大氣壓等離子體加工技術(shù)目錄1、等離子體概述2、傳統(tǒng)等離子體加工技術(shù)3、大氣等離子體加工技術(shù)發(fā)展概況4、等離子加工技術(shù)面臨問(wèn)題1、等離子體概述什么是等離子體等離子體是物質(zhì)三態(tài)（氣液固）之外的第四種可能狀態(tài)，等離子體是高溫電離的氣體，它由氣體原子或分子在高溫下獲得能量電離之后，離解成帶正電荷的離子和帶負(fù)電荷的自由電子所組成，整體的正負(fù)電荷數(shù)值仍然相等，因此稱為等離子體。廣義的講它是包含等量高密度正、負(fù)帶電粒子的物質(zhì)體。氣體放電現(xiàn)象

當(dāng)作用于氣體的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值時(shí)就會(huì)發(fā)生氣體放電現(xiàn)象，這時(shí)氣體就從絕緣態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)，放電形式與氣體的壓力和電流密度有著重要的關(guān)系。低氣壓小電流密度下的放電稱為輝光放電，大氣壓或更高氣壓下的大電流放電稱為電弧放電。

氣體放電的基本內(nèi)涵是放電中的帶電粒子在電場(chǎng)的作用下，氣體就從絕緣態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電態(tài)即物質(zhì)的第四態(tài)—等離子態(tài)。2.傳統(tǒng)等離子體加工傳統(tǒng)等離子體加工原理：利用電弧放電使氣體電離成過(guò)熱的等離子態(tài)氣流，靠局部熔化及汽化去除材料的工藝方法稱為等離子體加工。特點(diǎn)：(1)溫度高、能量集中(2)有高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能(3)具有較大的沖擊力(4)比一般電弧穩(wěn)定(5)各項(xiàng)有關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍廣等離子噴涂等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能。等離子涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動(dòng)的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過(guò)預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。等離子焊接（1）等離子弧焊接在石油工業(yè)中的應(yīng)用。在機(jī)械加工中，焊接是一種非常重要的手段，在石油工業(yè)中也非常重要。由于其焊接質(zhì)量比較高，在液化石油氣加工以及管道加工中，已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。比如焊接不銹鋼時(shí)，利用等離子弧焊接能夠單面焊接雙面成型，這樣不但能夠提高焊接的質(zhì)量還能夠提高焊接效率。（2）等離子弧焊接在再造技術(shù)中的應(yīng)用。通過(guò)先進(jìn)技術(shù)來(lái)修復(fù)已經(jīng)失效的零件的技術(shù)便是再制造技術(shù)，通過(guò)再制造技術(shù)能夠重復(fù)利用零件。現(xiàn)在等離子弧焊接已經(jīng)出現(xiàn)和發(fā)展了六十多年，在實(shí)踐和研究中技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。（3）在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用等離子弧焊接實(shí)用非常廣泛，特別是在軍工、航空航天以及尖端工業(yè)技術(shù)中，作用更是非常重要。比如焊接飛機(jī)中的薄壁容器、焊接鈦合金導(dǎo)彈殼體等3、大氣等離子體加工技術(shù)發(fā)展概況大氣等離子體加工技術(shù)隨著連續(xù)相板（CPPs）等光學(xué)元件在激光驅(qū)動(dòng)慣性約束核聚變（ICF）項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用，對(duì)其加工精度與效率的要求越來(lái)越高，超光滑表面元器件的需求量急劇增加，對(duì)于航空航天，天文望遠(yuǎn)鏡等相關(guān)領(lǐng)域，往往要求其精度達(dá)到納米級(jí)別，此時(shí)常規(guī)的加工方式已經(jīng)不能滿足其精度要求，而大氣等離子體加工技術(shù)具有較高的加工分辨率和材料去除率，且不引入亞表面損傷的特性，其在光學(xué)元件領(lǐng)域和核能源上有著顯著的功效。大氣等離子體加工原理大氣等離子體加工是在大氣壓下，采用施加在電極之間的射頻電壓，使得反應(yīng)氣體在等離子體氛圍中被激發(fā)產(chǎn)生活性粒子，與工件表面的原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成揮發(fā)性產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)零件的加工。該方法無(wú)需真空設(shè)備，加工成本較低，并且是基于原子之間的化學(xué)反應(yīng)，屬于非接觸式加工，可以避免接觸應(yīng)力造成的表層及亞表層損傷。因此，大氣等離子體加工在光學(xué)制造領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。國(guó)外大氣等離子體加工技術(shù)發(fā)展概況在大氣等離子加工技術(shù)方面，美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展較快，國(guó)外在大氣等離子刻蝕化學(xué)反應(yīng)機(jī)理有相當(dāng)?shù)难芯繗v史，80年代，有學(xué)者在此領(lǐng)域做過(guò)大量研究，其對(duì)CF4氣體，SF4等氣體的自由基反應(yīng)均有系統(tǒng)性的化學(xué)機(jī)理分析，對(duì)等離子氣體與加工工件表面材料反應(yīng)研究也較為深入，美國(guó)NASA也對(duì)大氣等離子拋光做過(guò)相應(yīng)去除機(jī)理研究。等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工20世紀(jì)90年代初，日本大阪大學(xué)提出了等離子體化學(xué)蒸發(fā)加工（PlasmaChemicalVaporizationMachining，PCVM）。PCVM方法基于容性耦合等離子體（CapacitivelyCoupledPlasma，CCP）放電原理，通常將13.56MHz或150MHz的高頻電壓施加在不同形狀的電極上，工作臺(tái)接地，通過(guò)在加工區(qū)域形成穩(wěn)定的介質(zhì)阻擋放電來(lái)激發(fā)產(chǎn)生等離子體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的去除。反應(yīng)原子等離子體技術(shù)美國(guó)LawrenceLiver2more實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了反應(yīng)原子等離子體技術(shù)（RAPT,ReactiveAtomPlasmaTechnology）.該技術(shù)采用電感耦合式等離子體炬產(chǎn)生腐蝕性氣體，比PCVM技術(shù)產(chǎn)生的等離子體穩(wěn)定，減少了影響等離子體的影響因素。RAPT技術(shù)有效解決了PCVM技術(shù)加工重復(fù)性問(wèn)題。大氣下等離子體射流加工技術(shù)德國(guó)萊布尼茲表面改性研究所在真空離子束技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了大氣下等離子體射流加工技術(shù)（PlasmaJetMachining，PJM）的研究。PJM采用2.45GHz的微波電源作為等離子體功率源，設(shè)計(jì)了多種微波等離子體炬，可以得到半高寬0.2~12mm的去除函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜光學(xué)曲面高效去除加工。國(guó)內(nèi)等離子體加工技術(shù)發(fā)展國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)展了大氣壓下的低溫等離子體拋光技術(shù)（APPP）的研究，對(duì)超光滑材料加工獲得了Ra0.5μm的表面粗糙度在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中提出了Ar和He作為保護(hù)氣體，CF4或SF4等作為原料氣體的多種氣體配比模式，結(jié)合CCOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。趙璽嘗試了大面積均勻去除加工，完成了電極形狀、氣體配比等對(duì)去除特性的研究；王東方以介質(zhì)阻擋放電原理設(shè)計(jì)了多種等離子體炬，對(duì)比了射流式加工和接觸式加工的去除能力；金會(huì)良對(duì)表面沉積現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)理論建模、實(shí)驗(yàn)研究；金江、李鐸、王駿等在電感耦合等離子體加工技術(shù)做了系統(tǒng)的研究，搭建了五軸大氣等離子體加工機(jī)床，進(jìn)行了最大去除能力、最小去除能力等加工實(shí)驗(yàn)；辛強(qiáng)等對(duì)表面形貌的演變規(guī)律進(jìn)行了深入研究。4、大氣等離子體加工技術(shù)所面臨的問(wèn)題大氣壓等離子體加工中溫度與熱問(wèn)題

由于等離子體是由惰性氣體在電磁場(chǎng)中激發(fā)而成的電磁流體，隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，焦耳熱逐漸產(chǎn)生，從而引發(fā)等離子體溫度的升高。大氣壓等離子體加工技術(shù)的原理是基于生成揮發(fā)產(chǎn)物的化學(xué)反應(yīng)，溫度作為影響化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素，也必將對(duì)加工過(guò)程產(chǎn)生很大影響。因此，溫度與熱問(wèn)題一直是實(shí)現(xiàn)光學(xué)元件的精密加工關(guān)鍵所在。等離子加工技術(shù)加工光學(xué)曲面面臨的挑戰(zhàn)（1）高精度復(fù)雜光學(xué)曲面一般具有復(fù)雜的表面結(jié)構(gòu)，這就要求大氣等離子體加工技術(shù)能夠獲得高分辨率去除函數(shù)。同時(shí)，由于總體面型加工去除量大，大氣等離子體加