等离子体理论及其应用研究

等离子体理论及其应用研究 1、等离子体化学理论 等离子体是高度电离的气体，它由电子、离子、原子及分子组成混合气体，整个体系的正负电荷相等而呈中性，具有与一般气体不相同的性质，其内电子、离子、甚至中性粒子一般都具有较高的能量，所进行的各种化学反应，都是在高激发态下进行的，完全不同于经典的化学反应。这样使等离子体内的原子或分子的本性通常都发生改变，如惰性气体也会变得化学活泼性很强，能生成XeF6和O2F2等。等离子体内部粒子的质量相差很大，各粒子的运动情况也会有明显的差别，由于它是高度电离的气体，不能发生普通反应，它能导电，但在磁场作用下的运动情况也与普通气体不同。所以它被列为除固体、液体、气体以外的第四种物态，称为等离子体，等离子体的英文名称是“Plasma”这是1927所朗缪尔（Langmir）在研究低压下汞蒸气放电现象时，给这样一种导电气体所起的名字。它源于希腊方Pllaso，原是“形成”之意。朗缪尔认为可以用这一名词代表由电子、离子和中性原子所共同形成的物质。根据气体解离程度的不同，等离子体又可分为高温等离子体（复合时可产生很高的温度，通常可达几万到几千万度）和低温等离子体（复合时可产生几百度到几万度温度）。低温等离子体又可分热等离子体（温度在几千度到几万度）和冷等离子体（温度一般在几百度）。地球上等离子体只能在实验条件下产生，气体放电是最常用的人工产生等离子体的方法，还可以用微波加热、激光加热、高能粒子轰击方法产生等离子体。例如氘气在温度高到105K时，就形成电子和氘核组成的等离子体，这时的气压可高达常压的1360倍。然而等离子体在自然界却是大量存在的，宇宙中绝大多数（或99%以上的物质，都是以等离子状态存在的）。恒星和星际空间的物质，绝大部分呈等离子状态，地球上的一些自然现象，如电离层，极光、闪电等都和等离子体有关，研究天体物理的许多问题如星系结构，恒星表面现象，太阳风等也都与等离子体有关。等离子体理论涉及到物理学、气体动力学、电磁学、化学等学科，现已成为一门新兴的交叉学科。 2、等离子体理论的应用 等离子体理论是一个新兴领域，各种人工产生的等离子体可用于等离子体切割（即以高温高速的等离子体弧为热源切割高熔点金属或非金属），等离子喷涂（利用等离子体的高温使金属熔化，然后以高速喷涂在器件上，形成牢固的薄膜），受控热核聚变反应（在高温下实行核聚变反应），聚合反应以及材料制备、化合物制备、科学实验等，现已被广泛应用于原子能、钢铁、冶金、半导体、陶瓷、塑料机械加工等方面，把这新理论用于化学反应，不仅能合成许多无机化合物和有机化合物，而且还能合成采用通常方法难以合成或不能合成的一些化合物（如氟化氙），显示了独特的优越性。等离子体化学反应与已实现工业化的一些高温化学反应、光化学反应、催化反应、放射或辐射化学反应相比具有较高的效率和良好的选择性。例如几乎所有的氧化物、硫化物及氯化物在热等离子体的高温条件下都会发生分解，象锆英石ZJSO4能分解成二氧化锆，是优异的耐火材料（熔点2973K），可用在陶瓷、搪瓷等的着色剂。流程短、耗电少、成本低、无三废。四氯化钛被氧化成二氧化钛，粉粒细、成本低、已取代传统工艺。在有机合成反应及有机聚合反应中，应用冷等离子体的电子温度高，体系温度低的特点，还可能引起环状化合物的环收缩、环扩大、环开裂、有机化合物中的原子或小集团的脱离（如H、CO、CO2等），本文仅就采用等离子体理论合成无机化合物、化学气相沉积、高分子材料变性及等离子体聚合反应作了研究。