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      等離子體有多熱?
      等離子體有多熱?
      發布時間 : 2020-11-12 16:36:13
      熱熔和溫度–關鍵的應用

      大多數等離子體應用中所達到的高溫使許多用戶對工藝的安全性產生疑問,尤其是在處理高敏感的材料時。 本文解說了有關等離子體應用期間溫度和熱傳導的懸而未決的問題,并列舉了一些關鍵實例證實了等離子體溫度臨界工藝的適用性。 潛在的問題看似簡單,卻不容易回答:等離子體有多熱?

      等離子體有多熱?

      自然產生的等離子體可以達到高達106eV(1eV?11600K)[1]的溫度,在工業應用中,最高溫度約為1eV [2]。 因此,等離子體是一種高能量狀態,其溫度取決于其物種(中性原子,電子和離子)的能量,并且強烈依賴于各自等離子體的電離程度。 這使得根據它們的溫度可能分類不同的等離子體,區分成兩個主要種類:熱等離子體和非熱等離子體。

      當它完全地被電離且所有的物種具有相同的溫度時我們稱為熱等離子體,典型的例子是太陽的日冕或聚變等離子體。 [3]對于本文而言,非熱或非平衡等離子體的類別是相關的。 這些等離子體具有不同的預熱電子、中性粒子和離子。 因此,電子可達到10000 K的溫度,而大多數氣態粒子變得明顯地沒那么熱或保持在室溫。

      然而,在使用干燥的壓縮空氣作為等離子體氣體的操作過程中由plasmabrush??PB3發生的等離子火焰的靜態測量產生低于1000°C的溫度。 這種等離子體火焰,是等離子射流可見最前的部分,也稱為“遠程等離子體”,通常是處理基材表面的等離子體區域。

      非熱等離子體通常被稱為“冷等離子體”。 該術語應謹慎使用,因為它包括廣泛范圍的低壓和大氣壓等離子體。 例如,piezobrush?PZ2產生的“冷等離子體”的溫度幾乎不高于環境溫度,與plasmabrush? PB3產生的熱量相反。然而,本文關注在運行非熱高溫等離子體的工業中用于高生產率設備的種類。



      A250噴嘴和使用plasmabrush? PB3的A250, A350 and A450噴嘴類型的靜態溫度

      當用戶問起最初引號的問題“等離子體有多熱?”時,通常他們意味的不是等離子體本身的溫度,而是發生在處理過的基材表面上的熱事件。為了精確地具體說明這些溫度,廣延溫度和紅外測量是必要的。 基于多年的監測應用,Relyon Plasma GmbH開發了一款軟件,可以模擬大氣壓或非平衡等離子體在基材上的熱傳遞,以供研究之用。所做的計算區分了基材表面的類型和幾何形狀,以及選擇等離子體的電輸入功率的設置。



      使用relyon plasma軟件模擬在強化等離子體處理過程中生熱

      廣延測量的結果證實,插入表面的能量主要影響基材的第一層。 這使大氣等離子體處理成為真正的表面處理,因為清洗和潤濕效果是由等離子體粒子與材料的頂部原子層的相互作用所引起的,而材料的較深層不會受到任何影響。

      表面上有效的溫度不僅取決于等離子體的電輸入功率,而且還受到所用等離子體氣體類型的顯著影響,以及由用戶通過工藝參數控制,通常最重要的兩個參數:操作速度和設備與基材之間的距離。這簡單的參數化對大多數等離子體應用是絕對足夠的。



      使用relyon plasma軟件模擬在溫和等離子體處理過程中溫度的產生

      對于某些工藝(例如熱熔或涂裝),工作使用復矩陣是一個優勢。 為此,除了已經提到的兩個參數外,設備本身提供了三個更多的參數設置(氣體流量、頻率和電輸入功率)。 在下文中,討論了三個臨界溫度的應用,要求精確的工藝控制。 細胞培養芯片、薄膜(此處:鋁箔)和LDPE薄膜沉積例證了Plasmabrush?工序的可能性。

      細胞培養芯片



      原芯片(左)以及損壞的芯片(中)和未損壞的芯片的細節(右)

      在該項目中,3D細胞培養芯片的微觀結構表面應該被激活,而不對細胞的微觀結構造成熱損傷。 該工序的成功由蒸餾水的接觸角評定。

      輕微的過度激活(過度的能量輸入到表面)改變芯片三角形部分的形態,如中間的圖片詳細所示。只有對工藝參數精確的優化可以無熱效應地處理樣品。由于較溫和的處理,表面能將保持在最大活化容量以下,但接觸角從92°減小到43°。使用plasmabrush?PB3和A250噴嘴,工藝參數設置為250 mm/s,40 mm的工作距離,氮氣作為供氣。

      薄膜應用:鋁箔



      卷對卷工序中鋁箔的處理

      由于它們最小的厚度,在等離子體應用中薄膜是特別關鍵的。因為它們的的高傳導性,盡管金屬和溫度通常沒有問題,由于它們沒有導熱層,薄膜必須非常小心地被處理。 一定質量的金屬能緩慢地以30 mm / s的速度被處理,而箔片必須以500 mm / s或更高的速度處理。

      卷對卷是這樣一個工序的實例,每個薄膜必須以非常高的速度被處理,只能瞬間地離開使等離子體粒子與表面相互作用。 在這些條件下實現高質量的活化是一個真正的挑戰。 可是,合適的設備布置仍然允許成功的實施。 從右上方的圖片可以看出,在一個實例中三個等離子體發生器以12m / s的速度被串聯設置,以覆蓋薄箔的膠粘表面的全部的寬度。

      LDPE熱熔沉積在鋁上

      等離子誘導涂裝是一個非常復雜的工藝,因為它包含用于粉末輸送的附加組件,從而增強了參數矩陣。 在該項目中,應該將LDPE應用于鋁基材。 熱熔涂裝達到了均勻平滑層所需的低黏性,同時該過程比傳統方法快得多,因為無需去除溶劑。

      外部系統輸送粉末到噴嘴出口,以便它直接在表面熔化,然后在表面冷卻。該系統可以輸送粉末率高達7.19g / m。等離子體具有兩個功能:首先,通過微粒引入到表面改善了表面的化學交聯,其次,由于提高的潤濕性,熱熔體擴散得更好。

      此過程中的關鍵參數是速度。 應將其設置得足夠低以形成均勻的涂層,但同時應設置得足夠高以避免過多的能量輸入到表面和剛形成的涂層。 因此,在該應用中,速度設置為210 mm / s,工作距離設置為14 mm。 同時,部件以14.5 rpm的轉速旋轉。 整個涂裝過程需要六分鐘才完成。



      完成的熱熔涂裝(左)和具有外部噴射器的plasmabrush?(右)

      結論

      即使非熱等離子體以高溫使用在工業應用中,通過相應地設置工藝參數(特別是工作速度和與基材的距離)它是非常好地來處理高敏感的材料。 而且,該處理僅改性基材的表面,而更深層保持未曾觸及。 這使得等離子體應用成為一種高效且同時溫和方法處理甚至那些為了活化和精細清洗目的以及改善的潤濕性非常熱敏感的材料。

      參考文獻

      [1] K. Küpfmuller,W.Fathis和A.Reibiger,《理論電氣工程》:導論,Springer,2013年。 [2] H.Zohm,?Plasmaphysik“,LMU慕尼黑,慕尼黑,2012/2013年 [3] R. A.Wolf,?Atmospheric Pressure Plasma?for Surface Modification, Hoboken and Salem, USA: Wiley & Sons and Scrivener Publishing, 2013. [3] R.A.Wolf,用于表面改性的大氣壓等離子體,霍博肯和塞勒姆,美國:威利父子公司和Scrivener出版社,2013年。
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      熱熔和溫度–關鍵的應用

      大多數等離子體應用中所達到的高溫使許多用戶對工藝的安全性產生疑問,尤其是在處理高敏感的材料時。 本文解說了有關等離子體應用期間溫度和熱傳導的懸而未決的問題,并列舉了一些關鍵實例證實了等離子體溫度臨界工藝的適用性。 潛在的問題看似簡單,卻不容易回答:等離子體有多熱?

      等離子體有多熱?

      自然產生的等離子體可以達到高達106eV(1eV?11600K)[1]的溫度,在工業應用中,最高溫度約為1eV [2]。 因此,等離子體是一種高能量狀態,其溫度取決于其物種(中性原子,電子和離子)的能量,并且強烈依賴于各自等離子體的電離程度。 這使得根據它們的溫度可能分類不同的等離子體,區分成兩個主要種類:熱等離子體和非熱等離子體。

      當它完全地被電離且所有的物種具有相同的溫度時我們稱為熱等離子體,典型的例子是太陽的日冕或聚變等離子體。 [3]對于本文而言,非熱或非平衡等離子體的類別是相關的。 這些等離子體具有不同的預熱電子、中性粒子和離子。 因此,電子可達到10000 K的溫度,而大多數氣態粒子變得明顯地沒那么熱或保持在室溫。

      然而,在使用干燥的壓縮空氣作為等離子體氣體的操作過程中由plasmabrush??PB3發生的等離子火焰的靜態測量產生低于1000°C的溫度。 這種等離子體火焰,是等離子射流可見最前的部分,也稱為“遠程等離子體”,通常是處理基材表面的等離子體區域。

      非熱等離子體通常被稱為“冷等離子體”。 該術語應謹慎使用,因為它包括廣泛范圍的低壓和大氣壓等離子體。 例如,piezobrush?PZ2產生的“冷等離子體”的溫度幾乎不高于環境溫度,與plasmabrush? PB3產生的熱量相反。然而,本文關注在運行非熱高溫等離子體的工業中用于高生產率設備的種類。



      A250噴嘴和使用plasmabrush? PB3的A250, A350 and A450噴嘴類型的靜態溫度

      當用戶問起最初引號的問題“等離子體有多熱?”時,通常他們意味的不是等離子體本身的溫度,而是發生在處理過的基材表面上的熱事件。為了精確地具體說明這些溫度,廣延溫度和紅外測量是必要的。 基于多年的監測應用,Relyon Plasma GmbH開發了一款軟件,可以模擬大氣壓或非平衡等離子體在基材上的熱傳遞,以供研究之用。所做的計算區分了基材表面的類型和幾何形狀,以及選擇等離子體的電輸入功率的設置。



      使用relyon plasma軟件模擬在強化等離子體處理過程中生熱

      廣延測量的結果證實,插入表面的能量主要影響基材的第一層。 這使大氣等離子體處理成為真正的表面處理,因為清洗和潤濕效果是由等離子體粒子與材料的頂部原子層的相互作用所引起的,而材料的較深層不會受到任何影響。

      表面上有效的溫度不僅取決于等離子體的電輸入功率,而且還受到所用等離子體氣體類型的顯著影響,以及由用戶通過工藝參數控制,通常最重要的兩個參數:操作速度和設備與基材之間的距離。這簡單的參數化對大多數等離子體應用是絕對足夠的。



      使用relyon plasma軟件模擬在溫和等離子體處理過程中溫度的產生

      對于某些工藝(例如熱熔或涂裝),工作使用復矩陣是一個優勢。 為此,除了已經提到的兩個參數外,設備本身提供了三個更多的參數設置(氣體流量、頻率和電輸入功率)。 在下文中,討論了三個臨界溫度的應用,要求精確的工藝控制。 細胞培養芯片、薄膜(此處:鋁箔)和LDPE薄膜沉積例證了Plasmabrush?工序的可能性。

      細胞培養芯片



      原芯片(左)以及損壞的芯片(中)和未損壞的芯片的細節(右)

      在該項目中,3D細胞培養芯片的微觀結構表面應該被激活,而不對細胞的微觀結構造成熱損傷。 該工序的成功由蒸餾水的接觸角評定。

      輕微的過度激活(過度的能量輸入到表面)改變芯片三角形部分的形態,如中間的圖片詳細所示。只有對工藝參數精確的優化可以無熱效應地處理樣品。由于較溫和的處理,表面能將保持在最大活化容量以下,但接觸角從92°減小到43°。使用plasmabrush?PB3和A250噴嘴,工藝參數設置為250 mm/s,40 mm的工作距離,氮氣作為供氣。

      薄膜應用:鋁箔



      卷對卷工序中鋁箔的處理

      由于它們最小的厚度,在等離子體應用中薄膜是特別關鍵的。因為它們的的高傳導性,盡管金屬和溫度通常沒有問題,由于它們沒有導熱層,薄膜必須非常小心地被處理。 一定質量的金屬能緩慢地以30 mm / s的速度被處理,而箔片必須以500 mm / s或更高的速度處理。

      卷對卷是這樣一個工序的實例,每個薄膜必須以非常高的速度被處理,只能瞬間地離開使等離子體粒子與表面相互作用。 在這些條件下實現高質量的活化是一個真正的挑戰。 可是,合適的設備布置仍然允許成功的實施。 從右上方的圖片可以看出,在一個實例中三個等離子體發生器以12m / s的速度被串聯設置,以覆蓋薄箔的膠粘表面的全部的寬度。

      LDPE熱熔沉積在鋁上

      等離子誘導涂裝是一個非常復雜的工藝,因為它包含用于粉末輸送的附加組件,從而增強了參數矩陣。 在該項目中,應該將LDPE應用于鋁基材。 熱熔涂裝達到了均勻平滑層所需的低黏性,同時該過程比傳統方法快得多,因為無需去除溶劑。

      外部系統輸送粉末到噴嘴出口,以便它直接在表面熔化,然后在表面冷卻。該系統可以輸送粉末率高達7.19g / m。等離子體具有兩個功能:首先,通過微粒引入到表面改善了表面的化學交聯,其次,由于提高的潤濕性,熱熔體擴散得更好。

      此過程中的關鍵參數是速度。 應將其設置得足夠低以形成均勻的涂層,但同時應設置得足夠高以避免過多的能量輸入到表面和剛形成的涂層。 因此,在該應用中,速度設置為210 mm / s,工作距離設置為14 mm。 同時,部件以14.5 rpm的轉速旋轉。 整個涂裝過程需要六分鐘才完成。



      完成的熱熔涂裝(左)和具有外部噴射器的plasmabrush?(右)

      結論

      即使非熱等離子體以高溫使用在工業應用中,通過相應地設置工藝參數(特別是工作速度和與基材的距離)它是非常好地來處理高敏感的材料。 而且,該處理僅改性基材的表面,而更深層保持未曾觸及。 這使得等離子體應用成為一種高效且同時溫和方法處理甚至那些為了活化和精細清洗目的以及改善的潤濕性非常熱敏感的材料。

      參考文獻

      [1] K. Küpfmuller,W.Fathis和A.Reibiger,《理論電氣工程》:導論,Springer,2013年。 [2] H.Zohm,?Plasmaphysik“,LMU慕尼黑,慕尼黑,2012/2013年 [3] R. A.Wolf,?Atmospheric Pressure Plasma?for Surface Modification, Hoboken and Salem, USA: Wiley & Sons and Scrivener Publishing, 2013. [3] R.A.Wolf,用于表面改性的大氣壓等離子體,霍博肯和塞勒姆,美國:威利父子公司和Scrivener出版社,2013年。
      DENTAPLAS 產品系列
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      發布時間 : 2020-11-10 11:50:00
      Diener electronic 為自己設定的任務是,為低壓等離子體在牙科專業領域的使用開發量身定制的解決方案。
      憑借新的 DENTAPLAS - 產品系列,可以為諸多應用領域提供多功能且成熟的等離子系統。
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