Jak horké je plazma? Horké taveniny a teplota – kritické aplikace

Jak horké je plazma?

Vysoké teploty, kterých se dosahuje při většině plazmových aplikací, nutí mnoho uživatelů k zamyšlení nad bezpečností procesu, zejména při zpracování vysoce citlivých materiálů. Tento článek se zabývá otevřenými otázkami týkajícími se teploty a vedení tepla při plazmových aplikacích a uvádí kritické příklady, které dokládají vhodnost plazmatu pro teplotně kritické procesy. Základní otázka je zdánlivě jednoduchá, ale není snadné na ni odpovědět: Jak horké je plazma?

Jak horké je plazma?

Přirozeně se vyskytující plazma může dosahovat teplot až 106eV (1eV ~ 11600K) , v průmyslových aplikacích se maximální teploty pohybují kolem 1eV . Plazma je tedy vysokoenergetický stav, jehož teploty vyplývají z energií jeho druhů (neutrálních atomů, elektronů a iontů) a silně závisí na stupni ionizace příslušného plazmatu. To umožňuje klasifikovat různá plazmata podle jejich teploty, přičemž rozlišujeme dvě hlavní kategorie: tepelné a netepelné plazma.

O tepelném plazmatu hovoříme, pokud je plně ionizované a všechny druhy mají stejnou teplotu, klasickým příkladem je sluneční koróna nebo fúzní plazma. Pro tento článek je relevantní kategorie netepelného nebo nerovnovážného plazmatu. Toto plazma má různě temperované elektrony, neutrální částice a ionty. Elektrony tak mohou dosahovat teplot až 10000 K, zatímco většina částic plynu se zahřívá podstatně méně nebo zůstává při pokojové teplotě. Přesto by statické měření plazmového plamene generovaného plazmabrushem® PB3 při provozu se suchým stlačeným vzduchem jako plazmovým plynem poskytlo teploty pod 1000 °C. Tento plamen plazmatu, viditelná nejpřednější část plazmového proudu, se také nazývá „vzdálené plazma“ a obvykle se jedná o oblast plazmatu, kde se ošetřují povrchy substrátů.

Netepelné plazma se často nazývá „studené plazma“; tento termín je třeba používat opatrně, protože zahrnuje širokou škálu plazmatu o nízkém tlaku a atmosférickém tlaku. Například teplota „studeného plazmatu“ generovaného piezobruskou® PZ2 sotva stoupá nad okolní teploty, na rozdíl od tepla produkovaného plazmabruskou PB3. Tento článek se však zaměřuje na druh zařízení používaných pro vysoké výrobní rychlosti v průmyslu, která pracují s netermálním vysokoteplotním plazmatem.

Dýza A250 a statická teplota trysek typů A250, A350 a A450 používaných s plazmabrushem® PB3.

Když uživatelé kladou původně citovanou otázku „Jak horké je plazma?“, často nemají na mysli ani tak teplotu samotného plazmatu, ale spíše tepelné děje probíhající na povrchu ošetřovaného substrátu. K přesné specifikaci těchto teplot jsou nutná rozsáhlá měření tepla a infračerveného záření. Na základě dlouholetého sledování aplikací vyvinula společnost Relyon Plasma GmbH software, který umožňuje simulovat přenos tepla atmosférického nebo nerovnovážného plazmatu na substrátu pro výzkumné účely. Provedené výpočty rozlišují mezi typem a geometrií povrchu substrátu a také nastavením zvoleného elektrického příkonu plazmatu.

Vývoj tepla při intenzivní plazmové úpravě simulovaný pomocí softwaru Relyon Plasma.

Jak potvrzují výsledky rozsáhlých měření, energie vložená do povrchu ovlivňuje především první vrstvy substrátu. Díky tomu je ošetření atmosférickým plazmatem skutečným ošetřením povrchu, protože čisticí a smáčecí účinky jsou způsobeny interakcí částic plazmatu s vrchní atomární vrstvou materiálu, aniž by byly hlubší vrstvy materiálu jakkoli ovlivněny. Teploty působící na povrch nezávisí pouze na elektrickém příkonu plazmatu, ale jsou také významně ovlivněny typem použitého plazmového plynu a také řízeny uživatelem prostřednictvím parametrů procesu, přičemž nejdůležitější jsou obvykle dva parametry: rychlost operace a vzdálenost mezi zařízením a substrátem. Tato jednoduchá parametrizace je pro většinu plazmových aplikací naprosto dostačující.

Vývoj teploty během šetrného plazmového zpracování, simulovaný pomocí softwaru Relyon Plasma.

U některých procesů, jako je tavení za tepla nebo nanášení povlaků, je výhodou pracovat s komplexnější matricí. Za tímto účelem nabízí samotné zařízení kromě dvou již zmíněných parametrů další tři nastavení parametrů (průtok plynu, frekvence a elektrický příkon). V následujícím textu se budeme zabývat třemi teplotně kritickými aplikacemi, které vyžadují přesné řízení procesu. Možnosti postupu Plas-mabrush® jsou ilustrovány na příkladech čipů buněčných kultur, tenkých vrstev (zde: hliníková fólie) a nanášení tenkých vrstev LDPE.

Čip buněčné kultury

Původní čip (vlevo) a detaily poškozeného (uprostřed) a nepoškozeného čipu (vpravo).

V tomto projektu měl být mikrostrukturovaný povrch čipu 3D buněčné kultury aktivován bez tepelného poškození mikrostruktur buněk. Úspěšnost postupu se měla posuzovat podle kontaktního úhlu destilované vody.

Mírná nadměrná aktivace (nadměrný přísun energie do povrchu) mění tvar trojúhelníkových částí čipu, jak detailně ukazuje obrázek uprostřed. Pouze přesná optimalizace parametrů procesu umožňuje ošetřit vzorek bez tepelných účinků. Díky šetrnějšímu ošetření zůstane povrchová energie pod maximální aktivační kapacitou, kontaktní úhel se však sníží z 92° na 43°. Při použití zařízení Plasmabrush® PB3 a trysky A250 byly parametry procesu nastaveny na 250 mm/s a pracovní vzdálenost 40 mm s dusíkem jako přívodním plynem.

Použití tenkých fólií: hliníková fólie

Úprava hliníkové fólie postupem roll to roll

Díky své minimální tloušťce jsou tenké fólie v plazmových aplikacích obzvláště kritické. Ačkoli s kovy a teplotou obvykle nejsou problémy kvůli jejich vysoké vodivosti, s fóliemi se musí zacházet velmi opatrně, protože nemají žádné vrstvy pro přenos tepla. Kovy o určité hmotnosti lze zpracovávat již při rychlosti 30 mm/s, zatímco fólie se musí zpracovávat při rychlostech 500 mm/s a vyšších.

Příkladem takového postupu je „roll to roll“, kdy se každá fólie musí zpracovávat velmi vysokou rychlostí, přičemž na interakci částic plazmatu s povrchem zbývají jen zlomky sekund. Dosažení vysoce kvalitní aktivace za těchto podmínek je skutečnou výzvou; vhodné uspořádání zařízení však přesto umožňuje úspěšnou realizaci. Jak je vidět na obrázku vpravo nahoře, v jednom případě byly nastaveny tři plazmové generátory v sérii při rychlosti 12 m/s, aby pokryly celou šířku lepicího povrchu fólie.

LDPE Hot Melt deposition on aluminium

Plazmou indukované nanášení povlaků je podstatně složitější proces, protože zahrnuje přidané komponenty pro transport prášku, což zvyšuje matrici parametrů. V tomto projektu měl být LDPE aplikován na hliníkový substrát. Povlakováním za tepla se dosáhne nízké viskozity potřebné pro rovnoměrné vrstvy, přičemž proces je mnohem rychlejší než konvenční metody, protože není třeba odstraňovat rozpouštědla.
Vnější systém dopravuje prášek k výstupu z trysky, takže se roztaví přímo na povrchu a tam se ochladí. Systém může dopravovat prášek v množství až 7,19 g/m. Plazma má dvě funkce: zaprvé se díky částicím vneseným do povrchu zlepšuje chemické zesíťování povrchu a zadruhé se horká tavenina lépe roztírá díky zvýšené smáčivosti.

Klíčovým parametrem tohoto procesu je rychlost. Měla by být nastavena dostatečně nízká, aby se vytvořila rovnoměrná vrstva, ale zároveň dostatečně vysoká, aby se zabránilo nadměrnému přísunu energie do povrchu a do vrstev, které se teprve vytvořily. V souladu s tím byla v této aplikaci rychlost nastavena na 210 mm/s a pracovní rozteč na 14 mm. Součástka se mezitím otáčela rychlostí 14,5 ot/min. Celý proces nanášení povlaku trval šest minut.

Ukončené nanášení povlaku za tepla (vlevo) a Plasmabrush® s vnějším vstřikováním (vpravo).

Závěr

I když se v průmyslových aplikacích používá netepelné plazma při vysokých teplotách, je velmi dobře možné ošetřovat vysoce citlivé materiály vhodným nastavením parametrů procesu, zejména pracovní rychlosti a vzdálenosti od substrátu. Navíc toto ošetření pouze upravuje povrch substrátu, zatímco hlubší vrstvy zůstávají nedotčeny. Díky tomu je použití plazmatu účinnou a zároveň šetrnou metodou ošetření i tepelně extrémně citlivých materiálů za účelem aktivace a jemného čištění, jakož i zlepšení smáčivosti.

Bibliografie

K. Küpfmuller, W. Fathis und A. Reibiger, Theoretische Elektrotechnik: Eine Einführung, Springer, 2013.
H. Zohm, „Plasmaphysik“, LMU München, München, 2012/2013.
R. A.Wolf, Atmospheric Pressure Plasma for Surface Modification, Hoboken and Salem, USA: Wiley & Sons and Scrivener Publishing, 2013.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.