等離子體被稱為物質的“第四態”，是一種高度激發的氣體狀態，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。在這種狀態下，等離子體能夠產生和傳遞高能量、高速度的粒子，其物理性質處于氣體和固體之間，具有較高的導電性和化學活性，因此在眾多領域都有著廣泛的應用，其中，在先進陶瓷領域，等離子體技術可應用至從粉體制備到精密加工等多個環節。

一、用于球形陶瓷粉體的制備

在特種陶瓷粉體的應用中，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特性，可以制得高致密度的結構陶瓷制品；作為研磨拋光材料，球形氧化鋁可以均勻分布在拋光液中，不會產生異常堆積的現象，且由于表面光滑，可以避免產生劃痕，提高拋光表面的光潔度；而作為導熱填料，氧化鋁球形度越高，更容易均勻分散進聚合物基體中，而且填充量也相對更大，更有利于提高復合材料的導熱性。

目前，球形化粉體的制備方法很多，其中利用各種外場激發的熱等離子體技術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，高頻感應熱等離子體是由位于等離子體炬外的感應線圈產生，具有能量密度大、溫度高和冷卻速率快等特點，能夠在短時間內將大小不一、形狀不規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部缺陷少的粉體顆粒。值得一提的是，不同氣體電離產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控顆粒的氧化生長過程，而利用活性氫的瞬時強化還原反應，多用來制備超細鎢、鉬、鎳和銅等球形金屬超細粉體。

高頻感應等離子體制粉技術

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

二、放電等離子燒結

大多數陶瓷的熔點較高，一般需要在1000℃左右的高溫下進行少則幾小時，多則數天的長時間燒結，才能夠達到高致密度的要求。不僅所需的高溫耗能大，對設備要求高，而且在陶瓷與低熔點物質共同燒結的情況下，易造成材料的揮發，導致最終產品的化學計量還可能與預期有所不同，從而影響材料性能。因此如何降低燒結溫度一直是陶瓷材料研究者關注的熱點話題。

放電等離子燒結原理

放電等離子燒結（Spark Plasma Sintering，簡稱SPS）作為一種先進的粉末燒結技術，可在較低溫度和較短時間內實現高密度燒結。在放電等離子體燒結過程中，陶瓷粉體被裝入一個導電模具中，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，從而降低燒結活化能，促進原子間的擴散。利用等離子的這種活化作用、電流流經粉末產生的電阻加熱作用以及機械壓力作用，SPS相比單純以溫度作為傳質驅動力的常規高溫燒結工藝，燒結溫度更低，燒結時間更短，不僅在節約資源、降低能耗、減少成本等方面具有明顯優勢，而且能夠生產出致密度更高、晶粒更細小的陶瓷材料，使得陶瓷材料的強度和韌性均有所提高。此外，SPS燒結還為介電陶瓷材料、高溫不穩定復合陶瓷材料等的燒結提供了新思路。

放電等離子體燒結氧化鋁陶瓷

三、涂層、薄膜沉積

從航空航天到交通運輸到電子設備和醫療器械等，大大小小的行業中均可見到涂層的應用，其中陶瓷材料憑借耐高溫、耐腐蝕、機械性能高等特點，通常被用來制備涂層耐磨、耐蝕涂層、熱障涂層等，用于各種環境惡劣的嚴苛工況下。等離子體應用于涂層工藝中，通常有等離子噴涂和等離子體增強化學氣相沉積兩種方式。

1、等離子噴涂技術

等離子噴涂技術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。在機械壓縮效應、自磁壓縮效應和熱壓縮效應的聯合作用下，電弧被壓縮，形成非轉移型等離子弧。當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，并隨等離子流高速撞擊經預處理的基材表面，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性能。

來源：北京聯合涂層技術有限公司

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可以形成涂層的種類及其應用極其廣泛，尤其是噴涂高熔點陶瓷材料。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，在極短時間內與基體表面形成微小的冶金結合區域，其致密度及與基體材料的結合強度也較高。

2、等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）

PECVD技術是在低氣壓下，借助氣體輝光放電產生的低溫等離子體（400℃左右）來增強反應物質的化學活性，促進反應氣體間的化學反應和等離子體反應，從而在較低溫度下快速沉積出優質固態鍍層的過程。

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/基材料線膨脹系數不匹配所產生的內應力，減低膜層與襯底材料之間的互擴散及反應等。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、強化、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，應用于太陽電池中可起到很好的表面和體內鈍化作用（來源：潔凈工程聯盟）

四、精密加工：等離子刻蝕

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

1、等離子體輔助拋光技術（PAP）

等離子體輔助拋光（plasma-assisted polishing，PAP）技術是一種借助等離子體對陶瓷材料進行表面改性，形成硬度較低的改性層，再結合軟磨粒拋光技術實現SiC表面材料高效去除的非接觸式干法刻蝕工。隨著等離子體化學改性和軟磨料拋光去除的交替進行，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裝置結構

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，還可以在不直接接觸工件的情況下對陶瓷材料進行刻蝕、切割、鉆孔等微細加工操作，從而在材料表面或內部制造微結構和微器件，高器件的性能和效率。利用這種方式不僅適用于各種硬質、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，而且可以實現對加工過程的精確控制，不會對材料的結構和性能產生影響，能夠保持材料的原有性能和特性。

等離子體切割刻蝕機（來源：北方華創官網）

五、等離子清洗、改性

低溫等離子體具有高能粒子，能激發、解離和電離材料表面的分子，同時反應體系接近室溫，可以使具有較高活化能的化學反應在相對溫和的條件下發生，因此可在不使用任何化學溶劑的情況下，利用其中的活性粒子與陶瓷材料表面的有機污染物、氧化物層、吸附的氣體分子和其他雜質發生化學反應，從而達到無接觸清洗的目的，避免了對材料造成機械損傷或污染，為后續的粘結、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和化學成分，其在改善表面的粘結性、親水性或疏水性，提高材料與其他物質的相容性上也有不錯的應用前景。

粉體圈Corange整理