送交者: CANADAGE 于 October 28, 2001 16:10:10:
三．热等离子体有什么用
前边说过，咱们看得着的宇宙99%是处在等离子体状态，这显然值得下大功夫研究。搞天体物理的有一帮人就是专门研究等离子体的，由此得出天体演化的历史、方向，以及对咱们“尘世”生活的影响等等。出国早的朋友可能都知道《万圣悲歌》中的卢刚，他们组就是搞这个的。既然象太阳这样的等离子体大火球，具有几乎取之不尽(当然严格地说，红太阳也有寿数到了的时候)能量，物理学家就想能不能也模仿太阳的机理制造能源呢？这就是等离子体物理学的一大课题：磁控核聚变发电。中心任务是搞出稳定自持的一亿度高温(比太阳中心还热六倍！)的等离子体，实现氘与氚之间的聚变。这当然是很“热”很“热”的热等离子体了。
至于我学的不那么太“热”(至多一两万度)的等离子体，形成规模的研究大约是始于五、六十年代的航天事业发韧期。卫星、飞船进出大气层，由于和大气高速摩擦，都会在飞行体周围产生等离子体。因此需要对这个温度范围的等离子体的性质进行详细研究。这些研究产生了很多极有意义的成果，包括热等离子体的热力学性质计算模拟；“尘世的”热等离子体发生方法；热等离子体性质的测量和诊断等等。这些研究今天仍然在积极进展，并产生许多新的有意思的应用，比如等离子体推进，隐形飞机等等。这些均属等离子体物理的研究范畴。
等离子体化学家把“尘世的”等离子体发生方法用到了人类的地球生活的许多方面，特别是在材料科学领域。为全面起见，先说一下“冷等离子体”的实际应用。今天发达的信息时代，得益于七、八十年代电子工业的飞速发展。而“冷等离子体”技术为半导体、集成电路的发展立下了汗马功劳。“冷等离子体”用于集成电路制造中的刻蚀、灰化、和薄膜淀积等关键工艺，至今仍然是不可替代的支柱技术。其它应用包括光源(如高效电弧灯) 和显示(如霓虹灯、等离子体显示屏幕等)，以及新材料合成，环境保护(如空气净化)等方面。
而想应用热等离子体，首先你会想到的是它很“热”(几千至几万度)，什么东西到热等离子体里都得化了，这用处就太大了！比如可以用热等离子体来焊接，也可以用热等离子体切割。这些工业设备都已很普及、规范了，而且市场很大。大到造船厂，小到铁工房都用得上。
冶金工业上有用热等离子体熔炼、精炼金属的，特别是那些价值高的特殊材料。常规的化学火焰或者电阻加热方法都不象热等离子体那么“有劲儿”和高效。等离子体冶炼还有可能自由地控制冶炼的化学气氛。还有用热等离子体回收贵重金属的。问题是耗电量大，未必都用得起。
机械工业有个老行当，叫“热喷涂”。比如一根大轴，用些日子就磨损的不行了。那么先在吃劲的位置喷上一层超硬耐磨的材料，大轴的使用寿命就会大大提高。又比如，飞机涡轮发动机的叶片，都是用热喷涂方法定期维修养护的。这样作的经济效益不言而喻。等离子体喷涂是热喷涂业内十分重要的技术手段之一，特别适用那些高熔点的陶瓷材料和难熔金属，制备主要用于高温条件的抗热，防腐，耐蚀的涂层。将等离子体喷涂技术稍加改动，又可用于直接成型的工艺，即直接把粉末喷成接近所需尺寸的机械部件。这是非常有用的手段，不仅仅是个经济效益的问题，有些材料用常规技术根本就无法加工。燃料电池大概是下一代汽车的首选能源之一，等离子体喷涂与成型最近在这方面也有不少的研究开发工作。
在粉末工业中，热等离子体可以用来球化和密集化粉末颗粒，使粉末原料的流动性改善、密度提高，纯度增加。这样处理极大地增强了粉末原料在下游用户(比如用粉末作喷涂；或者注塑成形等等)的可用性；或者直接就改善了粉末的使用效果(比如催化作用，光学效果等等)。热等离子体还可以用来烧结粉末制品，特别是一些尖端的陶瓷材料制品。比起常规烧结技术，优点是工艺时间大大缩短，且有可能得到优异的微观物质结构。
随着环境保护的问题日益迫切，热等离子体在废物处理的领域也大显身手。对比传统的焚烧炉，热等离子体能量高，处理量大，特别适用有毒废料和核废料的处理。减少二次污染，并有可能集成在某些产生有害污染的生产线上，在污染源头就实现无害化。美国海军近年一直在投资研制一种小型的舰载热等离子体生活垃圾处理装置，以免向海洋倾倒水兵们的生活垃圾所造成的海洋污染。
热等离子体在材料科学中近年来较引人注目的进展有两方面。一是热等离子体化学气相淀积。比较以前的低压化学气相淀积方法，热等离子工艺的沉积速度大大提高，因为它可以产生高浓度的气相源并以高速冲向基底材料。这种方法主要用来制备金刚石薄膜和其它一些高级陶瓷材料薄膜，比如氮化硼(cBN),氮化碳(C3N4)等等。二是热等离子体方法在超细超纯粉末，亦即纳米粉末合成方面的应用。纳米材料被看着新世纪科技发展的关键材料，因为下面还有一节专门介绍，此不赘述。