毛细管放电等离子体在材料在实验室设备定制处理中的应用

毛细管放电等离子体在实验室设备定制材料处理中的应用,毛细管放电等离子体以其高密度（>10²³m^-2）、高出口速度(>10⁴m/s)，高热流通量（可达GW/m²级别）、较高温度（1～5eV）等特点，广泛应用于电热化学炮、材料表面处理、纳米材料制备、激光波导、等离子体加速器以及等离子推进器等领域。毛细管放电等离子体可通过大容量高功率脉冲电源向等离子体发生器中的与两电极相连的金属细丝放电或者电极间的自由击穿，以形成初始电弧通过烧蚀毛细管中的器壁产气材料实验室设备定制（如聚乙烯PE、聚四氟乙烯PTFE、聚甲醛POM、尼龙66等）、石墨等产生。因此毛细管的放电过程是研究毛细管放电等离子体特性及其应用的关键所在。

    毛细管的放电过程属于烧蚀控制型放电，即放电过程通过等离子体对毛细管器壁材料的不断烧蚀来维持。烧蚀作用对外围等离子体进行冷却，以限制毛细管中等离子体的形态；而烧蚀产物进入等离子体以补充自喷口处随射流流失的质量。由上可见，烧蚀现象是毛细管放电等离子体发生器中最为重要的物理现象，是研究毛细管放电等离子体的基础。

    当高热流密度的毛细管放电等离子体射流对材料作用时，材料表面由于高热流沉积在短时间内快速熔化，又在短时间内快速冷凝，从而在材料表面形成了硬化薄膜，材料表面的硬度和耐磨性有了极大改观。利用这样的特性，利用这种特性可以将毛细管放电等离子体应用于材料表面处理领域。如果毛细管放电等离子体由某些已经精心选择好的材料（如铝、锆、硅、铬）组成，就可以控制镀膜的成分。

    利用毛细管放电等离子体发生器作为镀膜设备，其原理简单，实验室设备定制并不需要真空环境，操作较为方便。其结构与电热化学炮基本一致，毛细管放电等离子体发生器作为点火源，毛细管腔内装有镀膜材料粉，脉冲功率源对发生器放电，点燃镀膜材料粉产生等离子体射流，进而喷出对材料镀膜。

方法需要解决两大问题，第一，根据分析，使用铝粉、锆粉等放入毛细管中进行点燃，至少30%的粉末没有熔化，极大影响发生器的使用效率；第二，等离子体射流在在材料表面形成镀膜需要尽可能均匀。解决这两个问题需要选取合适的发生器尺寸和脉冲功率源参数，通常这种方法可加速的镀膜材料粉数量为同类技术的3～5倍，一次喷涂可产生约200μm厚的镀膜。

    镀单一元素的膜，可以采用在毛细管内添加粉末的方法，实验室设备定制但为了镀一些合成物膜（如SiC、MoSTi等），这种方法存在不足。于是，分段式的毛细管放电等离子体发生器概念可以很好地解决这一问题，通过控制毛细管器壁材料的比例来控制镀膜合成产物。