1. Що таке плазма?
Плазма, четвертий агрегатний стан, є іонізованою газоподібною речовиною, що складається з атомів, у яких частина електронів вилучена, а також позитивні та негативні іони, що утворюються після іонізації атомів. Цей іонізований газ складається з атомів, молекул, атомних груп, іонів і електронів. Його застосування на поверхні об'єктів може досягти ультрачистого очищення, активації поверхні, травлення та плазмового покриття поверхні об'єктів.
2. Як штучно отримати плазму?
Плазма може бути створена за допомогою штучних засобів, таких як ядерний синтез, ядерний поділ, тліючий розряд і різні типи розрядів. Різні типи плазми також можна отримати за допомогою методів штучного розряду, в основному включаючи: світіння (люмінесцентні лампи), дугу (електрична дуга) і коронний розряд (часто спостерігається навколо високовольтних ліній). Для прецизійного очищення поверхні, активації та модифікації поверхні, а також обробки поверхні біоінженерних матеріалів, пластмас і паперу в основному використовується низькотемпературна плазма, що генерується тліючим розрядом, коронним розрядом і діелектричним бар’єрним розрядом.
У високочастотному електричному полі молекули газу, такі як кисень, азот, метан і водяна пара під низьким тиском можуть розкладатися на прискорені атоми і молекули під час тліючого розряду. Утворені таким чином електрони та атоми й молекули, роз’єднані на позитивні й негативні заряди, стикаються з навколишніми молекулами чи атомами, що призводить до збудження електронів у молекулах і атомах, які самі перебувають у збудженому чи іонному стані. У цей момент речовина знаходиться в стані плазми.
3. Які існують види плазми?
1) Високотемпературна плазма і низькотемпературна плазма. Високотемпературна плазма відноситься до повністю іонізованої або локально термічно врівноваженої плазми, де температура електронів точно дорівнює температурам іонів і газу. Температури всіх частинок майже однакові. Температура надзвичайно висока, зазвичай досягає 10 6−10 8 K (приблизно 100-100 мільйонів градусів Цельсія). Низькотемпературна плазма знаходиться в стані нетеплової рівноваги, де температура електронів значно вища за температури іонів і нейтральних частинок. У зв'язку з надмірною інтенсивністю впливу високотемпературної плазми на поверхню об'єктів вона рідко використовується на практиці, і в даний час використовується тільки низькотемпературна плазма.
2) Плазма реактивних і неактивних газів. Ця класифікація базується на хімічних властивостях газів, які використовуються для генерації плазми. Нереакційноздатні гази включають аргон (Ar), азот (N2), фтористий азот (NF3), тетрафтористий вуглець (CF4) тощо, тоді як реакційноздатні гази включають кисень (O2), водень (H2) тощо. Механізми реакції різних типів газів під час процесу очищення відрізняються, причому плазма реактивних газів виявляє сильнішу хімічну реакційну здатність.
4. Яка взаємодія між плазмою та поверхнею предмета?
Хімічна реакція між плазмою та поверхнею деталі значно відрізняється від звичайних хімічних реакцій. Завдяки бомбардуванню високошвидкісними електронами багато газів або парів, які є стабільними при кімнатній температурі, можуть реагувати з поверхнею заготовки у формі плазми, створюючи багато унікальних і корисних ефектів:
1) Очищення та травлення: наприклад, під час очищення кисень часто використовується як робочий газ. Під час бомбардування прискореними електронами він перетворюється на іони кисню та вільні радикали, які виявляють сильні окисні властивості. Забруднювачі на поверхні заготовки, такі як мастило, флюс, фоторезист, роздільний агент і масло для пуансона, швидко окислюються до вуглекислого газу та води, які потім відкачуються вакуумним насосом, досягаючи мети очищення поверхні та покращення змочуваності та адгезії. Низькотемпературна плазмова обробка стосується лише неглибокої поверхні (<10 нм) матеріалу і не впливає на властивості основного матеріалу. Оскільки очищення плазми відбувається під високим вакуумом, різноманітні активні іони в плазмі мають велику довжину вільного пробігу, а їх здатність до проникнення та проникнення є сильними, що дозволяє обробляти складні структури, включаючи тонкі трубки та глухі отвори.
2) Введення функціональних груп: плазмова обробка полімерних матеріалів такими газами, як N2, NH3, O2 і SO2, може змінити хімічний склад поверхні та ввести відповідні нові функціональні групи: -NH2, -OH, -COOH, -SO3H тощо. Ці функціональні групи можуть перетворити повністю інертні субстрати, такі як поліетилен, поліпропілен, полістирол і політетрафторетилен, у функціональні матеріали, покращуючи поверхню. полярність, змочуваність, здатність до зв’язування, реакційна здатність і значно підвищують їх споживчу цінність. На відміну від кисневої плазми, низькотемпературна плазмова обробка фторвмісними газами може вводити атоми фтору на поверхню підкладки, надаючи підкладці гідрофобність.
3) Полімеризація: багато вінілових мономерів, таких як етилен і стирол, можуть полімеризуватися на поверхні заготовок в умовах плазми без необхідності використання будь-яких інших каталізаторів чи ініціаторів. Навіть речовини, які не можуть бути полімеризовані в звичайних умовах, такі як метан, етан і бензол, можуть піддаватися полімеризації зшивання на поверхні заготовок в умовах плазми. Цей полімеризований шар може бути дуже щільним і міцно зв'язаним з підкладкою. За кордоном пластикові пивні пляшки та автомобільні паливні баки покриваються таким щільним шаром за допомогою плазмової полімеризації, щоб запобігти мікровитокам. Поверхня біомедичних полімерних матеріалів також може бути покрита цим щільним шаром, щоб запобігти дифузії токсичних речовин, таких як пластифікатори, з пластику в тканини людини. Оптичні компоненти часто можуть бути покриті відповідною оптичною плівкою на їх поверхні за допомогою заходів плазмової полімеризації, щоб підвищити продуктивність оптичних компонентів.
4) Плазмоіндукована щеплення:
Процес передбачає генерацію активних вільних радикалів на поверхні полімерних матеріалів за допомогою попередньої плазмової обробки, що запускає полімеризацію вінілових мономерів на поверхні матеріалу. Плазма також може викликати реакції прищеплення на певних нерівних поверхнях, таких як внутрішні стінки пляшок. Вибираючи відповідні мономери щеплення та контролюючи відповідні умови реакції щеплення, можна змінити гідрофільність або водовідштовхування, адгезію, корозійну стійкість, зносостійкість, провідність, селективність проникності та біосумісність матеріалу. Таким чином, плазмове щеплення є дуже інноваційним і має великі перспективи застосування.
