Obloukový výboj. 1. Depozice povlaků NNO 2. Atmosférické výboje 3. Plazmové svařování a dělení materiálu

Transkript

1 Obloukový výboj 1. Depozice povlaků NNO 2. Atmosférické výboje 3. Plazmové svařování a dělení materiálu

2 Obloukový výboj Pro technologické účely lze využít i tu část V-A charakteristiky výboje, která se nazývá obloukový výboj. Připomeneme si její průběh :

3 Obloukový výboj Pro obloukový výboj je charakteristické velmi nízké napětí ( nízké desítky V) mezi elektrodami i při jejich značné vzdálenosti (až desítky centimetrů. Proud prochází kanálem vysoce ionizovaných plynů s vynikající vodivostí. V kanálu převažují kromě elektronů ionty materiálu z elektrod. Voltampérová charakteristika je negativní, proto je nutné proud nějakým běžným způsobem stabilizovat. Intenzita proudu je vysoká (od jednotek až po nízké stovky A).

4 Nízkonapěťový výboj Depozice povlaků pomocí nízkonapěťového oblouku (NNO) Vacuum Arc Deposition, Cathodic Spot Deposition) Tato depoziční metoda využívá jevu specifického pro obloukový výboj : při dostatečně velké ploše anody ve srovnání s plochou katody je výbojový proud na straně katody soustředěn do malé plochy o průměru řádově µm, která se nazývá katodová skvrna. Vzhledem k intenzitě proudu ve výboji řádově až 100 A, je do katodové skvrny dodávána energie s hustotou až W/m 2. Vlastnosti plazmatu jsou určovány materiálem katody, protože z ní pochází převážná část iontů ve výbojovém kanálu. Přes úsilí experimentátorů i teoretiků věnované tomuto problému desítky let nejsou dosud vznik katodové skvrny a vlastnosti plazmatu uspokojivě vysvětleny. Slibné výsledky poskytují v poslední době modely založené na fraktálové teorii.

5 Obloukový výboj Vysoká koncentrace energie v místě skvrny je provázena jevy znázorněnými na obrázku. Na roztavený materiál na povrchu působí tlak dopadajících iontů, tůňka roztaveného materiálu se prohlubuje a dále ohřívá (teplota 1000 až 4000 K), takže dochází k explozím jeho par spojených s vyvrhováním tzv. mikrokapiček. Kromě toho se uvolňují páry, které jsou okamžitě ionizovány a zúčastňují se proudu ve výboji. Skvrna nezůstává ve stejném místě, ale pohybuje se chaoticky po povrchu katody. Doba setrvání skvrny na jednom místě jsou řádově milisekundy.

6 Obloukový výboj Stopa katodové skvrny na čistém povrchu katody Stopa katodové skvrny na zoxidovaném povrchu katody

7 Obloukový výboj Vlastnosti plazmatu v blízkosti katodové skvrny : Tok materiálu z katody : vysoce ionizované páry kovů (99%), vysoká vodivost plazmatu, nadzvuková rychlost v větší jak 10 4 m/s, radiální expanze plazmového proudu, energie iontů ev, vícenásobná ionizace kovových iontů (+, ++, +++). Příklad :Ti, průměrná ionizace 1,79 při proudu v oblouku 100 A, energie iontů 65 ev pro +, 79 ev pro ++ a 103 ev pro +++ Hustota až m -3, teplota elektronů 1-8 ev, teplota iontů 1-3 ev, rychlost elektronů m/s, rychlost iontů 10 4 m/s. Průměr katodové skvrny µm, katoda je celkově studená (nutné chlazení vodou), ale v místě KS ohřev na K, tavení a odpaření. Na rozdíl od technologií využívajících doutnavý výboj oblouk hoří v parách deponovaného kovu, pracovní atmosféra Ar jen pro zapálení oblouku, případně Ar + reaktivní plyn při reaktivní depozici.

8 Obloukový výboj Potlačení mikrokapičkové fáze Vyletující mikrokapičky dopadají na substrát téměř v pevném stavu a vytvářejí v povlaku nežádoucí mikročásticovou fázi. Tyto částice o velikosti řádově od 10 do 100 µm narušují homogenitu povlaku, v provozních podmínkách jsou náchylné k vylamování a odhalují pak substrát. Zvláště nepříznivý vliv mají mikročástice v případě reaktivní depozice, protože během krátké doby letu proběhne chemická reakce maximálně v tenké vrstvě na povrchu mikrokapičky, takže v objemu mikročástice převažuje kovový materiál a částice je výrazně heterogenní. Cesty k potlačení mikročásticové fáze jsou dvě: - řízení a zrychlení pohybu katodové skvrny magnetickým polem (steered arc) - odklonění nabitých částic magnetickým polem (filtered arc)

9 Obloukový výboj

10 Obloukový výboj V základním jednoduchém uspořádání je depozice relizována podle tohoto schématu : Pohyb katodové skvrny po povrchu targetu je zcela náhodný, stejně tak kolísá doba pobytu skvrny na jednom místě :

11 Obloukový výboj Řízení pohybu katodové skvrny magnetickým polem využívá Lorentzovy síly k usměrňování pohybu nabitých části a elektronů a tím i pohybu KS : Např. vhodně rotující permanentní magnet umístěný za targetem usměrňuje pohyb KS tak, aby byla optimálně využita plocha targetu:

12 Obloukový výboj Filtered Arc: před target je umístěn systém solenoidů, do kterého vstupjí jak mikrokapičky, tak ionty. Magnetické pole zakřivuje dráhy iontů směrem k substrátům, zatímco kapičky letí přímo, mimo substrát

13 Obloukový výboj Je zřejmé, že ohýbání dráhy iontů se neobejde bez určitých ztrát iontů a tím se snižuje depoziční rychlost. V počátcích vývoje těchto magnetických systémů byla účinnost % a systémy se užívaly jen pro mikroelektroniku. V současné době přesahuje účinnost 50%. Tím se odstranila základní nevýhoda této depoziční metody a vzhledem k jejím přednostem se stále častěji uplatňuje zejména v hromadné výrobě ve velkých depozičních aparaturách.

14 Významnou inovaci depoziční metody nízkonapěťovým obloukem představuje systém vyvinutý v české firmě SHM. Katoda má tvar rotujícího válce, magnetické pole usměrňuje tok iontů i pohyb KS. Systém umožňuje kombinované reaktivní depozice povlaků určených zejména pro nástroje. Zlepšilo se také využití materiálu katody. Obloukový výboj

15 Výboje při atmosférickém tlaku Výboje při atmosférickém tlaku Již v úvodní přednášce jsme připomněli existenci přírodních výbojů při atmosférickém tlaku : blesky a koronový výboj. Modifikace těchto výbojů se užívají také v několika technologiích depozice povlaků nebo častěji při modifikaci vlastností povrchů. Nespornou výhodou je, že proces nevyžaduje snížený tlak výrobní náklady jsou nižší a odpadáčasově náročný proces čerpání pracovních komor. Na druhé straně ale vysoký tlak pracovních plynů představuje značné omezení spektra použitelných postupů. Protože nelze připustit vytváření objemového plazmatu o vysoké teplotě je třeba vytváření výbojů vhodně omezit. Plazma tohoto typu se nazývá netermální nebo netermické. Pro omezení vzniku výboje a termického plazmatu se nejčastěji používá pokrytí elektrody nebo elektrod vrstvou dielektrika.

16 Výboje při atmosférickém tlaku Dielektrický bariérový výboj se generuje mezi dvojicí elektrod přiložením vysokého střídavého napětí. Mezi elektrodami se nachází dielektrikum, jehož role je stejná jako dielektrická vrstva v kondenzátoru, tj. omezuje velikost elektrického proudu protékajícího mezielektrodovým prostorem. Důsledkem je skutečnost, že se ionizovaný plyn příliš neohřívá. Povrchový bariérový výboj se generuje napětím s frekvencí v intervalu khz. Amplituda napětí je omezena průrazným napětím dielektrika a je řádově rovna jednotkám až desítkám kv. Při atmosférickém tlaku je plazma tvořeno početnými mikrofilamenty výboje o průměru desetin milimetru. Dielektrický bariérový výboj nachází uplatnění především při syntéze ozónu, v CO 2 laserech, v plazmových obrazovkách (PDP), nanášení tenkých vrstev a zejména při povrchové úpravě materiálů.

17 Výboje při atmosférickém tlaku Podle uspořádání elektrod rozlišujeme druhy výbojů na typ objemový a typ povrchový. Uspořádání elektrod a dielektrika v jednotlivých typech je znázorněno na obrázku. Plazma je tvořeno mikrofilamentárními výboji orientovanými ve směru kolmém na rovinu dielektrika. Produkované plazma je značně nehomogenní, navíc nedovoluje opracovávání materiálů s větší tloušťkou, než jaká je vzdálenost mezi elektrodami. Tento typ výboje se používá například při opracovávání papíru, tenkých fólií nebo tkanin, kde zvyšuje povrchovou energii a umožňuje další technologické opracování.

18 Výboje při atmosférickém tlaku Přechodu mikrovýboje do režimu obloukového výboje brání při DBD elektrický náboj, který se hromadí v místě kontaktu mikrovýboje s dielektrickou barierou. Díky tomu se zde snižuje intenzita elektrického pole až nakonec výboj vyhasne. Při DBD je využíváno střídavé nebo pulzní napětí. Dielektrikum omezuje nejen množství náboje přeneseného mezi elektrodami, ale i množství energie dodané výboji. Čím je jeho permitivita větší, tím je intenzita elektrického výboje ve výbojové oblasti vyšší. V případě objemového DBD je rozložení potenciálu homogenní, při povrchovém bariérovém výboji je značně nehomogenní. Díky uspořádání elektrod a jejich pokrytí dielektrikem, je rozložení potenciálu v případě koplanárního výboje homogennější. V prostoru mezi elektrodami koplanárního DBD je díky jejich malé vzdálenosti velká intenzita elektrického pole.

19 Výboje při atmosférickém tlaku Objemový DBD výboj Základní mód, ve kterém hoří všechny dielektrické bariérové výboje při atmosférickém tlaku, je filamentární mód, ale je možné vybudit výboj ještě v dalších dvou módech. První z nich je homogenní výboj, který hoří v celém objemu mezi elektrodami (katodou a anodou). Homogenní výboj, který je přechodovým stádiem mezi filamentárním a třetím módem, označovaný jako doutnavý výboj při atmosférickém tlaku APGD. Stejně jako homogenní výboj pokrývá celou plochu elektrody, ale na rozdíl od něj je jeho aktivní oblast u katody. Oproti uspořádání povrchového DBD výboje se při objemové konfiguraci mikrovýboje rozvíjejí v mezielektrodovém prostoru, vyplněném plynem a jeho volt-ampérová charakteristika je lineární. Průměr výbojového kanálu je řádově 100 µm, čas trvání 100 ns, n e v jeho objemu cm -3. Počet mikrovýbojů se zvětšuje s rostoucí amplitudou napětí nebo se zmenšující se vzdáleností elektrod.

20 Výboje při atmosférickém tlaku Povrchový bariérový výboj Elektrodový systém je tvořený rovinným, většinou korundovým páskem (Al 2 O 3 ), elektrodou ve tvaru samostatného pásku nebo hřebenovou elektrodou na povrchu keramického pásku a druhou - indukční elektrodou obdélníkového tvaru, na opačné straně keramického pásku Důvodem použití Al 2 O 3 jako dielektrika je vysoká tepelná vodivost, dielektrická pevnost a chemická odolnost. Stabilní vysokofrekvenční výboj vzniká díky vysoké intenzitě elektrického pole. Vzniklý mikrovýboj se pak šíří po povrchu dielektrika. Délka mikrovýboje při atmosférickém tlaku je 1-3mm. Doba existence mikrovýboje je několik desítek nanosekund s amplitudou proudu několik desetin ampérů.

21 Výboje při atmosférickém tlaku Aplikace bariérových výbojů Atmosférické rf výboje se používají nejen pro nanášení materiálů, polymerace, plazmochemickéčištění, ale také pro předúpravu, aktivaci a změnu vlastností různých povrchů jako je především změna povrchové energie, spojená se změnou smáčivosti materiálů. Tyto procesy probíhají jak plazmochemickým čištěním povrchu a přímým dopováním funkčních chemických skupin (očkováním) do jeho povrchové vrstvy, tak i přímou fyzikálněchemickou změnou morfologie povrchu (drsnosti). Výše zmíněné efekty mohou vést ke zvýšení nasákavosti porézních materiálů, jako jsou různé druhy dřev, tkaných a netkaných textilií. Dále také hlavně vedou ke zvýšení smáčivosti jinak obtížně smáčitelných povrchů materiálů a zvýšení adheze následně nanesených ochranných antikorozních nátěrů anebo nástřiků.

22 Výboje při atmosférickém tlaku Plazmová předúprava povrchu hliníku ovlivňuje adhezi následně nanesených antikorozních přípravků. Vybrané hliníkové plechy, či ocelové plechy s hliníkovým povlakem byly ošetřeny multitryskovým systémem a na tyto plechy byly následně nastříkány průmyslově používanými antikorozními přípravky na bázi suspenze křemičitanů, či částic zinku v polymerní pryskyřici. Poté byla testována adheze těchto přípravků k ošetřeným vzorkům plechů ohybovými testy. Z testů vyplynul pozitivní vliv plazmy na adhezi přípravku k povrchu. Adheze přípravků k plazmatem ošetřeným vzorkům vzrostla v některých případech o 50% až 100%. Výzkum a vývoj experimentálního zařízení multitryskového systému, jasně ukazuje příznivé výsledky vlivu tohoto druhu výboje na povrchy rozdílných druhů materiálů. Vlastnosti výboje plazmatu generovaného na volné atmosféře předurčují použití multitryskového systému v mnoha oblastech průmyslu a procesů povrchových úprav kovových materiálů.

23 Výboje při atmosférickém tlaku Plazmová sterilizace perspektivní dekontaminační metoda Sterilizace je důležitou biomedicínskou i potravinářskou technologií. Konvenční sterilizační metody s sebou přináší jisté nevýhody, jako je toxicita používaného sterilizačního média, vysoká teplota apod. Tato negativa lze obejít použitím plazmatu jako sterilizačního prostředku. Výhody spočívají v podobě krátkých sterilizačních časů, relativně nízké teploty a absence toxických látek. Při plazmové sterilizaci je mikroorganismus vystaven působení elektrického výboje v plynu nebo směsi plynů, které běžně biocidní účinky nevykazují a jsou aktivovány působením elektrického výboje a deaktivovány bezprostředně po vypnutí budícího zdroje.

24 Plazmové svařování a řezání Plazmové svařování patří mezi moderní, vysoce produktivní metody obloukového svařování v ochranné atmosféře. Je charakterizováno velmi vysokou koncentrací energie a vysokou pracovní teplotou. Jeho předností je stabilní svařovací proces, charakteristický tvar svaru zejména kořene, což umožňuje svařování bez podložení kořene až do tlouštěk 10 mm. Oblouk hoří mezi netavící se elektrodou a základním materiálem nejčastěji v ochranné atmosféře inertního plynu. Hořák má intenzivně chlazenou výstupní hubici zužující oblouk na malou plochu svařence. Na zvýšení hustoty energie se podílí ochranný (fokuzační) plyn. Koncentrované teplo zaručuje hluboké natavení základního materiálu, dobré formování kořene a charakteristický průřez svaru. Ve srovnání s laserovým paprskem má plazmový oblouk nižší koncentraci energie, avšak nesrovnatelně vyšší energetickou účinnost a nižší celkové provozní náklady.

25 Plazmové svařování a řezání

26 Plazmové svařování a řezání Svařování klíčovou dírkou Teplo a dynamický účinek oblouku vytvářejí otvor na přední straně tavné lázně. Tento otvor, kde oblouk přechází přes materiál, se nazývá klíčová dírka. Při posuvu plazmového hořáku dochází vlivem povrchového napětí k opětnému spojení svarového kovu za klíčovou dírkou. Tento efekt umožňuje svařování tupých svarů do tloušťky 8 mm bez úpravy svarového úkosu. Snadná kontrola průvaru, nízká citlivost na změny délky oblouku, vysoká stabilita oblouku i při nízkých parametrech společně s malou tepelně ovlivněnou oblastí zajišťují vysokou kvalitu svařovacího procesu. Svařování metodou klíčové dírky je velmi vhodné pro automatizaci svařovacího procesu.

27 Plazmové svařování a řezání Plazmové řezání Plazmovéřezání bylo vyvinuto v padesátých letech minulého století. Díky schopnosti řezání neželezných kovů, vysoké rychlosti, malému tepelnému ovlivnění materiálu a ekonomické výhodnosti postupně vytlačuje řezání kyslíkem. Princip plazmového řezání spočívá v úzkém stabilizovaném elektrickém oblouku, který je vysokou rychlostí tlačen hnacím plynem do tavícího se materiálu. Na materiál působí kombinace tepelného a dynamického účinku proudícího plazmatu. Tím vzniká úzký a přesný řez bez okují. Vývoj se soustřeďuje především na hnací plyny. Nejlevnější je stlačený vzduch, ale vysoký obsah dusíku způsobuje sycení povrchu řezu nitridy. V mnoha případech je výhodné plazmové řezání pod vodou.

28 Plazmové svařování a řezání Plazmovéřezání je vhodné v závislosti na použitém typu plazmy pro řezání menších a středních tlouštěk nelegovaných ocelí (max. do cca 50 mm tloušťky), ale také vysokolegovaných ocelí (max. cca 100 mm). Pro plazmu jsou typické vysoké rychlosti řezání, ale také nižší kvalita řezu daná jeho vyšší drsností a úhlem podkosení (cca 2 4 ). D ůsledkem zkoncentrování proudu plazmatu je zisk vysoké hustoty výkonu a následně vysokých teplot (až tis. K). Řezaný materiál je taven a tavenina vyfukována z řezné spáry pryč. Vlastnosti procesu jsou dány výkonem proudového zdroje, konstrukcí hořáku a typem procesu (jednoplynová, dvouplynová, s vodním vírem, pod vodou) a druhem plazmového a fokusačního plynu.

29 Plazmové svařování a řezání Nejrozšířenější jsou bezesporu vzduchové plazmy. Na nelegovaných ocelích je však výhodnější z hlediska produktivity plazma kyslíková, která využívá vedle tepelné a kinetické energie plazmy také spalné teplo reakce materiálu s kyslíkem. Největšíchvýkonů řezání vysokolegovaných ocelí a slitin hliníku je dosahováno se směsným plazmovým plynem Ar/H2. Nejmodernější systémy pracují s kombinací plynů Ar/H2/N2/O2/CH4. Vynikajících výsledky z hlediska výkonů lze získat při řezání pod vodou.tato technologie navíc díky intenzivnímu chlazení okolířezu snižuje deformace plechů. Vodní ochrana zabraňuje šíření jinak hojných škodlivých plynných emisí do okolí, eliminuje radiaci a minimalizuje hlučnost procesu.