Индукционная плазма

Индукционная плазма , также называемая индуктивно связанной плазмой, представляет собой тип высокотемпературной плазмы, генерируемой электромагнитной индукцией , обычно в сочетании с газом аргоном . Магнитное поле индуцирует электрический ток в газе, который создает плазму. Плазма может достигать температуры до 10 000 Кельвинов . Технология индукционной плазмы используется в таких областях, как сфероидизация порошка и синтез наноматериалов. Технология применяется с помощью индукционной плазменной горелки, которая состоит из трех основных элементов: индукционной катушки, камеры ограничения и головки горелки или газораспределителя. Основным преимуществом этой технологии является устранение электродов, которые могут изнашиваться и вносить загрязнения.

1960-е годы стали периодом зарождения технологии термической плазмы, вызванной потребностями аэрокосмических программ . Среди различных методов генерации термической плазмы индукционная плазма (или индуктивно связанная плазма ) занимает важное место.

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

Индукционный нагрев — это зрелая технология с многовековой историей. Проводящий металлический элемент внутри катушки высокой частоты будет «индуцирован» и нагрет до раскаленного состояния. Нет никакой разницы в кардинальном принципе ни для индукционного нагрева, ни для « индуктивно связанной плазмы », только то, что среда для индуцирования в последнем случае заменяется текущим газом, а полученная температура чрезвычайно высока, поскольку она достигает «четвертого состояния вещества» — плазмы .

Индуктивно связанная плазменная горелка (ICP) по сути представляет собой медную катушку из нескольких витков, через которую протекает охлаждающая вода для рассеивания тепла, выделяемого в процессе работы. ICP имеют два режима работы, называемые емкостным (E) режимом с низкой плотностью плазмы и индуктивным (H) режимом с высокой плотностью плазмы, а переход из E в H режим нагрева происходит при внешних воздействиях. ^[3] Катушка охватывает ограничительную трубку, внутри которой генерируется индукционная (H режим) плазма. Один конец ограничительной трубки открыт; плазма фактически поддерживается в непрерывном потоке газа. Во время работы индукционной плазмы генератор подает переменный ток (ac) радиочастоты (rf) на катушку горелки; этот переменный ток индуцирует переменное магнитное поле внутри катушки, согласно закону Ампера (для соленоидной катушки) :

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

где, - поток магнитного поля, - постоянная проницаемости , - ток катушки, - число витков катушки на единицу длины, - средний радиус витков катушки.${\displaystyle \фи _{B}}$${\displaystyle \mu _{0}}$${\displaystyle 4\пи \,10^{-7}\,{\textrm {Вб/Ам}}}$${\displaystyle I_{c}}$${\displaystyle N}$${\displaystyle r_{0}}$

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

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

где, - число витков катушки, а элемент в скобках - скорость изменения потока. Плазма является проводящей (предполагая, что плазма уже существует в горелке). Эта электромагнитная сила, E, в свою очередь, будет вызывать ток плотностью j в замкнутых контурах. Ситуация во многом похожа на нагрев металлического стержня в индукционной катушке: энергия, переданная плазме, рассеивается посредством джоулева нагрева, j ² R, по закону Ома , где R - сопротивление плазмы.${\displaystyle N}$

Поскольку плазма имеет относительно высокую электропроводность, переменному магнитному полю трудно проникнуть в нее, особенно на очень высоких частотах. Это явление обычно описывается как « скин-эффект ». 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 нечто вроде «кольцевой оболочки». При наблюдении на оси плазмы она выглядит как яркий «бублик».

На практике зажигание плазмы в условиях низкого давления (<300 торр) происходит почти спонтанно, как только мощность ВЧ, подаваемая на катушку, достигает определенного порогового значения (в зависимости от конфигурации горелки, расхода газа и т. д.). Состояние плазменного газа (обычно аргона) быстро переходит от тлеющего разряда к дуговому разрыву и создает стабильную индукционную плазму. В случае атмосферного давления окружающей среды зажигание часто осуществляется с помощью катушки Тесла , которая производит высокочастотные высоковольтные электрические искры, которые вызывают локальный дуговой разрыв внутри горелки и стимулируют каскад ионизации плазменного газа, в конечном итоге приводя к стабильной плазме.

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

Катушка

Индукционная катушка состоит из нескольких спиральных витков, в зависимости от характеристик источника питания ВЧ. Параметры катушки, включая диаметр катушки, количество витков катушки и радиус каждого витка, задаются таким образом, чтобы создать электрическую «контурную цепь» с надлежащим электрическим сопротивлением. Катушки обычно полые вдоль своей цилиндрической оси, заполненные внутренним жидкостным охлаждением (например, деионизированной водой) для смягчения высоких рабочих температур катушек, возникающих из-за высоких электрических токов, требуемых во время работы.

Ограничительная трубка

Эта трубка служит для ограничения плазмы. Кварцевая трубка является распространенной реализацией. Трубка часто охлаждается либо сжатым воздухом (<10 кВт), либо охлаждающей водой. Хотя прозрачность кварцевой трубки требуется во многих лабораторных приложениях (например, для диагностики спектра), ее относительно плохие механические и термические свойства представляют опасность для других деталей (например, уплотнительных колец), которые могут быть повреждены под действием интенсивного излучения высокотемпературной плазмы. Эти ограничения ограничивают использование кварцевых трубок только для горелок малой мощности (<30 кВт). Для промышленных плазменных приложений высокой мощности (30~250 кВт) обычно используются трубки из керамических материалов. ^[4] Идеальный материал-кандидат будет обладать хорошей теплопроводностью и превосходной стойкостью к тепловому удару. На данный момент нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ) является первым выбором. Горелки еще большей мощности используют металлическую стенку для трубки ограничения плазмы с инженерными компромиссами в виде более низкой эффективности связи мощности и повышенного риска химического взаимодействия с плазменными газами.

Распределитель газа

Часто называемая головкой горелки, эта часть отвечает за введение различных газовых потоков в зону разряда. Обычно к головке горелки ведут три газовые линии. В зависимости от расстояния до центра окружности эти три газовых потока также условно называются Q ₁ , Q ₂ и Q ₃ .

Q ₁ — это газ-носитель, который обычно вводится в плазменную горелку через инжектор в центре головки горелки. Как следует из названия, функция Q ₁ заключается в транспортировке прекурсора (порошка или жидкости) в плазму. Аргон является обычным газом-носителем, однако в качестве газа-носителя часто используются многие другие реактивные газы (например, кислород, NH ₃ , CH ₄ и т. д.) в зависимости от требований обработки.

Q ₂ — это плазмообразующий газ, обычно называемый «центральным газом». В сегодняшней конструкции индукционной плазменной горелки почти не является исключением то, что центральный газ вводится в камеру горелки путем тангенциального завихрения. Завихряющийся поток газа поддерживается внутренней трубкой, которая обхватывает завихрение до уровня первого витка индукционной катушки. Все эти инженерные концепции направлены на создание надлежащей картины потока, необходимой для обеспечения стабильности газового разряда в центре области катушки.

Q ₃ обычно называют «оболочечным газом», который вводится снаружи внутренней трубки, упомянутой выше. Характер течения Q ₃ может быть как вихревым, так и прямым. Функция оболочного газа двояка. Он помогает стабилизировать плазменный разряд; самое главное, он защищает ограничительную трубку, как охлаждающая среда.

Минимальная мощность для поддержания индукционной плазмы зависит от давления, частоты и состава газа. Более низкая настройка поддерживающей мощности достигается при высокой частоте РЧ, низком давлении и одноатомном газе, таком как аргон. После введения двухатомного газа в плазму поддерживающая мощность резко увеличивается, поскольку для разрыва газообразных молекулярных связей сначала требуется дополнительная энергия диссоциации, а затем возможно дальнейшее возбуждение до состояния плазмы. Основными причинами использования двухатомных газов в плазменной обработке являются (1) получение плазмы с высоким содержанием энергии и хорошей теплопроводностью (см. таблицу ниже) и (2) соответствие химии обработки.

На практике выбор плазменных газов при индукционной плазменной обработке в первую очередь определяется химией обработки, т. е. требуется ли для обработки восстановительная или окислительная или другая среда. Затем можно выбрать подходящий второй газ и добавить его к аргону, чтобы улучшить теплопередачу между плазмой и обрабатываемыми материалами. Смесь Ar–He, Ar–H ₂ , Ar–N ₂ , Ar–O ₂ , воздуха и т. д. является очень часто используемой индукционной плазмой. Поскольку рассеивание энергии в разряде происходит в основном во внешней кольцевой оболочке плазмы, второй газ обычно вводится вместе с газовой линией оболочки, а не с центральной газовой линией.

В результате развития технологии индукционной плазмы в лабораторных условиях были выявлены ее основные преимущества:

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

Эти особенности технологии индукционной плазмы нашли нишевое применение в промышленных масштабах в последнее десятилетие. Успешное промышленное применение процесса индукционной плазмы во многом зависит от многих фундаментальных инженерных опор. Например, конструкция промышленной плазменной горелки, которая обеспечивает высокий уровень мощности (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 прекурсора (от 1 до 30 кг/ч) с надежной и постоянной скоростью подачи.

Существует множество примеров промышленного применения технологии индукционной плазмы, таких как сфероидизация порошков, синтез наноразмерных порошков, индукционное плазменное напыление, переработка отходов. ^{[5] [6]}

Потребность в сфероидизации порошков (а также в уплотнении) возникает в самых разных промышленных областях, от порошковой металлургии до электронной упаковки. В общем, насущная необходимость промышленного процесса перехода к сферическим порошкам заключается в поиске по крайней мере одного из следующих преимуществ, которые вытекают из процесса сфероидизации:

1. Улучшить текучесть порошков.
2. Увеличьте плотность упаковки порошков.
3. Устранить внутренние полости и трещины в порошке.
4. Изменить морфологию поверхности частиц.
5. Другие уникальные мотивы, такие как оптическое отражение, химическая чистота и т. д.

Сфероидизация — это процесс плавления в полете. ^[7] Порошковый прекурсор угловатой формы вводится в индукционную плазму и немедленно расплавляется при высоких температурах плазмы. Расплавленные частицы порошка принимают сферическую форму под действием поверхностного натяжения жидкого состояния. Эти капли будут резко охлаждены, когда вылетят из плазменного факела, из-за большого градиента температуры, возбуждаемого в плазме. Таким образом, затвердевшие сферы собираются как продукты сфероидизации. Поскольку в процессе не используются электроды или тигли, может поддерживаться очень высокая чистота. Технология доступна как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. ^[8]

Большое разнообразие керамики, металлов и металлических сплавов было успешно сфероидизировано/уплотнено с помощью индукционной плазменной сфероидизации. Благодаря высокой температуре плазмы даже материалы с очень высокой температурой плавления могут быть сфероидизированы. 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 такое же распределение размеров частиц, как и исходный порошок)
• Широкий ассортимент материалов (почти вся керамика и металлы)
• Высокая чистота (отсутствие загрязнений от электродов или тиглей)
• Возможность вторичной переработки использованных порошков за счет улучшения сферичности и в некоторых случаях снижения содержания кислорода.
• Высокая сферичность, низкая пористость и отсутствие сателлитов ^[10]

Именно возросший спрос на нанопорошки стимулирует обширные исследования и разработки различных методов синтеза нанометрических порошков. Проблемы для технологии промышленного применения — производительность, контролируемость качества и доступность. Технология индукционной плазмы реализует испарение прекурсора в полете, даже тех сырьевых материалов, которые имеют самую высокую температуру кипения; работая в различных атмосферах, позволяя синтезировать большое разнообразие нанопорошков, и, таким образом, становясь гораздо более надежной и эффективной технологией синтеза нанопорошков как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Индукционная плазма, используемая для синтеза нанопорошков, имеет много преимуществ по сравнению с альтернативными методами, такими как высокая чистота, высокая гибкость, простота масштабирования, простота эксплуатации и управления процессом.

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

Индукционная плазменная система успешно применяется в 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. Ниже представлена ​​типичная индукционная плазменная наносистема наносинтеза для промышленного применения. Приведены фотографии некоторых нанопродуктов с того же оборудования.

Во время входа в атмосферу космические аппараты подвергаются воздействию высоких тепловых потоков и должны быть защищены материалами систем тепловой защиты . Для разработки эти материалы должны быть испытаны в схожих условиях. Плазменные аэродинамические трубы, также называемые высокоэнтальпийными наземными испытательными установками, воспроизводят эти условия. Индукционная плазма используется для этих плазменных аэродинамических труб, поскольку она может генерировать высокоэнтальпийную плазму, свободную от загрязняющих веществ. ^[11]

• 
  Слоистые переплетенные порошки рения превращаются в плотные отдельные сферы после индукционной плазменной сфероидизации.
• 
  Порошок SiO2 сфероидизированный индукционной плазмой (воздушной плазмой), производительность 15~20 кг/ _ч
• 
  Индукционно-плазменная установка для синтеза нанопорошков
• 
  Некоторые образцы наночастиц, полученных методом индукционной плазменной обработки

Технология индукционной плазмы в основном реализует вышеупомянутые процессы с высокой добавленной стоимостью. Помимо «сфероидизации» и «синтеза наноматериалов», следующими промышленными областями для технологии индукционной плазмы могут быть переработка отходов с высоким риском , отложение огнеупорных материалов , синтез благородных материалов и т. д.

• Плазменный двигатель