等離子體被稱為物質(zhì)的“第四態(tài)”，是一種高度激發(fā)的氣體狀態(tài)，通常是利用外部能量源（熱能、電能、輻射能、激光等方式）將電子從氣體分子或原子中解離出來，從而形成由正離子、負(fù)離子、自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子組成的部分電離的氣體。在這種狀態(tài)下，等離子體能夠產(chǎn)生和傳遞高能量、高速度的粒子，其物理性質(zhì)處于氣體和固體之間，具有較高的導(dǎo)電性和化學(xué)活性，因此在眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，其中，在先進(jìn)陶瓷領(lǐng)域，等離子體技術(shù)可應(yīng)用至從粉體制備到精密加工等多個環(huán)節(jié)。

一、用于球形陶瓷粉體的制備

在特種陶瓷粉體的應(yīng)用中，很多時候都會對粉體的“球形度”做出要求，以氧化鋁為例，球形氧化鋁微粉有良好的壓制成型和燒結(jié)特性，可以制得高致密度的結(jié)構(gòu)陶瓷制品；作為研磨拋光材料，球形氧化鋁可以均勻分布在拋光液中，不會產(chǎn)生異常堆積的現(xiàn)象，且由于表面光滑，可以避免產(chǎn)生劃痕，提高拋光表面的光潔度；而作為導(dǎo)熱填料，氧化鋁球形度越高，更容易均勻分散進(jìn)聚合物基體中，而且填充量也相對更大，更有利于提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。

目前，球形化粉體的制備方法很多，其中利用各種外場激發(fā)的熱等離子體技術(shù)來制備球形微納米陶瓷粉體材料是近年來比較熱門的話題。

其中，高頻感應(yīng)熱等離子體是由位于等離子體炬外的感應(yīng)線圈產(chǎn)生，具有能量密度大、溫度高和冷卻速率快等特點(diǎn)，能夠在短時間內(nèi)將大小不一、形狀不規(guī)則的粉體熔化成液相，同時再利用表面張力將顆粒球化，并在極高的溫度梯度下迅速冷卻固化或沉積，最終得到高球形度且內(nèi)部缺陷少的粉體顆粒。值得一提的是，不同氣體電離產(chǎn)生的等離子體對于粉體的制備也有影響，例如氧化物陶瓷粉體的制備多采用活性氧來調(diào)控顆粒的氧化生長過程，而利用活性氫的瞬時強(qiáng)化還原反應(yīng)，多用來制備超細(xì)鎢、鉬、鎳和銅等球形金屬超細(xì)粉體。

高頻感應(yīng)等離子體制粉技術(shù)

目前，國外的等離子體粉體處理技術(shù)己具備一定的生產(chǎn)能力。例如，加拿大的泰克納（TEKNA）公司開發(fā)的等離子體粉體處理系統(tǒng)除了可制備W、Mo、Re、Ta、Ni、Cu等金屬球形粉末，還實(shí)現(xiàn)了ZrO₂、YSZ、Al₂O₃等氧化物陶瓷粉末的球化處理。

二、放電等離子燒結(jié)

大多數(shù)陶瓷的熔點(diǎn)較高，一般需要在1000℃左右的高溫下進(jìn)行少則幾小時，多則數(shù)天的長時間燒結(jié)，才能夠達(dá)到高致密度的要求。不僅所需的高溫耗能大，對設(shè)備要求高，而且在陶瓷與低熔點(diǎn)物質(zhì)共同燒結(jié)的情況下，易造成材料的揮發(fā)，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的化學(xué)計(jì)量還可能與預(yù)期有所不同，從而影響材料性能。因此如何降低燒結(jié)溫度一直是陶瓷材料研究者關(guān)注的熱點(diǎn)話題。

放電等離子燒結(jié)原理

放電等離子燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）作為一種先進(jìn)的粉末燒結(jié)技術(shù)，可在較低溫度和較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高密度燒結(jié)。在放電等離子體燒結(jié)過程中，陶瓷粉體被裝入一個導(dǎo)電模具中，并壓在兩個反向滑動的沖頭之間，然后通過施加低電壓、高電流的直流脈沖，使粉末顆粒間的微細(xì)氣體被電離，形成等離子體。等離子體能夠清洗顆粒表面，去除氧化層和吸附的氣體，從而降低燒結(jié)活化能，促進(jìn)原子間的擴(kuò)散。利用等離子的這種活化作用、電流流經(jīng)粉末產(chǎn)生的電阻加熱作用以及機(jī)械壓力作用，SPS相比單純以溫度作為傳質(zhì)驅(qū)動力的常規(guī)高溫?zé)Y(jié)工藝，燒結(jié)溫度更低，燒結(jié)時間更短，不僅在節(jié)約資源、降低能耗、減少成本等方面具有明顯優(yōu)勢，而且能夠生產(chǎn)出致密度更高、晶粒更細(xì)小的陶瓷材料，使得陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性均有所提高。此外，SPS燒結(jié)還為介電陶瓷材料、高溫不穩(wěn)定復(fù)合陶瓷材料等的燒結(jié)提供了新思路。

放電等離子體燒結(jié)氧化鋁陶瓷

三、涂層、薄膜沉積

從航空航天到交通運(yùn)輸?shù)诫娮釉O(shè)備和醫(yī)療器械等，大大小小的行業(yè)中均可見到涂層的應(yīng)用，其中陶瓷材料憑借耐高溫、耐腐蝕、機(jī)械性能高等特點(diǎn)，通常被用來制備涂層耐磨、耐蝕涂層、熱障涂層等，用于各種環(huán)境惡劣的嚴(yán)苛工況下。等離子體應(yīng)用于涂層工藝中，通常有等離子噴涂和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積兩種方式。

1、等離子噴涂技術(shù)

等離子噴涂技術(shù)的原理是通過高頻火花引燃電弧，使供給噴槍的工作氣體(Ar或N₂等惰性氣體)在電弧的作用下電離成等離子體。在機(jī)械壓縮效應(yīng)、自磁壓縮效應(yīng)和熱壓縮效應(yīng)的聯(lián)合作用下，電弧被壓縮，形成非轉(zhuǎn)移型等離子弧。當(dāng)粉末注入并接觸到等離子弧時，粉末被迅速加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，并隨等離子流高速撞擊經(jīng)預(yù)處理的基材表面，在基材表面形成牢固的噴涂層，從而賦予材料表面耐磨、耐熱、耐腐蝕、絕緣、隔熱、潤滑等各種特殊物理化學(xué)性能。

來源：北京聯(lián)合涂層技術(shù)有限公司

由于等離子弧的能量集中溫度很高，其焰流的溫度在萬度以上，能夠熔化幾乎所有的固體材料，因此等離子噴涂技術(shù)可以形成涂層的種類及其應(yīng)用極其廣泛，尤其是噴涂高熔點(diǎn)陶瓷材料。同時相比其他噴涂法制備的涂層，等離子噴涂涂層可能會在熔融的顆粒在撞擊基體時，在極短時間內(nèi)與基體表面形成微小的冶金結(jié)合區(qū)域，其致密度及與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度也較高。

2、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）

PECVD技術(shù)是在低氣壓下，借助氣體輝光放電產(chǎn)生的低溫等離子體（400℃左右）來增強(qiáng)反應(yīng)物質(zhì)的化學(xué)活性，促進(jìn)反應(yīng)氣體間的化學(xué)反應(yīng)和等離子體反應(yīng)，從而在較低溫度下快速沉積出優(yōu)質(zhì)固態(tài)鍍層的過程。

PECVD沉積氮化硅薄膜原理

由于PECVD的低溫工藝，可減少對基體的熱損傷，降低因膜/基材料線膨脹系數(shù)不匹配所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，減低膜層與襯底材料之間的互擴(kuò)散及反應(yīng)等。而相比其他鍍膜方式，PECVD所制備的薄膜還具有很好的均勻性。目前，PECVD主要用于金屬、陶瓷、玻璃等基材上，沉積具有保護(hù)、強(qiáng)化、修飾或其他各種功能的膜材或涂層。

在硅片表面沉積出的氮化硅減反射膜，應(yīng)用于太陽電池中可起到很好的表面和體內(nèi)鈍化作用（來源：潔凈工程聯(lián)盟）

四、精密加工：等離子刻蝕

等離子刻蝕技術(shù)是一種新型的微納加工技術(shù)，它通過等離子體在陶瓷表面上的化學(xué)反應(yīng)和物理作用（包括離子轟擊、原子或分子反應(yīng)、化學(xué)氧化等過程），引起表面原子和分子的解離和排斥，從而實(shí)現(xiàn)對陶瓷材料的高精度加工和微納結(jié)構(gòu)制造。

1、等離子體輔助拋光技術(shù)（PAP）

等離子體輔助拋光（plasma-assisted polishing，PAP）技術(shù)是一種借助等離子體對陶瓷材料進(jìn)行表面改性，形成硬度較低的改性層，再結(jié)合軟磨粒拋光技術(shù)實(shí)現(xiàn)SiC表面材料高效去除的非接觸式干法刻蝕工。隨著等離子體化學(xué)改性和軟磨料拋光去除的交替進(jìn)行，材料粗糙表面逐漸變平整，最終能夠獲得一個無損傷的原子級平坦表面。

PAP裝置結(jié)構(gòu)

2、陶瓷微加工

除了表面處理，等離子體作為一種高溫、高能的介質(zhì)，還可以在不直接接觸工件的情況下對陶瓷材料進(jìn)行刻蝕、切割、鉆孔等微細(xì)加工操作，從而在材料表面或內(nèi)部制造微結(jié)構(gòu)和微器件，高器件的性能和效率。利用這種方式不僅適用于各種硬質(zhì)、脆性和難以加工的陶瓷材料的加工和制造，包括氧化鋁、二氧化硅、氮化硅、氧化鋯、氧化鈰、鋁酸鈣和氮化硼等，而且可以實(shí)現(xiàn)對加工過程的精確控制，不會對材料的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響，能夠保持材料的原有性能和特性。

等離子體切割刻蝕機(jī)（來源：北方華創(chuàng)官網(wǎng)）

五、等離子清洗、改性

低溫等離子體具有高能粒子，能激發(fā)、解離和電離材料表面的分子，同時反應(yīng)體系接近室溫，可以使具有較高活化能的化學(xué)反應(yīng)在相對溫和的條件下發(fā)生，因此可在不使用任何化學(xué)溶劑的情況下，利用其中的活性粒子與陶瓷材料表面的有機(jī)污染物、氧化物層、吸附的氣體分子和其他雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到無接觸清洗的目的，避免了對材料造成機(jī)械損傷或污染，為后續(xù)的粘結(jié)、涂層或其他工藝提供良好的表面，適用于各種處理具有各種復(fù)雜形狀和微小空隙陶瓷材料

除此之外，等離子體由于可在微觀、分子甚至原子尺度上制造材料，并精確控制表面形態(tài)和化學(xué)成分，其在改善表面的粘結(jié)性、親水性或疏水性，提高材料與其他物質(zhì)的相容性上也有不錯的應(yīng)用前景。

粉體圈Corange整理