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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

2020-12-02阅读(859)

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

论文摘要

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。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 涂层概述
  •   1.2 等离子体技术制备涂层
  •     1.2.1 低温等离子体简介
  •     1.2.2 大气压等离子体技术制备涂层
  •   1.3 大气压射频等离子体制备涂层
  •     1.3.1 射频等离子体简介
  •     1.3.2 射频容性耦合等离子体制备薄膜
  •     1.3.3 感应耦合热等离子体喷涂
  •   1.4 射频等离子体模式转变
  •   1.5 等离子体特性参数及诊断方法
  •   1.6 论文主要内容
  • 第2章 E-H模式放电转变及稳定H模式放电的产生
  •   2.1 引言
  •   2.2 实验装置
  •   2.3 实验结果与讨论
  •     2.3.1 E-H模式转变过程的实验与讨论
  •     2.3.2 边气流导致的E-H转变消散
  •     2.3.3 H模式下环形到团状放电的转变过程
  •     2.3.4 输入功率、气体流速和成分对转变过程的影响
  •   2.4 小结
  • 第3章 大气压射频E模式放电诊断
  •   3.1 引言
  •   3.2 实验装置
  •   3.3 实验结果与讨论
  •     3.3.1 着火过程与电压电流测量
  •     3.3.2 放电的击穿与维持机理讨论
  •     3.3.3 发射光谱分析
  •     3.3.4 气体温度
  •     3.3.5 电子激发温度
  •     3.3.6 电子数密度
  •   3.4 小结
  • 第4章 大气压射频E模式放电沉积铜膜过程研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 E模式放电沉积薄膜过程分析
  •     4.2.1 电极烧蚀简介
  •     4.2.2 成核与生长过程简介
  •   4.3 实验部分
  •     4.3.1 实验装置
  •     4.3.2 等离子体诊断装置
  •     4.3.3 铜膜表征
  •   4.4 实验结果与讨论
  •     4.4.1 输入功率对铜膜沉积过程的影响
  •     4.4.2 氢气浓度对铜膜沉积过程的影响
  •     4.4.3 放电气体流量对铜膜沉积过程的影响
  •   4.5 小结
  • 第5章 大气压射频H模式放电诊断
  •   5.1 引言
  •   5.2 气体成分对等离子体特性参数的影响
  •   5.3 实验装置
  •   5.4 实验结果与讨论
  •     5.4.1 放电形态
  •     5.4.2 发射光谱
  •     5.4.3 电子激发温度
  •     5.4.4 电子密度
  •     5.4.5 局域热力学平衡
  •     5.4.6 有无碳化硼颗粒的发射光谱对比
  •   5.5 小结
  • 第6章 大气压射频H模式放电制备碳化硼涂层
  •   6.1 引言
  •   6.2 感应耦合热等离子体喷涂过程分析
  •   6.3 实验装置及流程
  •     6.3.1 感应耦合等离子体炬喷涂装置
  •     6.3.2. 碳化硼涂层表征
  •   6.4 实验结果与讨论
  •     6.4.1 收缩喷嘴对颗粒的加速及涂层制备影响
  •     6.4.2 边气中引入氢气对颗粒加热的影响
  •     6.4.3 边气中氢气含量对碳化硼涂层制备影响
  •     6.4.4 涂层表征
  •     6.4.5 碳化硼/铜梯度涂层材料
  •   6.5 小结
  • 第7章 总结和展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 郭起家

    导师: 倪国华

    关键词: 射频等离子体,模式转变,发射光谱诊断,涂层制备,铜膜,碳化硼

    来源: 中国科学技术大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 中国科学技术大学

    分类号: O53

    总页数: 94

    文件大小: 7609K

    下载量: 206

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