1、等離子體在化學化工上的應用一、對等離子體的介紹：以水為例固體 冰液體 水氣體水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C等離子體與固體、液體、和氣體狀態 不同固體 冰液體 水氣體 水汽等離子體 電離氣體溫度00C1000C100000C這是一個能量增加的過程！需要分別克服: 分子間相互作用勢能, 表面束縛能, 原子結合能(鍵能),電離能。不是相變！ 等離子體是由電子、離子等帶電粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)組成的，宏觀上呈現準中性、且具有集體效應的混合氣體。定義自由電荷構成、表現出集體行為的準中性多粒子系統.1、等離子體的概念：含大量帶電粒子的氣體，異類帶電粒子之間相互“自

2、由”，等離子體的基本粒子元是正負荷電的粒子（電子、離子），而不是其結合體，即非束縛態等離子體定義的要點：1)、對于自由的理解：與中性氣體的根本區別，是等離子體作為物質第四態的依據。區別一種物態應看作用于物態基本組元上的作用力，控制物態特性變化的基本作用力，對于固體，液體，氣體均有所不同。 中性氣體：粒子間的直接的碰撞作用 等離子體：電磁力，長程 多體3)、對于集體效應的理解：等離子體定義的要點：當體系內某處出現擾動時，理論上所有粒子行為都會受到影響，使整個等離子體對外加擾動作出響應；集體行為也會通過電磁場作為媒介來表現。等離子體中粒子的運動與電磁場（外場及粒子產生的自洽場）的運動緊密耦合， 不

3、可分割。集體效應起主導作用：等離子體中相互作用的電磁力是長程的。描述等離子體的行為： 粒子 + 電磁場 3)、對于集體效應的理解：等離子體定義的要點：因此有廣闊的參數空間寬廣的研究領域和應用前景!宇宙中99%的物質都是等離子體冷等離子體TeTi, Ta熱等離子體TeTi, Ta電弧、碘鎢燈極光、日光燈電子溫度100000C1eV聚變、太陽核心高 溫等離子體低 溫等離子體1eV11600KTi=Te=Ta=2000K-20000KTi=Ta=300K-400K.Te=3-5萬度2、等離子體的分類：百萬度低溫應用等離子體冷等離子體熱等離子體高溫應用等離子體磁約束聚變慣性約束聚變空間和天體等離子體等

4、離子體研究領域3、等離子體的研究領域：空間和天體等離子體研究極光空間等離子體形態空間和天體等離子體研究3、射線輻照法：用各種射線（包括、和射線）或粒子束（電子束、離子束等）對氣體輻照也可產生等離子體。4、燃燒法：借助熱運動動能是氣體分子中的足夠大的原子、分子相互碰撞引起電離獲得等離子體。5、沖擊波法：當沖擊波在氣體中通過時，氣體受絕熱壓縮產生的高溫來獲得等離子體。極光氫彈的爆炸原子彈的爆炸三、等離子體的性質及特點： 等離子體含有極活潑的化學反應物種（如離子電子 激發態原子 分子 自由基等），其性質與固 、液 、氣 3 態有本質的區別，表現出許多特點，現詳述如下：1、電離： 等離子體存在帶正電的

5、離子和帶負電的自由電子，因而有很高的電導率，與電磁場的耦合作用也極強：帶電粒子可以同電場耦合，帶電粒子流可以和磁場耦合2、組成粒子：等離子體包含 23 種不同組成粒子：自由電子，帶正電的離子和未電離的原子。輕度電離的等離子體，離子溫度一般遠低于電子溫度，稱之為“低溫等離子體”。高度電離的等離子體，離子溫度和電子溫度都很高，稱為“高溫等離子體”。3、速率分布 ：一般氣體的速率分布滿足麥克斯韋分布，但等離子體因為與電場的耦合，可能偏離麥克斯韋分布。5、等離子體能夠使反應體系呈熱力學非平衡態：在輝光放電條件下，物質只部分電離，存在大量的氣體分子。由于電子質量遠小于離子，整個體系的溫度取決于分子、離子

6、等重粒子的溫度。因此，盡管電子能量很高，可激活高能量水平的化學反應，反應器卻處于低溫。非平衡態的意義還在于克服熱力學與動力學因素的相互制約。 典型的例子是靜高壓法人工合成金剛石。石墨轉變成金剛石常規方法必須提供苛刻的高溫高壓條件。若借助非平衡等離子體，情況就變得容易多了。四、等離子體在化學化工上的應用：由于物質第四態多樣的組成粒子，特異的反應基礎過程，復雜的等離子體與固體表面相互作用，其應用課題研究不斷開展 以下介紹幾個主要應用領域：1、在無機合成和有機合成上的應用： 在化學合成工藝方面，用得較多的主要有等離子體化學氣相淀積（PCVD ）和等離子體化學氣相輸運（PCVT ）反應性濺射、磁控濺射

7、、離子鍍等。就合成物質的種類、結構和性能而言，用這些新工藝可以制備各種單質、化合物，可以制成單晶、多晶、非晶。2、在分析化學上的應用： 主要有等離子體光譜和有機試樣的低溫灰化法等，等離子體光譜就是典型的例子。它是以等離子體作光源的光譜分析法。等離子體是發光的，實質上是其組成粒子運動狀態變化時的能量躍遷，稱為等離子體輻射 根據輻射特征譜線的波長和強度即可進行定性定量分析。 目前用的最多的屬電感耦合高頻等離子體炬（ ICP ）。與經典的光譜分析相比，電感耦合高頻等離子體炬有許多優點：光源穩定，再現性好，克服了長期以來對于固體標樣的依賴；檢出限低，一般可達 ppb 級；工作曲線的線性范圍廣，可達5到

8、6 個數量級；測定精度遠比經典發射光譜法高； 應用領域廣，分析速度快。幾乎可分析周期表中的所有元素，還能同時進行多元素分析。因此，ICP 已經廣泛地用于化工、冶金、地質、農業、醫學、環保、地球化學等許多領域，成為當今較為理想的分析手段之一。3、在高分子科學上的應用：等離子體技術在高分子科學上的應用發展很快，涉及面廣，主要為以下 3 個方面：等離子體聚合；等離子體引發聚合；高分子材料的等離子體表面改性。 其中，等離子體聚合是把有機單體轉變成等離子態，產生各類活性物種，再通過活性物種與單體間或活性物種相互之間發生加成反應進行聚合，是一種新的聚合法。該方法易于對聚合物賦予各種功能，特別適合于研制功能

9、高分子。例如電子器件傳感器用的導電高分子膜，集成電路用的光刻膠膜及氣體分離膜等。 等離子體引發聚合是把等離子體輻射作為能源對單體作短時間照射，然后將單體置于適當溫度下進行聚合，是一種不需引發劑的新聚合法，適于合成超高分子量聚合體或單晶聚合體，進行嵌段聚合、接枝聚合、無機環狀化合物開環聚合等。五、展望： 從化學研究的角度來看，等離子體由于存在大量的具有高活性的離子、電子、 激發態的原子、 分子和自由基等物種，研究利用這些高活性的物種進行某些特定的化學反應很有意義。 近些年由于現代測試技術的發展，研究人員對激發態作用、 等離子體與固體表面間相互作用、 等離子體中各粒子化學活性的控制與利用都有了越來越深入的研究和了解，等離子體化學目前已日趨成熟 。在深入探索物質在等離子體中化學反應的特性和規律后，等離子體已為無機合成、 有機合成及