Индукционная плазма

Индукционная плазма , также называемая индуктивно-связанной плазмой, представляет собой тип высокотемпературной плазмы, генерируемой электромагнитной индукцией, обычно в сочетании с газообразным аргоном. Магнитное поле индуцирует электрический ток внутри газа, который создает плазму. Плазма может достигать температуры до 10 000 Кельвинов. Технология индуктивной плазмы используется в таких областях, как сфероидизация порошков и синтез наноматериалов. Технология применяется с помощью индукционной плазмотрона, который состоит из трех основных элементов: индукционной катушки, удерживающей камеры и головки горелки или газораспределителя. Основным преимуществом этой технологии является отсутствие электродов, которые могут портиться и загрязняться.

История

1960-е годы были периодом зарождения термоплазменной технологии, вызванной потребностями аэрокосмических программ . Среди различных методов генерации тепловой плазмы индукционная плазма (или индуктивно-связанная плазма важную роль играет ).

Ранние попытки поддерживать индуктивно-связанную плазму в потоке газа относятся к Бабату. ^[1] в 1947 году и Рид ^[2] в 1961 г. Усилия были сосредоточены на фундаментальных исследованиях механизма энергетической связи и характеристик полей потока, температуры и концентрации в плазменном разряде. В 1980-х годах возрастал интерес к высокопроизводительным материалам и другим научным проблемам, а также к индукционной плазме для промышленных применений, таких как переработка отходов . Существенные исследования и разработки были посвящены преодолению разрыва между лабораторными гаджетами и интеграцией в промышленность. После десятилетий усилий технология индукционной плазмы прочно закрепилась в современной передовой промышленности.

Поколение

Индукционный нагрев — это зрелая технология с многовековой историей. Проводящая металлическая деталь внутри высокочастотной катушки будет «индуцирована» и нагрета до раскаленного состояния. » нет Принципиальной разницы между индукционным нагревом и « индуктивно-связанной плазмой , только то, что среда, которую необходимо индуцировать, в последнем случае заменяется текущим газом, и получаемая температура чрезвычайно высока, поскольку она достигает « четвертое состояние материи» — плазма .

Горелка с индуктивно-связанной плазмой (ICP) по существу представляет собой медную катушку из нескольких витков, через которую протекает охлаждающая вода для рассеивания тепла, образующегося во время работы. ИСП имеют два режима работы: емкостный (E) режим с низкой плотностью плазмы и индуктивный (H) режим с высокой плотностью плазмы, а переход режима нагрева из E в H происходит при помощи внешних входов. ^[3] Катушка охватывает удерживающую трубку, внутри которой генерируется индукционная плазма (H-режим). Один конец удерживающей трубки открыт; плазма фактически поддерживается в непрерывном газовом потоке. Во время работы индукционной плазмы генератор подает переменный ток (переменный ток) радиочастоты (РЧ) на катушку горелки; этот переменный ток индуцирует переменное магнитное поле внутри катушки по закону Ампера (для соленоидной катушки) :

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

где, $\phi _{B}$ – поток магнитного поля, $\mu _{0}$ постоянная проницаемости $4\pi \,10^{-7}\,{\textrm {Wb/A.m}}$ , $I_{c}$ ток катушки, $N$ - количество витков катушки на единицу длины, а $r_{0}$ - средний радиус витков катушки.

Согласно закону Фарадея , изменение потока магнитного поля вызывает напряжение или электромагнитную силу :

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

где, $N$ — количество витков катушки, а в скобках — скорость изменения магнитного потока. Плазма является проводящей (при условии, что плазма уже существует в факеле). Эта электромагнитная сила E, в свою очередь, будет вызывать ток плотности j в замкнутых контурах. Ситуация во многом аналогична нагреву металлического стержня в индукционной катушке: энергия, переданная плазме, рассеивается за счет джоулева нагрева, j ²R, из закона Ома , где R — сопротивление плазмы.

Поскольку плазма обладает относительно высокой электропроводностью, переменному магнитному полю трудно проникнуть в нее, особенно на очень высоких частотах. Это явление обычно называют « скин-эффектом ». Интуитивный сценарий заключается в том, что индуцированные токи, окружающие каждую магнитную линию, противодействуют друг другу, так что чистый индуцированный ток концентрируется только вблизи периферии плазмы. Это означает, что самая горячая часть плазмы находится вне оси. Поэтому индукционная плазма представляет собой что-то вроде «кольцевой оболочки». Если смотреть на ось плазмы, то он выглядит как яркий «бублик».

На практике воспламенение плазмы в условиях низкого давления (<300 Торр) происходит практически самопроизвольно, как только радиочастотная мощность, воздействующая на катушку, достигает определенного порогового значения (зависит от конфигурации факела, скорости потока газа и т. д.). Состояние плазменного газа (обычно аргона) быстро переходит от тлеющего разряда к разрыву дуги и создает стабильную индукционную плазму. В случае атмосферного давления окружающей среды зажигание часто осуществляется с помощью катушки Теслы , которая создает высокочастотные электрические искры высокого напряжения, которые вызывают локальное загорание дуги внутри факела и стимулируют каскад ионизации плазменного газа. , что в конечном итоге приводит к стабильной плазме.

Индукционная плазменная горелка

Индукционная плазменная горелка является основой индукционной плазменной технологии. Несмотря на существование сотен различных конструкций, индукционный плазмотрон состоит, по сути, из трех компонентов:

Катушка: Индукционная катушка состоит из нескольких витков спирали, в зависимости от характеристик источника ВЧ-питания. Параметры катушки, включая диаметр катушки, количество витков катушки и радиус каждого витка, заданы таким образом, чтобы создать электрическую «резервуарную цепь» с соответствующим электрическим сопротивлением. Катушки обычно являются полыми вдоль своей цилиндрической оси и заполнены внутренней жидкостью для охлаждения (например, деионизированной водой) для смягчения высоких рабочих температур катушек, возникающих в результате высоких электрических токов, необходимых во время работы.
Удерживающая трубка: Эта трубка служит для удержания плазмы. Кварцевая трубка является распространенным вариантом. Трубку часто охлаждают либо сжатым воздухом (<10 кВт), либо охлаждающей водой. Хотя прозрачность кварцевой трубки требуется во многих лабораторных приложениях (например, при спектральной диагностике), ее относительно плохие механические и термические свойства создают риск для других частей (например, уплотнительных колец), которые могут быть повреждены под интенсивным излучением высокой мощности. -температурная плазма. Эти ограничения ограничивают использование кварцевых трубок только для горелок малой мощности (<30 кВт). Для промышленных применений плазмы высокой мощности (30–250 кВт) обычно используются трубки из керамических материалов. ^[4] Идеальный материал-кандидат должен обладать хорошей теплопроводностью и превосходной стойкостью к термическому удару. На данный момент _{нитрид кремния (Si 3} N ₄ предпочтительным вариантом является ). В горелках еще большей мощности используется металлическая стенная клетка для трубки удержания плазмы, что дает инженерный компромисс в виде более низкой эффективности связи по мощности и повышенного риска химического взаимодействия с плазменными газами.
Распределитель газа: Эта часть, которую часто называют головкой горелки, отвечает за введение различных газовых потоков в зону разряда. Обычно к головке горелки проходят три газопровода. В зависимости от расстояния до центра круга эти три газовых потока также условно называются Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ .

Q ₁ представляет собой газ-носитель, который обычно вводится в плазмотрон через инжектор в центре головки горелки. Как следует из названия, функция Q ₁ заключается в транспортировке предшественника (порошков или жидкости) в плазму. Аргон является обычным газом-носителем, однако в состав газа-носителя часто входят многие другие химически активные газы (например, кислород, NH ₃ , CH ₄ и т.д.), в зависимости от требований обработки.

Q ₂ представляет собой плазмообразующий газ, обычно называемый «центральным газом». В современной конструкции индукционной плазменной горелки практически не является исключением тот факт, что центральный газ вводится в камеру горелки посредством тангенциального завихрения. Закрученный газовый поток поддерживается внутренней трубкой, которая окружает завихрение до уровня первого витка индукционной катушки. Все эти инженерные концепции направлены на создание правильной схемы потока, необходимой для обеспечения стабильности газового разряда в центре области змеевика.

Q ₃ обычно называют « оболочкой газа », который вводится снаружи внутренней трубки, упомянутой выше. Характер течения Q ₃ может быть как вихревым, так и прямолинейным. Функция покровного газа двоякая. Это помогает стабилизировать плазменный разряд; самое главное, он защищает удерживающую трубку как охлаждающую среду.

Плазменные газы и характеристики плазмы

Минимальная мощность для поддержания индукционной плазмы зависит от давления, частоты и состава газа. Более низкая настройка поддерживающей мощности достигается при высокой радиочастоте, низком давлении и одноатомном газе, например аргоне. Как только двухатомный газ будет введен в плазму, поддерживающая мощность будет резко увеличена, поскольку сначала требуется дополнительная энергия диссоциации, чтобы разорвать газообразные молекулярные связи, а затем становится возможным дальнейшее возбуждение до состояния плазмы. Основными причинами использования двухатомных газов при плазменной обработке являются (1) получение плазмы с высоким содержанием энергии и хорошей теплопроводностью (см. Таблицу ниже) и (2) соответствие химическому составу обработки.

Газ	Специфический гравитация ^[а]	Термальный диссоциация энергия (эВ)	Ионизация энергия (эВ)	Термальный проводимость ^[б] (Вт/м·К)	Энтальпия ^[б] (МДж/моль)
С	1.380	—	15.76	0.644	0.24
Он	0.138	—	24.28	2.453	0.21
Ч ₂	0.069	4.59	13.69	3.736	0.91
№ ₂	0.967	9.76	14.53	1.675	1.49
О ₂	1.105	5.17	13.62	1.370	0.99
Воздух	1.000	—	—	1.709	1.39

На практике выбор плазменных газов при индукционной плазменной обработке в первую очередь определяется химией обработки, т.е. требует ли обработка восстановительной, окислительной или другой среды. Затем можно выбрать подходящий второй газ и добавить его к аргону, чтобы улучшить теплообмен между плазмой и обрабатываемыми материалами. Ar-He, Ar-H ₂ , Ar-N ₂ , Ar-O ₂ , воздух и т.д. смеси являются очень часто используемыми индукционными плазмами. Поскольку диссипация энергии в разряде происходит преимущественно во внешней кольцевой оболочке плазмы, второй газ обычно вводится вместе с оболочкой, а не с центральной газовой линией.

Промышленное применение индукционной плазменной технологии

После развития технологии индукционной плазмы в лабораториях были выявлены основные преимущества индукционной плазмы:

Индукционная плазма позволяет создать плазму высокой чистоты без загрязнения электродов, как в случае с плазмой постоянного тока.
Возможность осевой подачи прекурсоров, представляющих собой твердые порошки или суспензии, жидкости. Эта особенность позволяет подвергать материалы воздействию высокой температуры плазмы до 10000 °С.
Благодаря отсутствию электродов возможен широкий выбор технологических газов, т.е. горелка может работать как в восстановительной, так и в окислительной и даже агрессивной атмосфере. Благодаря этой возможности индукционная плазменная горелка часто работает не только как высокотемпературный источник тепла с высокой энтальпией, но и как сосуд для химических реакций.
Относительно большое время пребывания прекурсора в плазменном факеле (от нескольких миллисекунд до сотен миллисекунд) по сравнению с плазмой постоянного тока.
Относительно большой объем плазмы.

Эти особенности индукционной плазменной технологии за последнее десятилетие нашли нишевое применение в промышленном масштабе. Успешное промышленное применение индукционно-плазменного процесса во многом зависит от многих фундаментальных инженерных решений. Например, промышленная конструкция плазмотрона, обеспечивающая высокую мощность (от 50 до 600 кВт) и большую продолжительность (три смены по 8 часов в день) плазменной обработки. Другим примером являются порошковые питатели, которые транспортируют большое количество твердого предшественника (от 1 до 30 кг/ч) с надежной и постоянной скоростью подачи.

Существует множество примеров промышленного применения индукционно-плазменных технологий, таких как сфероидизация порошков, синтез наноразмерных порошков, индукционное плазменное напыление, обработка отходов. ^[5]^[6]

Сфероидизация порошка

Плотная микроструктура сфероидизированных литых карбида вольфрама. порошков

Потребность в сфероидизации порошков (как и в уплотнении) исходит из самых разных областей промышленности: от порошковой металлургии до электронной упаковки. Вообще говоря, острая необходимость перехода промышленного процесса к сферическим порошкам заключается в поиске хотя бы одного из следующих преимуществ, которые возникают в результате процесса сфероидизации:

Улучшите сыпучесть порошков.
Увеличить плотность упаковки порошков.
Устранить внутренние полости и трещины порошка.
Измените морфологию поверхности частиц.
Другие уникальные мотивы, такие как оптическое отражение, химическая чистота и т. д.

сфероидизация – это процесс плавления в полете. ^[7] Порошковый предшественник угловой формы вводится в индукционную плазму и сразу же плавится при высоких температурах плазмы. Частицы расплавленного порошка принимают сферическую форму под действием поверхностного натяжения жидкого состояния. Эти капли будут резко охлаждаться при вылете из плазменного факела из-за большого температурного градиента, возбуждающегося в плазме. Таким образом, затвердевшие сферы собираются как продукты сфероидизации. Поскольку в этом процессе не используются электроды или тигли, можно поддерживать очень высокую чистоту. Технология доступна как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. ^[8]

Большое разнообразие керамики, металлов и металлических сплавов было успешно сфероидизировано/уплотнено с помощью сфероидизации индукционной плазмой. Благодаря высокой температуре плазмы можно сфероидизировать даже материалы с очень высокими температурами плавления. Ниже приведены некоторые типичные материалы, которые сфероидизируются в коммерческих масштабах.

Оксидная керамика: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , стекло.
Неоксиды: WC, WC–Co, CaF ₂ , TiN.
Металлы: Re, Ta, Mo, W
Сплавы: Cr–Fe–C, Re–Mo, Re–W, тугоплавкие высокоэнтропийные сплавы. ^[9]

Преимущества сфероидизации порошка по сравнению с газовым распылением:

Высокий выход (сфероидизированные порошки имеют тот же гранулометрический состав, что и исходный порошок)
Широкий выбор материалов (почти вся керамика и металлы)
Высокая чистота (отсутствие загрязнений от электродов и тиглей)
Возможность переработки использованных порошков за счет улучшения сферичности и в некоторых случаях снижения содержания кислорода.
Высокая сферичность, низкая пористость и отсутствие сателлитов.

Синтез наноматериалов

Именно возросший спрос на нанопорошки способствует обширным исследованиям и разработкам различных методов синтеза нанопорошков. Задачами технологии промышленного применения являются производительность, контроль качества и доступность. Технология индукционной плазмы реализует испарение в полете прекурсора, даже сырья с самой высокой температурой кипения; работая в различных атмосферах, позволяя синтезировать самые разнообразные нанопорошки и, таким образом, стать гораздо более надежной и эффективной технологией синтеза нанопорошков как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Индукционная плазма, используемая для синтеза нанопорошков, имеет множество преимуществ перед альтернативными методами, таких как высокая чистота, высокая гибкость, простота масштабирования, простота в эксплуатации и управлении процессом.

В процессе наносинтеза материал сначала нагревается до испарения в индукционной плазме, а затем пары подвергаются очень быстрой закалке в зоне закалки/реакции. Охлаждающим газом могут быть инертные газы, такие как Ar и N ₂ , или химически активные газы, такие как CH ₄ и NH ₃ , в зависимости от типа синтезируемых нанопорошков. Полученные нанопорошки обычно собираются пористыми фильтрами, которые устанавливаются вдали от секции плазменного реактора. Из-за высокой реакционной способности металлических порошков особое внимание следует уделять пацификации порошка перед удалением собранного порошка из секции фильтрации процесса.

Индукционно-плазменная система успешно применяется при синтезе нанопорошков. Типичный диапазон размеров получаемых наночастиц составляет от 20 до 100 нм, в зависимости от используемых условий закалки. Производительность варьируется от нескольких сотен г/ч до 3–4 кг/ч в зависимости от физических свойств различных материалов и уровня мощности плазмы. Типичная система индукционно-плазменного наносинтеза для промышленного применения показана ниже. Приложены фотографии некоторых наноизделий, изготовленных на том же оборудовании.

Плазменные аэродинамические трубы

При входе в атмосферу космические корабли подвергаются воздействию высоких тепловых потоков и нуждаются в защите материалами систем теплозащиты . Для разработки эти материалы необходимо протестировать в аналогичных условиях. Плазменные аэродинамические трубы, также называемые высокоэнтальпийными наземными испытательными установками, воспроизводят эти условия. Индукционная плазма используется в этих плазменных аэродинамических трубах, поскольку она может генерировать плазму с высокой энтальпией, свободную от загрязнений. ^[10]

Галерея

После обработки индукционной плазменной сфероидизацией чешуйчатые переплетенные порошки рения превращаются в плотные отдельные сферы.
Порошок SiO ₂ сфероидизированный индукционной плазмой (воздушная плазма), производительность 15~20 кг/ч.
Индукционно-плазменная установка для синтеза нанопорошков
Некоторые образцы наночастиц, полученных методом индукционно-плазменной обработки

Краткое содержание

Технология индукционной плазмы позволяет достичь в основном вышеупомянутых процессов с высокой добавленной стоимостью. Помимо «сфероидизации» и «синтеза наноматериалов», переработка отходов высокого риска , нанесение огнеупорных материалов , синтез благородных материалов следующими промышленными областями для индукционной плазменной технологии могут стать и т. д.

См. также

Плазменный маршевый двигатель

Примечания

^ при стандартной температуре и давлении
^ Jump up to: ^а ^б и 10000 К

Ссылки

^ Бабат, Георгий I (1947). «Безэлектродные разряды и некоторые смежные проблемы». Журнал Института инженеров-электриков - Часть III: Радиотехника и техника связи . 94 (27): 27–37. дои : 10.1049/ji-3-2.1947.0005 .
^ Рид, Томас Б. (1961). «Плазмотрон с индукционной связью». Журнал прикладной физики . 32 (5): 821–824. Бибкод : 1961JAP....32..821R . дои : 10.1063/1.1736112 .
^ Хё-Чанг Ли (2018) Обзор индуктивно связанной плазмы: наноприложения и физика бистабильного гистерезиса 5 011108 https://doi.org/10.1063/1.5012001
^ Патент США 5200595.
^ М. И. Булос, «Разработки радиочастотной плазмы, масштабирование и промышленное применение», Журнал высокотемпературных химических процессов , 1 (1992) 401–411.
^ М. И. Булос, «Индуктивно связанная радиочастотная плазма», Высокотемпературные процессы с материалами: Международный ежеквартальный журнал высокотехнологичных плазменных процессов , 1 (1997) 17–39
^ Булос, Махер. «С помощью плазменной энергии можно создавать более качественные порошки» . Отчет о металлическом порошке . 59 (5): 16–21. дои : 10.1016/S0026-0657(04)00153-5 .
^ Текна. «Системы сфероидизации | Текна» . www.tekna.com . Проверено 29 мая 2024 г.
^ Абдулла, Мухаммад Райес; Пэн, Чжэнь (июнь 2024 г.). " "Обзор и перспективы аддитивного производства тугоплавких высокоэнтропийных сплавов" " . Материалы сегодня продвигаются . 22 : 100497. doi : 10.1016/j.mtadv.2024.100497 . ISSN 2590-0498 .
^ Сирмалла, Пратамеш Р.; Мунафо, Алессандро; Кумар, Санджив; Бодони, Дэниел Дж.; Панези, Марко (04 января 2024 г.). «Моделирование плазменной струи в установке Plasmatron X ICP» . Форум AIAA SCITECH 2024 . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2024-1685 .

[5] при стандартной температуре и давлении

[k-6] Jump up to: ^а ^б и 10000 К

[1] Бабат, Георгий I (1947). «Безэлектродные разряды и некоторые смежные проблемы». Журнал Института инженеров-электриков - Часть III: Радиотехника и техника связи . 94 (27): 27–37. дои : 10.1049/ji-3-2.1947.0005 .

[2] Рид, Томас Б. (1961). «Плазмотрон с индукционной связью». Журнал прикладной физики . 32 (5): 821–824. Бибкод : 1961JAP....32..821R . дои : 10.1063/1.1736112 .

[3] Хё-Чанг Ли (2018) Обзор индуктивно связанной плазмы: наноприложения и физика бистабильного гистерезиса 5 011108 https://doi.org/10.1063/1.5012001

[4] Патент США 5200595.

[7] М. И. Булос, «Разработки радиочастотной плазмы, масштабирование и промышленное применение», Журнал высокотемпературных химических процессов , 1 (1992) 401–411.

[8] М. И. Булос, «Индуктивно связанная радиочастотная плазма», Высокотемпературные процессы с материалами: Международный ежеквартальный журнал высокотехнологичных плазменных процессов , 1 (1997) 17–39

[9] Булос, Махер. «С помощью плазменной энергии можно создавать более качественные порошки» . Отчет о металлическом порошке . 59 (5): 16–21. дои : 10.1016/S0026-0657(04)00153-5 .

[10] Текна. «Системы сфероидизации | Текна» . www.tekna.com . Проверено 29 мая 2024 г.

[11] Абдулла, Мухаммад Райес; Пэн, Чжэнь (июнь 2024 г.). " "Обзор и перспективы аддитивного производства тугоплавких высокоэнтропийных сплавов" " . Материалы сегодня продвигаются . 22 : 100497. doi : 10.1016/j.mtadv.2024.100497 . ISSN 2590-0498 .

[12] Сирмалла, Пратамеш Р.; Мунафо, Алессандро; Кумар, Санджив; Бодони, Дэниел Дж.; Панези, Марко (04 января 2024 г.). «Моделирование плазменной струи в установке Plasmatron X ICP» . Форум AIAA SCITECH 2024 . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2024-1685 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[а]

[б]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]