基于独立微等离子体内源的细长管内壁离子注入新技术及其机理研究

细长管内壁离子注入一直是表面改性技术中的难题。目前，现有的等离子体内源技术还无法解决细长管离子注入轴向均匀性问题。为此，本项研究提出了基于独立微等离子体内源的细长管内壁离子注入新方法，将微小空心阴极放电技术应用到管筒内部，采用单独的管状地电极结构设计，保证空心阴极稳定放电，同时避免管上高压脉冲对空心阴极辉光放电的影响，在管筒内部获得了稳定的点状等离子体内源，随后在管上施加高压脉冲获得内壁注入效应，通过微等离子体内源的轴向移动实现整管处理。该技术的最大优势是微等离子体内源放电不受管筒施加偏压及其尺寸的影响，从而保证了离子注入的轴向均匀性。研究内容为：微小空心阴极等硬件系统的研制、等离子体内源的放电特性、等离子体内源与高压脉冲离子注入的相互影响、点状等离子体源离子注入过程的数值模拟、实际管件内壁离子注入实验研究等。

管筒件内表面处理一直是等离子体表面改性领域的难题，特别是内径较细及长径比较大的管件，等离子体难以进入管件内部，因而处理难度较大。针对这个问题，本项目提出了一种新的有效的管件内表面处理的方法，微小空心阴极等离子体源内表面改性法。本项目首先研究了空心阴极放电等离子体特性，并对平面工件进行了等离子体处理。同时，通过等离子体粒子模型研究了空心阴极管内注入等离子体动力学行为，在此基础上对管件内表面进行了DLC膜层沉积及等离子体注氮研究。.基于空心阴极放电现象，本项目研制了自带屏蔽地电极空心阴极管内表面放电系统，该系统可以在Ф20×500mm规格的细长管内部产生稳定的等离子体，能够实现管件内表面薄膜沉积及氮离子注入。.空心阴极放电等离子体特性研究结果表明：在无管件约束的空心阴极放电结构下，阴极前端径向电流密度随径向距离的增加逐渐降低，RF功率的增加导致电流密度增加。在有管件约束的空心阴极结构下，管内轴向等离子体密度随距阴极前端口距离的增加逐渐降低。随气体流量和气压的增加，等离子体密度先增大后减小。大直径及较短的管件会提高管内轴向等离子体密度的均匀性。采用小内径空心阴极时，管内相同位置等离子体密度最高。屏蔽地电极的加入增加了空心阴极的起辉难度。RF功率相同时，随着屏蔽地电极出口与空心阴极嘴距离的增加，管内相同位置等离子体密度升高；随着屏蔽地电极内径的增大，等离子体密度先增加后降低，且都高于无屏蔽地电极结构。.针对空心阴极等离子体，利用二维等离子体粒子模型系统研究了管筒内表面离子注入的动力学行为。中心辅助地电极的引入使管件内部建立了径向电场，提高了注入离子的径向速度，有利于取得良好的改性效果。采用较长尺寸的中心地电极及小内径的屏蔽地电极有利于注入离子的径向速度的提高。管上施加电压的提高及管径的增大都使注入离子的径向速度增加，但注入剂量变化不大。等离子体密度的提高使离子注入的径向速度减小，注入剂量显著增加。.采用自带屏蔽地电极空心阴极等离子体源实现了内径Ф20mm-Ф40mm，长140mm管件内表面改性，包括DLC薄膜的制备及氮离子注入。定点处理的方式可以获得1-2μm厚的DLC膜层。整管处理时，管件内径越小，处理时间越长，膜层越厚，耐磨性能越好。随着RF功率、管件内径、电压以及频率的增加，注氮处理样品的耐磨性能增强。所有注氮样品的耐腐蚀性能均得到了提高。