什么是等離子體？

等離子體，是指物質(zhì)處于除固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外的第四聚集態(tài)，即已經(jīng)電離的“氣體”，實(shí)際上該物質(zhì)是處于一種高度激發(fā)的狀態(tài)。等離子體中含有電子、離子、原子、分子和自由基等。分子或原子內(nèi)部均由原子核和電子構(gòu)成，電子數(shù)量和原子核內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)量相等，電子位于原子核外的電場之中，圍繞原子核以不同的軌道旋轉(zhuǎn)，整個(gè)體系處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，在宏觀看來物質(zhì)便處于氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)中的一種或幾種。在特定條件下，如光、磁、電、熱等能提供足夠外部能量的條件下，分子或原子外層電子的勢能明顯降低，電子受到的束縛降低而脫離原有的軌道，逃逸到自由空間，即到達(dá)所謂的電離狀態(tài)，此時(shí)，原粒子變?yōu)閹д姾傻碾x子和帶負(fù)電荷的電子。若組成物質(zhì)的全部原子或分子均被電離成正離子和負(fù)離子，則該物質(zhì)即處于等離子體態(tài)。

自然界中和宇宙中等離子體是廣泛存在的。在自然界中，火焰、極光、閃電的出現(xiàn)都伴隨著等離子體的產(chǎn)生。在宇宙中，構(gòu)成全部質(zhì)量99.9%的恒星即由高溫等離子體組成。在地球的大氣層頂部，有一充滿等離子體的電離層。在等離子體之間的相互作用下，地面發(fā)射的無線電波在電離層能發(fā)生反射和折射，從而確保無線電波能遠(yuǎn)距離傳送。

等離子處理的原理

由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子的存在，其本身很容易與固體表面發(fā)生反應(yīng)。等離子體清洗主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”達(dá)到去除物體表面污漬的目的。就反應(yīng)機(jī)理來看，等離子體清洗通常包括以下過程:無機(jī)氣體被激發(fā)為等離子態(tài);氣相物質(zhì)被吸附在固體表面;被吸附基團(tuán)與固體表面分子反應(yīng)生成產(chǎn)物分子;產(chǎn)物分子解析形成氣相;反應(yīng)殘余物脫離表面。

反應(yīng)類型分類

等離子體與固體表面發(fā)生反應(yīng)可以分為物理反應(yīng)(離子轟擊)和化學(xué)反應(yīng)。

物理反應(yīng)機(jī)制是活性粒子轟擊待清洗表面，使污染物脫離表面;化學(xué)反應(yīng)機(jī)制是各種活性的粒子和污染物反應(yīng)生成易揮發(fā)性的物質(zhì)。

以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗，其優(yōu)點(diǎn)在于本身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，清潔表面不會(huì)留下任何的氧化物，可以保持被清洗物的化學(xué)純凈性;缺點(diǎn)就是對(duì)表面產(chǎn)生了很大的損害，會(huì)產(chǎn)生很大的熱效應(yīng)，對(duì)被清洗表面的各種不同物質(zhì)選擇性差，腐蝕速度較低。

表面反應(yīng)以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗。

例：Ar+e-→Ar++2e-

Ar++沾污→揮發(fā)性沾污

Ar+在自偏壓或外加偏壓作用下被加速產(chǎn)生動(dòng)能,然后轟擊放在負(fù)電極上的被清洗工件表面,一般用于去除氧化物、環(huán)氧樹脂溢出或是微顆粒污染物,同時(shí)進(jìn)行表面能活化。

以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗的優(yōu)點(diǎn)是清洗速度較高、選擇性好、對(duì)清除有機(jī)污染物比較有效，缺點(diǎn)是會(huì)在表面產(chǎn)生氧化物。和物理反應(yīng)相比較，化學(xué)反應(yīng)的缺點(diǎn)不易克服。

表面反應(yīng)以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗。

例1：O2+e-→2O※+e-

O※+有機(jī)物→CO2+H2O

從反應(yīng)式可見,氧等離子體通過化學(xué)反應(yīng)可使非揮發(fā)性有機(jī)物變成易揮發(fā)的H2O和CO2。

例2：H2+e-→2H※+e-

H※+非揮發(fā)性金屬氧化物→金屬+H2O

從反應(yīng)式可見,氫等離子體通過化學(xué)反應(yīng)可以去除金屬表面氧化層,清潔金屬表面。

并且兩種反應(yīng)機(jī)制對(duì)表面微觀形貌造成的影響有顯著不同，物理反應(yīng)能夠使表面在分子級(jí)范圍內(nèi)變得更加“粗糙”，從而改變表面的粘接特性。

還有一種等離子體清洗是表面反應(yīng)機(jī)制中物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)都起重要作用，即反應(yīng)離子腐蝕或反應(yīng)離子束腐蝕，兩種清洗可以互相促進(jìn)，離子轟擊使被清洗表面產(chǎn)生損傷削弱其化學(xué)鍵或者形成原子態(tài)，容易吸收反應(yīng)劑，離子碰撞使被清洗物加熱，使之更容易產(chǎn)生反應(yīng);其效果是既有較好的選擇性、清洗率、均勻性，又有較好的方向性。

常壓等離子清洗機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

等離子清洗原理圖

由于在等離子體噴槍的噴口處包含有大量的電子、離子、自由基和壓穩(wěn)態(tài)的分子和原子，當(dāng)該等離子體束流成分與被清洗的物質(zhì)接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生干化學(xué)反應(yīng)，從而清洗掉污染物。以下方程是活性氧原子的產(chǎn)生過程：

e+Ar—→Ar*+e

Ar*+O2—→Ar+O2*

O2*+e—→O+O*+e

活性氧原子（O*）是通過電荷之間的轉(zhuǎn)換和再結(jié)合產(chǎn)生的。圖2是氫等離子體和氧等離子體分別清洗氧化物和有機(jī)物的干化學(xué)過程。氫等離子體與氧化物作用，把氧化物分解成水；氧等離子體與有機(jī)物作用，把有機(jī)物分解為二氧化碳。兩個(gè)清洗過程所生成產(chǎn)物是水和二氧化碳，無任何液體廢物排放，不存在二次污染。

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