜更加均匀稳定，起到了良好的润滑减磨作用，可提高缸体、活塞、活塞环及其他摩擦副的有效寿命50%以上。
（4）高耐性。经过处理的致硬薄膜层有特定的双重性，具有普通材料欠缺的高抗冲击耐性、疲劳强度和内部组织结构。
（5）排放优秀、燃烧充分、节约能源，具有显著的经济效益，经过处理的致硬薄膜层在形成过程中，发生了离子置换，产生了一定的电子空缺，对CO和HC有氧化催化作用，对降低发动机的尾气排放具有显著的效果。
（6）发动机的性能大幅度增加。经国外多家动力研究机构严格实验证明，使用最新等离子气相沉积技术的发动机功率和扭矩可提高5%～7%，发动机的实际使用寿命可延长50%以上，油耗下降155以上，同时CO的排放值下降30%以上，HC的排放下降40%以上，真正达到了节能环保、动力强劲、持久耐用，为消费者节省开支的目的。
  3.微弧氧化陶瓷活塞技术
  微弧氧化陶瓷活塞技术，是锌铝合金微弧氧化陶瓷技术专利，此项专利技术首次在摩托车发动机活塞上使用。微弧氧化也称等离子氧化体，是将铝、镁、钛、锆、铌等金属置于电解质水溶液中，进行高电压大电流的阳极氧化，当阳极氧化电压超过某一临界值时，活塞表面生成的氧化膜被击穿，产生微弧光放电，形成瞬间的高温区，基底金属被熔融甚至被汽化，与电解液的接触反应中，熔融物激冷而生成陶瓷膜层。微弧氧化陶瓷技术活塞的优点：微弧氧化陶瓷技术活塞与全铝合金纳米技术缸体的材质一致，膨胀系数相同，因此，可大幅度缩小发动机的配缸间隙，其间隙为0.008～0.015mm（铝合金铸铁缸体的配缸间隙为0.03～0.04mm）。由于发动机配缸间隙小，漏气损失大幅度降低，从而提高了发动机的燃烧效率，提高动力性能（功率提高5%～10%）。由于活塞与缸体之间的摩擦系数大幅度减小，因此，发动机机械损失也同样降低，使发动机的比油耗率降低，提高了发动机燃油经济性和动力性。
  4.TiN陶瓷技术活塞环
  TiN陶瓷技术活塞环，也就是氮化钛（TiN）陶瓷技术活塞环，它是目前世界上耐磨性能最好的一种活塞环。TiN陶瓷技术活塞环，是将合金铸铁活塞环用离子镀表面处理，使活塞环表面产生一层氧化钛陶瓷层，它的硬度达到1800HV0.1以上，镀膜层厚度为0.0025mm。
  TiN陶瓷技术活塞环的优点；活塞环的耐磨性、导热性能达到了较高的水平，氮化钛活塞环与常用的镀铬环、氮化处理环相比，其使用寿命提高了一倍以上。