Plazmové technologie (část 2 – dokončení)

Plazmové technologie (část 2 – dokončení)

prof. Václav Černý

3. Laboratorní měření

Pro laboratorní měření byl použit plazmatron firmy TEKNA. Reaktor byl zabudován do nádoby z ušlechtilé oceli s vodním chlazením, na kterou bylo připojeno vakuové čerpadlo. Atmosféra nádoby byla vícenásobně evakuována a pročištěna argonem. Indukční cívka se šesti závity byla napájena vysokofrekvenčním generátorem firmy Hüttinger, Freiburg. Maximální výkon tohoto generátoru je 30 kW a pracovní frekvence 3,7 MHz. Plazma je zapálena v podtlakovém prostředí s čistě argonovou atmosférou. Přísadami obalového plynu (argonu) jsou dusík, kyslík nebo voda. Přiváděný prášek je injektován do plazmy. Základní parametry použitých plazmatronů jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1. Standardní parametry plazmatronů

4. Úprava práškových částic

Pro mnoho aplikací v praxi jsou vhodnější kulovitě upravené částice. Používají se např. jako plnivo pro taveniny, pro výrobu filtrů a porézní keramiky. Kulovité částice z tvrdých kovů mají vyšší odolnost proti otěru než zlomkovité částice a jsou výhodnější i při nanášení stříkáním. Vyrábějí se obvykle rozprašováním taveniny tryskou. Dalším zpracováním ve vysokoteplotní plazmě se všechny částice stávají téměř kulovitými.

Obr. 3. Výroba wolframových kulovitých částic a) výchozí prášek, b) kulovité částice

4.1 Karbidy wolframu
Karbidy wolframu patří do skupiny tvrdých kovů. Termodynamicky stabilní je wolframmonokarbid (WC) a wolframdikarbid (W₂C). Pro technické účely je velmi vhodný tavený wolframkarbid, složený z wolframu a wolframmonokarbidu se zrnky o průměru 2 m. Výroba wolframových kulovitých částic je naznačena na obr. 3. Tyto částice se vyrábějí ve vysokoteplotním plazmovém reaktoru s ochranou atmosférou. Zpracovává se přiváděný prášek o celkové hmotnosti asi 2,5 kg.

Obr. 4. Zpracování oxidu hliníku Al₂O₃ na kulovité částice a) výchozí prášek, b) kulovité částice

4.2 Oxidy kovů
Oxidy kovů se obvykle vyrábějí pouze v normální atmosféře. Zpracování oxidu hliníku (Al₂O₃) na kulovité částice je znázorněno na obr. 4. Velikost kulovitých částic přesahuje 70 µ.m

Obr. 5. Výroba nanokrystalického povlaku vysokofrekvenčním indukčním plazmatronem
Obr. 6. Řez základního substrátu s nanokrytalickým povlakem TiO₂

4.3 Neodym, železo a bor
Spojením těchto prvků vznikají permanentní magnety s vynikajícími vlastnostmi. Sloučenina Nd₂Fe₁₄B má nejvyšší měrnou energetickou hodnotu BH_max (kJ·m^–3). Nachází široké uplatnění v elektrických strojích a zařízeních. Úprava prášku těchto sloučenin pro aplikace ve vysokofrekvenčním indukčním plazmatronu umožňuje nanášení vrstev z permanentních magnetických materiálů na miniaturní akční členy.

5. Nanokrystalické povlaky z oxidu titanu

Povlaky z nanokrystalického oxidu titanu TiO₂ (obr. 6) se vytvářejí rozprašováním kulových částic o průměru asi 30 nm ve vysokofrekvenčním indukčním plazmatronu. Přísady bývají směsi kovů a organických látek. Oxid titanu se v plazmě mění na plyn, je disociován a ionizován. Do obalového plynu se přidává v dostatečné míře kyslík, aby došlo k úplnému zplynění všech nanočástic TiO₂. Plazmatron je přírubou připojen k reaktoru, kde se plazma prudce rozpíná a vystupuje nadzvukovou rychlostí dýzou o průměru asi 5 mm (obr. 5). Na povrchu základového materiálu (substrátu) se vytváří nanokrystalický povlak. Protože rychlost plazmy po výstupu z dýzy prudce klesá, musí být substrát ve velmi malé vzdálenosti od reaktoru (do 3 mm). Chladicí systém udržuje teplotu substrátu během vytváření povlaku na 600 °C.

7. Závěr

Vysokofrekvenční indukční plazmatron má ve srovnání se stejnosměrným plazmatronem mnohem větší výkon. Umožňuje přívod prášků ze směsí nejrůznějších materiálů a úpravu prášku na kulovité částice. Vytvářením povlaků na plochách základních materiálů se zlepšují vlastnosti výrobku.

Literatura:
[1] NUTH, G.: Das Induktions-Plasma – ein exzellentes Werkzeug für Pulverbehandlung und Beschichtung. Elektrowärme international Heft, 4/2003, Dezember.
[2] PLCH, J.: Elektrické teplo. SNTL, 1984.