Nowatorskie urządzenia do generacji plazmy i ich zastosowania

Mariusz Jasiński ⁽¹⁾, Dariusz Czylkowski ⁽¹⁾, Bartosz Hrycak ⁽¹⁾, Mirosław Dors ⁽¹⁾

⁽¹⁾ Instytut Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk, ul. Fiszera 14, 80-231 Gdańsk

STRESZCZENIE

W  Instytucie Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku rozwijane i badane są mikrofalowe (2,45 GHz) urządzenia do generacji plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym. Ostatnio powstały następujące rodzaje nowych urządzeń plazmowych:

a)    Zasilane falowo mikrofalowe urządzenia plazmowe do konwersji gazów o dużych natężeniach przepływu (np. do produkcji wodoru oraz destrukcji Freonu®);
b) Mikrofalowe urządzenie do generowania mikroplazmy (np. do niszczenia mikroorganizmów oraz obróbki płytek drukowanych PCBs);
c) Mikrofalowe urządzenie do generowania „płaszczyzny plazmowej” (do obróbki powierzchni materiałów).

Jednym z ciekawszych przykładów takich generatorów plazmy jest nowy w skali światowej mikrofalowy generator „płaszczyzny plazmowej”. Generator wytwarza płaszczyznę plazmową o przybliżonych wymiarach: długość 30-70 mm, szerokość 10-40 mm, grubość 0,5-1 mm. Innowacyjność urządzenia polega na tym, że plazma wytwarzana jest wewnątrz wąskiego kanału z dielektrycznymi ściankami (dielektryczne pudełko plazmowe), przez który przepływa gaz roboczy. Przepływający gaz roboczy jest wzbudzany i jonizowany przez mikrofale, tworząc plazmę w formie płaszczyzny. Unikalny kształt generowanej plazmy w postaci „płaszczyzny plazmowej” wychodzącej poza dielektryczne pudełko jest dogodny do zastosowań przemysłowych w procesach obróbki powierzchni materiałów. Ostatnio udzielony został patent na to urządzenie (M. Jasiński, M. Goch, J. Mizeraczyk, „Urządzenie plazmowe do obróbki powierzchni”, nr patentu PL215139 B1).

1. WSTĘP

Z przeglądu literatury oraz kwerendy informacyjnej dotyczącej patentów wynika, że metoda generowania płaszczyzny plazmowej z wykorzystaniem dielektrycznego pudełka jest nowością w skali światowej, a ponadto, że tak wytwarzana plazma może znaleźć zastosowanie w różnorodnych procesach przemysłowej obróbki powierzchni. Wyładowanie mikrofalowe w tym urządzeniu generuje nowy rodzaj plazmy.

Technologie plazmowe od lat są z powodzeniem wykorzystywane do obróbki i produkcji gazów (oczyszczanie gazów, niszczenie gazów szkodliwych, produkcja wodoru). Inną bardzo ważną i ciągle zyskująca na znaczeniu dziedziną zastosowań technologii plazmowych jest różnorodna obróbka powierzchni. Do plazmowych metod obróbki powierzchni należą między innymi: czyszczenie, aktywowanie, wytrawianie powierzchni. Procesy te stosowane są jako wstępna obróbka powierzchni metalowych i z tworzyw sztucznych przed dalszymi procesami takimi jak: mikromontaż, lutowanie, klejenie, lakierowanie, nadruk. Plazmowe metody obróbki powierzchni obejmują również takie procesy jak: modyfikowanie powierzchni, powlekanie powierzchni i nanoszenie cienkich warstw. Dzięki zastosowaniu metod plazmowych można w istotny sposób zmienić właściwości jedynie powierzchni materiałów, bez zmiany ich właściwości na większej głębokości. Metody te stosowane są do obróbki metali, polimerów, szkła i włókien, zarówno naturalnych, jak i sztucznych. Wykorzystuje się je do zmiany właściwości powierzchni takich jak: zwilżalność, przyczepność, twardość, odporność na zarysowanie, przepuszczalność, odporność na korozję i in. [1-4]. Plazmowe metody obróbki powierzchni znajdują zastosowanie w przemyśle elektronicznym, samochodowym, lotniczym, tekstylnym i przy produkcji materiałów biomedycznych (np. implantów) (prace przeglądowe: [5-8]). W odróżnieniu od metod chemicznych, metody plazmowe nie wymagają stosowania środków chemicznych (rozpuszczalników, kwasów, zasad) ani dużej ilości wody, dzięki czemu są przyjazne dla środowiska [9-11]. Plazmowe metody obróbki powierzchni są już z powodzeniem stosowane w przemyśle. Jednak ze względu na rozszerzające się możliwości wykorzystania obróbki plazmowej oraz na konieczność obniżania kosztów procesu, stale prowadzone są intensywne prace badawcze nad nowymi metodami generacji i wykorzystania plazmy. Do plazmowej obróbki powierzchni pod ciśnieniem atmosferycznym wykorzystuje się różnego typu wyładowania: jarzeniowe, barierowe, koronowe oraz wykorzystujące częstotliwości radiowe [1, 9-11]. W literaturze naukowej znaleźć można również wiele prac dotyczących zastosowań niskociśnieniowej plazmy mikrofalowej do obróbki powierzchni. Jest to zwykle plazma wytwarzana w wyładowaniach z planarną falą powierzchniową (stojącą lub biegnącą) lub z wykorzystaniem zjawiska elektronowego rezonansu cyklotronowego (ECR).

Wyładowania mikrofalowe w gazach pod ciśnieniem atmosferycznym są stosunkowo nową dziedziną zastosowań plazmy do obróbki powierzchni i literatura na ich temat nie jest zbyt bogata. Z przeglądu literatury wynika, że mikrofalowe generatory plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym są na ogół zasilane z wykorzystaniem falowodów prostokątnych [12-17]. Wynika to z faktu, że do generacji tej plazmy wymagana jest większa moc mikrofal niż do wyładowań pod obniżonym ciśnieniem. Jednak, jeśli niezbędna moc mikrofal jest mniejsza niż około 300 W, generatory plazmy mogą być zasilane z wykorzystaniem linii współosiowej [18]. Wyładowania są generowane wewnątrz rur wyładowczych [13,17,18] lub wewnątrz komór reakcyjnych [11,16]. Plazma może mieć również postać płomienia lub strumienia (plazma typu "torch" lub "jet") [12,14,15]. W zależności od geometrii generatora, mocy mikrofal i składu gazu, wyładowania mikrofalowe mogą być stosowane do obróbki metali [12] (w tym stali [11] lub aluminium [13]), obróbki ceramiki [15], nakładania warstw [16], usuwania warstw [17] i modyfikacji powierzchni polimerów [18]). Plazma wytwarzana w generatorach [12-15,17-19] ma kształt pojedynczej kolumny, co nie jest korzystne przy przemysłowej obróbce powierzchni, gdyż obrabiana powierzchnia jest zbyt mała. Również wytwarzanie plazmy w generatorach z komorą [11, 16] nie jest korzystne do zastosowań przemysłowych, ze względu na to, że trudno jest takie generatory plazmy włączyć do przemysłowej linii produkcyjnej.

Ze względu na rosnące możliwości zastosowań praktycznych przemysł zainteresowany jest urządzeniami do plazmowej obróbki powierzchni, które są tanie, proste w obsłudze i wytwarzają plazmę w zakresie umiarkowanych (300-700˚C) temperatur. Dotychczas stosowane plazmowe urządzenia do obróbki powierzchni wytwarzają plazmę o niepraktycznym dla zastosowań przemysłowych kształcie lub wymagają stosowania obniżonego ciśnienia, co podwyższa koszty inwestycyjne, ze względu na konieczność stosowania aparatury próżniowej. Stosowanie generatorów plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym ma tę dodatkową zaletę, że można je łatwo włączyć do automatycznych linii i zintegrować z całym procesem produkcyjnym.

Plazma mikrofalowa ma bardzo korzystne właściwości z punktu widzenia zastosowań do obróbki powierzchni, jest bowiem plazmą nierównowagową, co znaczy, że odznacza się dużą koncentracją i energią elektronów, przy stosunkowo niskiej temperaturze gazu. Ponadto temperaturę gazu można regulować zmieniając moc mikrofalową dostarczaną do wyładowania. Dodatkową zaletą jest to, że wyładowania mikrofalowe są bardzo stabilne i powtarzalne. Odpowiednio zaprojektowane generatory plazmy mikrofalowej umożliwiają prawie stuprocentowe przekazywanie energii z pola elektromagnetycznego do plazmy. Ponadto, koszty wytwarzania wyładowań mikrofalowych są niskie, ponieważ do ich generacji można stosować tanie magnetrony i standardowe elementy mikrofalowe.

Niedogodnością wyładowań mikrofalowych jest to, że przy wyładowaniach pod ciśnieniem atmosferycznym (pożądanych przez przemysł) z reguły uzyskuje się plazmę o niekorzystnym kształcie: w postaci płomienia lub kolumny wewnątrz rury wyładowczej [11-15,19].

Zaprojektowane przez nas urządzenie do wytwarzania „płaszczyzny plazmowej” umożliwia wykorzystanie zalet plazmy mikrofalowej i przezwyciężenie dotychczasowych niedogodności związanych z jej stosowaniem. Przewidujemy, że urządzenie to może znaleźć zastosowanie w przemyśle głównie do obróbki powierzchni metalowych, ale również szklanych i z tworzyw sztucznych. 

2. MIKROFALOWE URZĄDZENIA DO GENERACJI PŁASZCZYZNY PLAZMOWEJ

Rysunki 1 i 2 przedstawiają zastosowanie nowej koncepcji mikrofalowych urządzeń plazmowych, w których plazma występuje w formie „płaszczyzny”. Urządzenie o strukturze falowodowej przedstawione na rysunku 1 generuje „płaszczyznę plazmową” w poprzek falowodowego klina. Jednak w niektórych zastosowaniach korzystniejsza może okazać się generacja „płaszczyzny plazmowej” wzdłuż falowodu. Urządzenie o strukturze falowodowej przedstawione na rysunku 2 przystosowane jest do generacji „płaszczyzny plazmowej” zarówno w poprzek falowodu jak i wzdłuż falowodu. Ponadto urządzenie to jest przenośne.

Zgłoszenie patentowe na te urządzenia złożone zostało w 2007 roku w Urzędzie Patentowym RP (M. Jasiński, M. Goch, J. Mizeraczyk, „Urządzenie plazmowe do obróbki powierzchni”, nr zgłoszenia: PL383703 A1). W kwietniu 2013 roku patent ten został udzielony (nr patentu PL215139 B1). Za prototyp tego urządzenia w wersji falowodowej uzyskany został złoty medal w konkursie Innowacje 2015 na 11 Targach Techniki Przemysłowej, Nauki i Innowacji „Technicon Innowacje 2015” w Gdańsku.

Kształt generowanej „płaszczyzny plazmowej” jest bardzo dogodny do obróbki powierzchni materiałów, a więc atrakcyjny dla zastosowań w przemyśle. Możliwość regulacji temperatury plazmy w szerokim zakresie (400 - 800oC) zwiększa obszar zastosowań opracowanych urządzeń. Urządzenie może pracować zarówno nieruchomo przy taśmie przemysłowej, jak również może być przemieszczane przez ramię robota przemysłowego sterowanego komputerem. „Płaszczyzna plazmowa” może być zastosowana do aktywacji powierzchni w motoryzacji (np. obróbka zderzaków), w elektronice (np. obróbka płytek krzemowych) oraz w innych obszarach.

Oprócz przedstawionych na rysunkach 1 i 2 urządzeń falowodowych, opracowane przez nas zostało urządzenie do generacji „płaszczyzny plazmowej” o strukturze symetrycznej linii paskowej przedstawione wcześniej w pracy [20]. Mikrofale w tym urządzeniu doprowadzane są do struktury paskowej za pomocą giętkiego przewodu współosiowego 50 Ω. Urządzenie o strukturze symetrycznej linii paskowej może być korzystne w przypadku, kiedy moc mikrofal może być mniejsza niż około 300 W. Związane jest to z dopuszczalną mocą, jaką typowo może transmitować przewód współosiowy. W przypadku konieczności stosowania większych mocy, mikrofale muszą być doprowadzane do obszaru wyładowczego za pomocą falowodu.

Rys.1. Zasilane falowodowo mikrofalowe urządzenie do generowania „płaszczyzny plazmowej” (stanowisko laboratoryjne).

Rys.2. Zasilane falowodowo mikrofalowe urządzenie do generowania „płaszczyzny plazmowej” w wersji przenośnej (możliwość generacji „płaszczyzny plazmowej” zarówno wzdłuż jak i w poprzek falowodu prostokątnego).

We wszystkich tych przypadkach częstotliwość mikrofal wynosiła 2,45 GHz, a stosowane moce mikrofal zawierały się w przedziale od około 200 W do około 800 W. Jako gaz roboczy do tej pory stosowany był argon pod ciśnieniem atmosferycznym.

W najbliższym czasie przewiduje się dokładniejsze zbadanie wpływu warunków wyładowania oraz warunków zasilania na stabilność i efektywność wyładowania mikrofalowego oraz na parametry, kształt, wielkość i jednorodność płaszczyzny plazmowej. Warunki wyładowania to:

•    rodzaj gazu roboczego (argon, neon, azot),
•    natężenie przepływu gazu roboczego,
•    wymiary dielektrycznego pudełka wyładowczego,
•    materiały, z jakich zbudowane jest dielektryczne pudełko wyładowcze (np. szkło kwarcowe, ceramika).

Warunki zasilania to:

•    moc mikrofal,
•    wymiary falowodu i wymiary linii paskowej,
•    miejsce umieszczenia pudełka falowodowego w torze zasilającym,
•    wpływ dodatkowych elementów strojących znajdujących się w torze zasilającym.

Przez parametry plazmy rozumiemy: skład, strukturę, koncentrację i temperaturę elektronów oraz temperaturę składników ciężkich plazmy. Diagnostyka plazmy (wyznaczenie parametrów plazmy) zostanie wykonana metodami spektroskopowymi (OES, PIV, LIF).

Badania eksperymentalne zostaną uzupełnione badaniami teoretycznymi (modelowaniem numerycznym) polegającymi na zbadaniu wpływu parametrów plazmy i wymiarów urządzenia na rozkłady pola elektromagnetycznego i na dopasowanie impedancyjne urządzenia, a w rezultacie na ich wpływ na efektywność przekazywania energii z pola elektromagnetycznego do plazmy oraz stabilność pracy urządzenia.

Badania oddziaływania płaszczyzny plazmowej na powierzchnię różnych materiałów (PCBs, PTFE czy polietylen, guma, metale, szkło) przeprowadzane będą przy użyciu spektroskopii Ramana, FTIR, XRF i XPS, oraz mikroskopii SEM (z EDX) i TEM.

Niewątpliwie, plazma mikrofalowa w formie „płaszczyzny plazmowej” jest jeszcze bardzo słabo poznana, a technika jej generacji nie jest dobrze opanowana. Udoskonalanie i opracowanie nowych technologii efektywnie wykorzystujących mikrofalową płaszczyznę plazmową w gazach pod ciśnieniem atmosferycznym uwarunkowane jest dokładnym poznaniem właściwości takiej plazmy. Ważnym aspektem jest również rozpoznanie metod jej generacji i opracowanie generatorów o prostej, poręcznej konstrukcji i umożliwiających blisko stuprocentowe przekazywanie energii mikrofal z pola elektromagnetycznego do plazmy. Zatem przeprowadzone badania umożliwią optymalizację urządzenia do generacji płaszczyzny plazmowej, tak by urządzenie pracowało efektywnie i stabilnie w dużym zakresie natężenia przepływu gazu i dostarczonej mocy mikrofal oraz by kształt płaszczyzny plazmowej i zakres parametrów plazmy odpowiadał przewidywanym zastosowaniom tej plazmy.

3. WNIOSKI

W zaprojektowanych i przetestowanych przez nas urządzeniach częstotliwość mikrofal wynosiła 2.45 GHz, a ciśnienie gazu roboczego (argonu) wynosiło 1 atmosferę. Jednak możliwe jest stosowanie również innych częstotliwości pola jak również innych ciśnień gazu roboczego (zarówno ciśnienia obniżonego jak i podwyższonego).

W zależności od mocy mikrofal niezbędnej do wytworzenia plazmy, urządzenie plazmowe może być zasilane mikrofalami na dwa sposoby (i) za pomocą odcinka symetrycznej powietrznej linii paskowej (dla mocy mniejszej niż około 300 W) lub (ii) za pomocą falowodu prostokątnego (możliwość pracy przy mocy większej niż 300 W). Stosowany falowód prostokątny może mieć stałą lub zmienną wysokość.

Zaproponowane przez nas urządzenia do wytwarzania „płaszczyzny plazmowej” umożliwiają wykorzystanie zalet plazmy mikrofalowej i przezwyciężenie dotychczasowych niedogodności związanych z jej stosowaniem. Przewidujemy, że urządzenia te mogą znaleźć zastosowanie w przemyśle głównie do obróbki powierzchni metalowych, ale również szklanych i z tworzyw sztucznych.

PODZIĘKOWANIE

Badania zostały zrealizowane w Instytucie Maszyn Przepływowych im. Roberta Szewalskiego Polskiej Akademii Nauk w Gdańsku oraz były częściowo wykonane w ramach projektu Narodowego Centrum Nauki przyznanego na podstawie decyzji numer  DEC-2015/19/B/ST8/02123.

LITERATURA

[1] D. Hegemann, M. M. Hossain, D. J. Balazs. Nanostructured plasma coatings to obtain multifunctional textile surfaces. Progress in Organic Coatings 58 (2007) 237–240.
[2] S. Kondo, Y. Sasai, M. Kuzuya. Development of biomaterial using durable surface wettability fabricated by plasma-assisted immobilization of hydrophilic polimer. Thin Solid Films 515 (2007) 4136–4140.
[3] C.-S. Ren , K. Wang, Q.-Y. Nie, D.-Z. Wang, S.-H. Guo. Surface modification of PE film by DBD plasma in air. Applied Surface Science 255 (2008) 3421–3425.
[4] M. Kuzuya, T. Sawa, M. Mouri, S.-I. Kondo, O. Takai. Plasma technique for the fabrication of a durable functional surface on organic polymers. Surface and Coatings Technology 169 –170 (2003) 587–591.
[5] F. S. Denes, Sorin Manolache. Macromolecular plasma-chemistry: an emerging field of polymer science.
Prog. Polym. Sci. 29 (2004) 815–885.
[6] P.K. Chu, J.Y. Chen, L.P. Wang, N. Huang. Plasma-surface modification of biomaterials. Materials Science and Engineering R 36 (2002) 143–206.
[7] R. Morent , N. De Geyter, J. Verschuren , K. De Clerck , P. Kiekens , C. Leys. Non-thermal plasma treatment of textiles. Surface and Coatings Technology 202 (2008) 3427–3449.
[8] C. Tendero, C. Tixier, P. Tristant, J. Desmaison, P. Leprince. Atmospheric pressure plasmas: A review. Spectrochimica Acta Part B 61 (2006) 2 – 30.
[9] C.H. Yi, Y.H. Lee, G.Y. Yeom. The study of atmospheric pressure plasma for surface clearing. Surface and Coatings Technology 171 (2003) 237–240.
[10] M.C. Kim, S.H. Yang, J.-H. Boo, J.G. Han. Surface treatment of metals using an atmospheric pressure plasma jet and their surface characteristics. Surface and Coatings Technology 174 –175 (2003) 839–844.
[11] R. Peelamedu, D. Kumar, S. Kumar. Microwave atmospheric pressure plasma for surface treatment
and reactive coating on steel surfaces. Surface and Coatings Technology 201 (2006) 4008–4013.
[12] D.H. Shin , Chan U. Bang , Jong H. Kim , Kun H. Han, Yong C. Hong , Han S. Uhm, Dae K. Park, Ki H. Kim. Modification of metal surfaces by microwave plasma at atmospheric pressure. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 4939–4942.
[13] S.Ch. Cho, Y. Ch. Hong, H.S. Uhm. Surface treatment of aluminum sheets by pulsed microwave plasma discharge at atmospheric pressure. Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 3583-3588.
[14] K. Kiyokawa, K. Sugiyama, M. Tomimatsu, H. Kurokawa, H. Miura. Microwave-induced non-equilibrium plasmas by insertion of substrate at low and atmospheric pressures. Applied Surface Science 169-170 (2001) 599-602.
[15] S.R. Wylie, A.I. Al-Shamma’a, J. Lucas, R.A. Stuart. An atmospheric microwave plasma jet for ceramic material processing. Journal of Materials Processing Technology 153–154 (2004) 288–293.
[16] A. Pfuch, R. Cihar. Deposition of SiOx thin films by microwave induced plasma CVD at atmospheric pressure. Surface and Coatings Technology 183 (2004) 134–140.
[17] S. Huet, T. Belmonte, J.M. Thiebaut, S. Bockel, H. Michel. Reduction of TiO2 assisted by a microwave plasma at atmospheric pressure. Thin Solid Films 475 (2005) 63– 67.
[18] T. Yuji, T. Urayama, S. Fujii, N. Mungkung, H. Akatsuka. Temperature behavior of atmospheric-pressure non-equilibrium microwave discharge plasma jets for poly(ethylene naptharate)-surface processing. Surface and Coatings Technology 202 (2008) 5289–5292.
[19] T. Belmonte, R.P. Cardoso, C. Noel, G. Henrion, F. Kosior. Microwave plasmas at atmospheric pressure: theoretical insight and applications in surface treatment. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 42 (2008) 41–46.
[20] M. Jasiński, M. Goch, J. Mizeraczyk. Urządzenie mikrofalowe do generacji płaszczyzny plazmowej. Przegląd Elektrotechniczny 86 (2010) 112-114.
[21] M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Plasma sheet generated by microwave discharge at atmospheric pressure. IEEE Transactions on Plasma Science 39 (2011) 2136-2137.
[22] D. Czylkowski, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Novel low power microwave plasma sources at atmospheric pressure. Przegląd Elektrotechniczny 88 (2012) 39-42.
 [23] T. Fleisch, Y. Kabouzi, J. Pollak, E. Castaños-Martínez, M. Moisan, H. Nowakowska,
Z. Zakrzewski. Designing an efficient microwave-plasma source, independent of operating conditions, at atmospheric pressure. Plasma Sources Sci. Technol. 16 (2007) 173-182.
[24] M. Jasiński, M. Dors, J. Mizeraczyk. Production of hydrogen via methane reforming using atmospheric pressure microwave plasma. Journal of Power Sources, 181, 41-45, 2008.
[25] M. Jasiński, J. Mizeraczyk, M. Dors. Microwave discharge generator operated at high gas flow rate. Przegląd Elektrotechniczny, R.84, 3/2008, str. 78-80.
[26] M. Jasiński, Z. Zakrzewski, J. Mizeraczyk. New atmospheric pressure microwave microplasma source. Acta Technica CSZV, 53 (2008) 347-357.
[27] H. Nowakowska, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Electromagnetic field distributions in waveguide-based axial-type microwave plasma source. The European Physical Journal D vol. 54 (2009) 511–518.
[28] D. Czylkowski, B. Hrycak, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Experimental investigation of low power microwave microplasma source. Acta Physica Polonica A 125 (2014) 1323-1325.
[29] R. Miotk, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Optical emission spectroscopy of microwave (915 MHz) plasma in atmospheric pressure nitrogen with addition of ethanol vapour. Acta Physica Polonica A 125 (2014 1329-1331.
[30] B. Hrycak, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Spectroscopic study of CO2 plasma in microwave source designed for hydrogen production via hydrocarbons decomposition. Acta Physica Polonica A 125 (2014) 1326-1328.
[31] M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Numerical analysis of metal-cylinder-based microwave plasma module. Acta Physica Polonica A 125 (2014) 1309-1311.
[32] R. Miotk, M. Sobański, M. Jasiński, J. Mizeraczyk. Charakterystyka strojenia mikrofalowego generatora plazmy do produkcji wodoru z paliw ciekłych. Elektronika 11 (2014) 128–129.