Induktionsplasma

Induktionsplasma , även kallad induktivt kopplad plasma, är en typ av högtemperaturplasma som genereras av elektromagnetisk induktion, vanligtvis kopplad med argongas. Magnetfältet inducerar en elektrisk ström i gasen som skapar plasman. Plasman kan nå temperaturer upp till 10 000 Kelvin. Induktiv plasmateknik används inom områden som pulversfäroidisering och syntes av nanomaterial. Tekniken appliceras via en induktionsplasmabrännare, som består av tre grundläggande element: induktionsspolen, en inneslutningskammare och ett brännarhuvud eller gasfördelare. Den största fördelen med denna teknik är elimineringen av elektroder, som kan försämras och införa föroreningar.

Historia

1960-talet var den begynnande perioden för termisk plasmateknologi, sporrad av behoven hos flygprogram . Bland de olika metoderna för termisk plasmagenerering spelar induktionsplasma (eller induktivt kopplad plasma) en viktig roll.

Tidiga försök att upprätthålla induktivt kopplad plasma på en gasström går tillbaka till Babat 1947 och Reed 1961. Ansträngningarna koncentrerades på de grundläggande studierna av energikopplingsmekanismen och egenskaperna hos flödes-, temperatur- och koncentrationsfälten i plasmaurladdning. På 1980-talet ökade intresset för högpresterande material och andra vetenskapliga frågor, och för induktionsplasma för industriella tillämpningar som avfallsbehandling . Betydande forskning och utveckling ägnades åt att överbrygga klyftan mellan laboratorieprylar och industriintegration. Efter decenniers ansträngningar har induktionsplasmateknik fått ett fast fotfäste i modern avancerad industri.

Generation

Induktionsvärme är en mogen teknik med århundraden av historia. En ledande metallbit, inuti en spole med hög frekvens, kommer att "induceras" och värmas upp till det glödheta tillståndet. Det finns ingen skillnad i kardinalprincip för vare sig induktionsuppvärmning eller " induktivt kopplad plasma ", bara att mediet som ska induceras, i det senare fallet, ersätts av den strömmande gasen, och den erhållna temperaturen är extremt hög, när den kommer till " materiens fjärde tillstånd"—plasma .

(vänster) Induktionsvärme; (höger) Induktivt kopplad plasma.

En induktivt kopplad plasmabrännare (ICP) är i huvudsak en kopparspole med flera varv, genom vilken kylvatten rinner för att avleda värmen som produceras under drift. ICP:erna har två driftlägen, kallat kapacitivt (E) läge med låg plasmadensitet och induktivt (H) läge med hög plasmadensitet, och E till H värmelägesövergång sker med externa ingångar. Spolen omsluter ett inneslutningsrör, inuti vilket induktionsplasma (H-läge) genereras. Ena änden av inneslutningsröret är öppen; plasman hålls faktiskt på ett kontinuerligt gasflöde. Under induktionsplasmadrift tillför generatorn en växelström (ac) av radiofrekvens (rf) till brännarspolen; denna AC inducerar ett alternerande magnetfält inuti spolen, efter Ampères lag (för en solenoidspole) :

$\phi _{B}=(\mu _{0}\,I_{c}\,N)(\pi \,r_ {0}^{2})\quad (1)$

där $\phi _{B}$ är magnetfältets flöde, $\mu _{0}$ är permeabilitetskonstanten $4\pi \ ,10^{-7}\,{\textrm {Wb/Am}}$ , $I_{c}$ är spolströmmen, $N$ är antalet spolvarv per längdenhet , och $r_{0}$ är medelradien för spolvarven.

Enligt Faradays lag kommer en variation i magnetfältsflöde att inducera en spänning eller elektromagnetisk kraft :

$E=-N(\Delta \phi _{B}/\Delta t)\quad (2)$

där $N$ är antalet spolvarv, och posten inom parentes är den hastighet med vilken flödet ändras. Plasman är ledande (förutsatt att det redan finns plasma i brännaren). Denna elektromagnetiska kraft, E, kommer i sin tur att driva en ström med densitet j i slutna slingor. Situationen är mycket lik uppvärmning av en metallstav i induktionsspolen: energi som överförs till plasmat försvinner via Joule-uppvärmning, j 2 ^R , från Ohms lag , där R är plasmaresistansen.

Eftersom plasman har en relativt hög elektrisk ledningsförmåga är det svårt för det alternerande magnetfältet att tränga igenom det, speciellt vid mycket höga frekvenser. Detta fenomen brukar beskrivas som " hudeffekten ". Det intuitiva scenariot är att de inducerade strömmarna som omger varje magnetlinje motverkar varandra, så att en nettoinducerad ström koncentreras endast nära plasmans periferi. Det betyder att den hetaste delen av plasma är off-axis. Därför är induktionsplasman något som ett "ringformigt skal". När man observerar på plasmaaxeln ser det ut som en ljus "bagel".

Induktionsplasma, observerad från sidan och från slutet

I praktiken är antändningen av plasma under lågtrycksförhållanden (<300 torr) nästan spontan när den rf-effekt som påförs spolen uppnår ett visst tröskelvärde (beroende på brännarens konfiguration, gasflöde etc.). Plasmagasens (vanligtvis argon) tillstånd kommer snabbt att gå från glödurladdning till bågbrott och skapa en stabil induktionsplasma. När det gäller atmosfäriskt omgivande tryck, åstadkoms tändning ofta med hjälp av en Tesla-spole , som producerar högfrekventa, högspänningsgnistor som inducerar lokalt bågbrott inuti brännaren och stimulerar en kaskad av jonisering av plasmagas , vilket slutligen resulterar i en stabil plasma.

Induktionsplasma ficklampa

Induktionsplasmabrännare för industriella applikationer

Induktionsplasmabrännare är kärnan i induktionsplasmateknologin. Trots att det finns hundratals olika konstruktioner består en induktionsplasmabrännare av i huvudsak tre komponenter:

Spole: Induktionsspolen består av flera spiralvarv, beroende på RF-strömkällans egenskaper. Spoleparametrar inklusive spolens diameter, antal spolvarv och radie för varje varv, specificeras på ett sådant sätt att en elektrisk "tankkrets" skapas med rätt elektrisk impedans. Spolar är typiskt ihåliga längs sin cylindriska axel, fyllda med intern vätskekylning (t.ex. avjoniserat vatten) för att mildra höga driftstemperaturer för spolarna som är resultatet av de höga elektriska strömmar som krävs under drift.
Instängningsrör: Detta rör tjänar till att begränsa plasman. Kvartsrör är den vanliga implementeringen. Röret kyls ofta antingen med tryckluft (<10 kW) eller kylvatten. Även om genomskinligheten hos kvartsrör krävs i många laboratorietillämpningar (som spektrumdiagnostik), utgör dess relativt dåliga mekaniska och termiska egenskaper en risk för andra delar (t.ex. o-ringstätningar) som kan skadas under den intensiva strålningen av hög -temperaturplasma. Dessa begränsningar begränsar användningen av kvartsrör till lågeffektbrännare (<30 kW). För industriella plasmaapplikationer med hög effekt (30~250 kW) används vanligtvis rör gjorda av keramiska material. Det ideala kandidatmaterialet kommer att ha god värmeledningsförmåga och utmärkt värmechockbeständighet. Tills vidare är kiselnitrid (Si ₃ N ₄ ) förstahandsvalet. Facklor med ännu större kraft använder en metallväggbur för plasmainneslutningsröret, med tekniska kompromisser med lägre effektkopplingseffektivitet och ökad risk för kemisk interaktion med plasmagaserna.
Gasdistributör: Ofta kallad ett brännarhuvud, denna del är ansvarig för införandet av olika gasströmmar i utloppszonen. I allmänhet finns det tre gasledningar som passerar till brännarens huvud. Beroende på deras avstånd till cirkelns mittpunkt benämns dessa tre gasströmmar också godtyckligt som Q ₁ , Q ₂ , och Q ₃ .

Q1 är bärargasen som vanligtvis införs i plasmabrännaren genom en injektor i mitten av brännarhuvudet _{. Som namnet indikerar det är Q}₁ :s funktion att överföra prekursorn (pulver eller vätska) till plasma. Argon är den vanliga bärargasen, men många andra reaktiva gaser (dvs. syre, NH ₃ , CH ₄ , etc.) är ofta involverade i bärargasen, beroende på bearbetningsbehovet.

Q ₂ är den plasmabildande gasen, vanligen kallad "Centralgasen". I dagens design med induktionsplasmabrännare är det nästan ovanligt att den centrala gasen förs in i brännarkammaren genom tangentiell virvling. Den virvlande gasströmmen upprätthålls av ett inre rör som ringlar virveln tills till nivån för det första varvet av induktionsspolen. Alla dessa tekniska koncept syftar till att skapa det korrekta flödesmönster som krävs för att säkerställa stabiliteten hos gasutsläppet i mitten av spolområdet.

Q3 kallas vanligen för "Sheath Gas" som införs utanför det inre röret som nämns ovan _. Flödesmönstret för Q ₃ kan vara antingen virvel eller rakt. Skyddsgasens funktion är tvåfaldig. Det hjälper till att stabilisera plasmaurladdningen; viktigast av allt, det skyddar inneslutningsröret, som ett kylmedium.

Plasmagaser och plasmaprestanda

Minsta effekt för att upprätthålla en induktionsplasma beror på tryck, frekvens och gassammansättning. Den lägre hållkraftsinställningen uppnås med hög rf-frekvens, lågt tryck och monoatomisk gas, såsom argon. När diatomisk gas väl har införts i plasman, skulle uppehållskraften ökas drastiskt, eftersom extra dissociationsenergi krävs för att först bryta gasformiga molekylära bindningar, så att ytterligare excitation till plasmatillstånd är möjlig. De viktigaste skälen till att använda diatomiska gaser i plasmabearbetning är (1) för att få ett plasma med högt energiinnehåll och god värmeledningsförmåga (se tabell nedan), och (2) för att anpassa bearbetningskemin.

Gas	Specifik vikt	Termisk dissociationsenergi (eV)	Joniseringsenergi (eV)	Värmeledningsförmåga (W/m·K )	Entalpi (MJ/mol)
Ar	1,380	—	15,76	0,644	0,24
han	0,138	—	24.28	2,453	0,21
H ₂	0,069	4,59	13,69	3,736	0,91
N ₂	0,967	9,76	14.53	1,675	1,49
O ₂	1,105	5.17	13,62	1,370	0,99
Luft	1 000	—	—	1,709	1,39

I praktiken bestäms valet av plasmagaser i en induktionsplasmabehandling först av processkemin, dvs om behandlingen kräver en reduktiv eller oxidativ eller annan miljö. Därefter kan lämplig andra gas väljas och tillsättas till argon, för att få en bättre värmeöverföring mellan plasma och de material som ska behandlas. Ar–He, Ar–H ₂ , Ar–N ₂ , Ar–O ₂ , luft, etc. blandning är mycket vanligt förekommande induktionsplasma. Eftersom energiförlusten i urladdningen sker väsentligen i det yttre ringformiga skalet av plasma, införs vanligen den andra gasen tillsammans med mantelgasledningen, snarare än den centrala gasledningen.

Industriell tillämpning av induktionsplasmateknik

Efter utvecklingen av induktionsplasmateknologin i laboratorier har de stora fördelarna med induktionsplasma särskiljts:

Utan oro för erosion och kontaminering av elektroden, på grund av den olika plasmagenereringsmekanismen jämfört med andra plasmametoder, till exempel, likströms icke-överföringsbåge (DC) plasma.
Möjligheten för axiell matning av prekursorer, som är fasta pulver eller suspensioner, vätskor. Denna egenskap övervinner svårigheten att utsätta material för plasmans höga temperatur, från den höga viskositeten hos plasmans höga temperatur.
På grund av icke-elektrodproblem är ett brett mångsidigt kemival möjligt, dvs. brännaren kan fungera i antingen reduktiva eller oxidativa, till och med korrosiva förhållanden. Med denna förmåga fungerar en induktionsplasmabrännare ofta inte bara som en värmekälla med hög temperatur och hög entalpi, utan också som kemiska reaktionskärl.
Relativt lång uppehållstid för prekursor i plasmaplymen (flera millisekunder upp till hundratals millisekunder), jämfört med DC-plasma.
Relativt stor plasmavolym.

Dessa egenskaper hos induktionsplasmateknologi har funnit nischtillämpningar i industriell skala under det senaste decenniet. Den framgångsrika industriella tillämpningen av induktionsplasmaprocess beror till stor del på många grundläggande tekniska stöd. Till exempel den industriella plasmabrännarens design, som tillåter hög effektnivå (50 till 600 kW) och lång varaktighet (tre skift på 8 timmar/dag) av plasmabearbetning. Ett annat exempel är pulvermatare som transporterar stora mängder fast prekursor (1 till 30 kg/h) med pålitlig och exakt leveransprestanda.

Det finns många exempel på industriella tillämpningar av induktionsplasmateknologi, såsom sfäroidisering av pulver, syntes av pulver i nanostorlek, induktionsplasmasprutning, avfallsbehandlingar och inom områdena sfäroidisering och syntes av nanomaterial .

Pulver sfäroidisering

de sfäroidiserade gjutna volframkarbidpulvret

Kravet på sfäroidisering av pulver (liksom förtätning) kommer från mycket olika industriområden, från pulvermetallurgi till elektronisk förpackning. Generellt sett är det trängande behovet för en industriell process för att övergå till sfäriska pulver att söka åtminstone en av följande fördelar som är resultatet av sfäroidiseringsprocessen:

Förbättra pudrets flytförmåga.
Öka pulvrets packningsdensitet.
Eliminera pulver inre hålrum och frakturer.
Ändra ytmorfologin för partiklarna.
Andra unika motiv, såsom optisk reflektion, kemisk renhet etc.

Sfäroidisering är en process av smältning under flygning. Pulverprekursorn med vinkelform införs i induktionsplasma och smälts omedelbart i plasmans höga temperaturer. De smälta pulverpartiklarna antar den sfäriska formen under inverkan av ytspänning i flytande tillstånd. Dessa droppar kommer att kylas ner drastiskt när de flyger ut ur plasmaplymen, på grund av den stora temperaturgradienten som är spännande i plasman. De kondenserade sfärerna samlas således upp som sfäroidiseringsprodukter.

En stor variation av keramer, metaller och metallegeringar har framgångsrikt sfäroidiserats/förtätats med induktionsplasmasfäroidisering. Följande är några typiska material sfäroidiserade i kommersiell skala.

Oxidkeramik: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , glas
Icke-oxider: WC, WC–Co, CaF ₂ , TiN
Metaller: Re, Ta, Mo, W
Legeringar: Cr–Fe–C, Re–Mo, Re–W

Syntes av nanomaterial

Det är den ökade efterfrågan på nanopulver som främjar den omfattande forskningen och utvecklingen av olika tekniker för nanometriska pulver. Utmaningarna för en industriell applikationsteknologi är produktivitet, kvalitetskontrollerbarhet och överkomliga priser. Induktionsplasmateknik implementerar förångning av prekursor under flygning, även de råvaror som har den högsta kokpunkten; arbetar under olika atmosfärer, vilket möjliggör syntes av en stor variation av nanopulver, och blir därmed mycket mer tillförlitlig och effektiv teknik för syntes av nanopulver i både laboratorie- och industriell skala. Induktionsplasma som används för nanopulversyntes har många fördelar jämfört med de alternativa teknikerna, såsom hög renhet, hög flexibilitet, lätt att skala upp, lätt att använda och processkontroll.

I nanosyntesprocessen värms material först upp till avdunstning i induktionsplasma, och ångorna utsätts därefter för en mycket snabb släckning i släcknings-/reaktionszonen. Släckgasen kan vara inerta gaser såsom Ar och N ₂ eller reaktiva gaser såsom CH ₄ och NH ₃ , beroende på vilken typ av nanopulver som ska syntetiseras. De nanometriska pulvren som produceras samlas vanligtvis upp av porösa filter, som installeras bort från plasmareaktorsektionen. På grund av metallpulvers höga reaktivitet bör särskild uppmärksamhet ägnas åt pulverpacifiering innan det uppsamlade pulvret avlägsnas från processens filtreringsdel.

Induktionsplasmasystemet har framgångsrikt använts i syntesen av nanopulver. Det typiska storleksintervallet för de producerade nanopartiklarna är från 20 till 100 nm, beroende på de släckningsförhållanden som används. Produktiviteten varierar från några hundra g/h till 3~4 kg/h, beroende på de olika materialens fysiska egenskaper. Ett typiskt induktionssystem för nanosyntes i plasma för industriell tillämpning visas nedan. Bilder på någon nanoprodukt från samma utrustning ingår.

Galleri

De flagnande sammankopplade rheniumpulvren blir täta separata sfärer efter induktionsplasmasfäroidiseringsbearbetningen
SiO ₂ -pulvret sfäroidiserat av induktionsplasma (luftplasma), uteffekt 15~20 kg/h
Induktionsplasmainstallationen för nanopulversyntes
Några prover av nanopartiklarna framställda genom induktionsplasmabearbetning

Sammanfattning

Induktionsplasmateknologi uppnår främst de ovan nämnda processerna med högt mervärde. Förutom "sfäroidisering" och "nanomaterialsyntes" kan högriskavfallsbehandling, deponering av eldfast material , syntes av ädla material etc. bli nästa industriella områden för induktionsplasmateknologi.

Se även

Anteckningar