常壓DBD等離子清洗機運用在金屬絲退火上的工藝探討-上篇
文章導讀：目前為止，金屬絲退火中成熟運用常壓DBD等離子表面處理工藝的企業(yè)并不多，而且成熟的設備和技術國內外都很少見到。為此，普樂斯查閱了大量國外網站、文獻和專利，整理出相關資料陸續(xù)發(fā)布，期待與大家一起探討。
細金屬絲在電氣、電子、汽車等技術中得到了廣泛的應用。然而，它必須是拉絲后經過退火和清洗后的細導線。傳統(tǒng)的細導線加工工藝由三個過程組成：拉絲、退火和清洗如圖1和2 所示：
這些過程使用焦耳加熱和化學物質來退火和清洗線。然而，這種方法有一定缺點：由于退火和清洗過程的劃分效率低下，同時因使用化學清潔細導線對環(huán)境有害，例如，三氯乙烷，它對人體有危害，具有臭氧層效應。利用常壓DBD介質阻擋等離子體放電的原理，把退火和清洗過程接合起來的新退火系統(tǒng)是對這些缺點的潛在解決方案。
據研究結果表明，鋼絲退火利用常壓DBD介質阻擋等離子體放電清洗是完全可能的；另外，細銅絲退火使用DBD介質阻擋等離子體表面處理技術上仍是可行的。然而，退火效率高低的原因與所選的介質材料、尺寸和形狀，放電氣體，輸入功率等有關。在這項研究中，對介電材料影響退火和清洗效率的結果進行了研究。然而，介電材料和介電尺寸是第一個重要的參數需要進行調查。此外，在電介質的介電常數的頻率和所施加的功率的頻率以及所施加的電壓的效率進行了研究。為了澄清這些依賴關系，可用一個等效電路模型來分析介質的影響。
1.退火的定義
基于卡爾帕基安的制造工程技術，退火是一種通用的術語，用來描述一個冷加工或熱處理的金屬或合金的原始性能的恢復，如提高延伸率，降低硬度和強度，或改變微觀結構。傳統(tǒng)的細金屬線退火是利用外部加熱源或焦耳加熱如前面的圖2所示。
退火細金屬絲的目的是在短時間內使用熱來提高延伸率。退火溫度和退火時間對細導線的晶粒尺寸和晶體結構的影響。伸長率取決于晶體的大小和方向。此外，退火溫度是通過拉伸工藝配置的，一般低于絲材熔點的2 / 3。假設拉伸過程是穩(wěn)定的，然后變形程度是恒定的。因此，為了達到所需的伸長率，溫度和退火的持續(xù)時間需要適當地選擇。
在退火溫度下加熱細金屬絲是一個熱力學過程，它是用來重新排列或消除位錯（恢復），創(chuàng)建新的晶體（原再結晶）和晶體生長（重結晶）。退火后，晶粒尺寸增大并在良好的方向，則延伸率提高。 在第一狀態(tài)，恢復過程中，一些晶體沒有完全重新排列，因此伸長率仍然是低的。在一次再結晶過程中，在導線上的晶體的數目是出生的，這個過程強烈地依賴于溫度，但不持續(xù)時間。然而，當溫度是如此之高，形成的晶體的數目增加，然后晶體尺寸小，小尺寸晶體意味著延伸率很低。因此，選擇溫度在這個過程中是很重要的，得到良好的晶體取向。
在再結晶過程中，晶體從以前的過程中誕生，將生長。晶體生長依賴于持續(xù)時間。值得注意的晶體生長會發(fā)生在短的退火時間，然后晶體尺寸保持不變。因此，在這個過程中退火的持續(xù)時間是重要的，以獲得良好的晶體取向。對于連續(xù)的細導線退火，要有良好的退火周期，施加的電壓，細導線的移動速度，通過細導線的等離子體表面處理反應器的長度都要考慮。如果退火時間過長，在退火結束的過程中溫度高會導致一些缺點，如增加表面粗糙度。此外，在高溫退火過程中，空氣中氫氣的存在可以提高細導線的粗化效果。
2.等離子退火
為了解決傳統(tǒng)的退火方法對環(huán)境造成的危害，利用等離子表面處理工藝來退火可做替代。在較低的壓力如在真空中，通過離子轟擊靶上產生的溫度，研究了等離子體浸沒離子注入（PIII）使用。這種現(xiàn)象普遍應用于靶材表面改性或加熱靶材?？墒?，這些系統(tǒng)要在昂貴的真空系統(tǒng)下運行。近年來常壓DBD介質阻擋等離子放電退火細導線的工藝變得非常引人關注，因為它的低成本系統(tǒng)和環(huán)境友好。
常壓DBD介質阻擋等離子放電牽引細金屬絲通過等離子體反應器時退火，如圖3所示。電介質是用來防止形成電弧，氣體被送入反應器以輔助等離子體放電。 等離子體退火的概念布局如圖4所示：
在等離子體表面處理反應器中，放電氣體被電離成電子和離子。在強電場作用下，離子和電子轟擊細導線表面。所產生的溫度的本質是電子和離子對細導線表面的沖擊能量，如圖5所示。此外，電子、中性粒子碰撞的振幅也輔助生成溫度。由帶電粒子轟擊產生的總溫度（離子和電子）和中性電子的碰撞不斷加熱絲表面退火溫度。
電子轟擊靶進行熔融。電子轟擊陽極（細導線），然后將動能轉化為熱能。在幾個方面從等離子體到陽極發(fā)生熱傳遞。首先，電子具有熱能，它們與陽極接觸時釋放；其次，電子也具有動能，當它穿過陽極時部分轉化為熱能。重要的是要注意，從電子到陽極的轉移動能取決于電流密度。
4.離子轟擊
離子轟擊目標被研究用于等離子體浸沒離子注入（PIII）。當負的高壓脈沖被施加到目標時，陰極附近的電子被驅動的逆電子等離子體頻率的時間尺度上，相對而言，其相對短于逆電子等離子體頻率的時間尺度，離開離子后形成離子空間電荷鞘。對反離子等離子體頻率的時間尺度，在鞘的離子被加速后轟擊靶表面的鞘層電場下。這種現(xiàn)象被普遍應用在目標的表面改性或加熱目標而使用低壓等離子體。
眾所周知等離子清洗機處理效果取決于離子轟擊能量，即鞘層厚度、離子電流和鞘層電場。在流體模型或動力學模型的基礎上，可以計算動態(tài)鞘層厚度、離子電流或離子轟擊能量。最近，常壓DBD介質阻擋等離子體退火細導線變得非常引人關注。另外，我們以前的研究表明，使用常壓DBD介質阻擋等離子體對細銅絲退火是可行的。然而，產生的高溫離子轟擊是不好估計。在這項研究中，使用氦分析模型、氬氣或氮氣氣體和低頻（35–45 KHz）施加電壓，分析了常壓DBD介質阻擋等離子體退火的結果。 （未完待續(xù)）
圖1 拉絲機械裝置圖
這些過程使用焦耳加熱和化學物質來退火和清洗線。然而，這種方法有一定缺點：由于退火和清洗過程的劃分效率低下，同時因使用化學清潔細導線對環(huán)境有害，例如，三氯乙烷，它對人體有危害，具有臭氧層效應。利用常壓DBD介質阻擋等離子體放電的原理，把退火和清洗過程接合起來的新退火系統(tǒng)是對這些缺點的潛在解決方案。
圖2 退火和清洗裝置圖
據研究結果表明，鋼絲退火利用常壓DBD介質阻擋等離子體放電清洗是完全可能的；另外，細銅絲退火使用DBD介質阻擋等離子體表面處理技術上仍是可行的。然而，退火效率高低的原因與所選的介質材料、尺寸和形狀，放電氣體，輸入功率等有關。在這項研究中，對介電材料影響退火和清洗效率的結果進行了研究。然而，介電材料和介電尺寸是第一個重要的參數需要進行調查。此外，在電介質的介電常數的頻率和所施加的功率的頻率以及所施加的電壓的效率進行了研究。為了澄清這些依賴關系，可用一個等效電路模型來分析介質的影響。
1.退火的定義
基于卡爾帕基安的制造工程技術，退火是一種通用的術語，用來描述一個冷加工或熱處理的金屬或合金的原始性能的恢復，如提高延伸率，降低硬度和強度，或改變微觀結構。傳統(tǒng)的細金屬線退火是利用外部加熱源或焦耳加熱如前面的圖2所示。
退火細金屬絲的目的是在短時間內使用熱來提高延伸率。退火溫度和退火時間對細導線的晶粒尺寸和晶體結構的影響。伸長率取決于晶體的大小和方向。此外，退火溫度是通過拉伸工藝配置的，一般低于絲材熔點的2 / 3。假設拉伸過程是穩(wěn)定的，然后變形程度是恒定的。因此，為了達到所需的伸長率，溫度和退火的持續(xù)時間需要適當地選擇。
在退火溫度下加熱細金屬絲是一個熱力學過程，它是用來重新排列或消除位錯（恢復），創(chuàng)建新的晶體（原再結晶）和晶體生長（重結晶）。退火后，晶粒尺寸增大并在良好的方向，則延伸率提高。 在第一狀態(tài)，恢復過程中，一些晶體沒有完全重新排列，因此伸長率仍然是低的。在一次再結晶過程中，在導線上的晶體的數目是出生的，這個過程強烈地依賴于溫度，但不持續(xù)時間。然而，當溫度是如此之高，形成的晶體的數目增加，然后晶體尺寸小，小尺寸晶體意味著延伸率很低。因此，選擇溫度在這個過程中是很重要的，得到良好的晶體取向。
在再結晶過程中，晶體從以前的過程中誕生，將生長。晶體生長依賴于持續(xù)時間。值得注意的晶體生長會發(fā)生在短的退火時間，然后晶體尺寸保持不變。因此，在這個過程中退火的持續(xù)時間是重要的，以獲得良好的晶體取向。對于連續(xù)的細導線退火，要有良好的退火周期，施加的電壓，細導線的移動速度，通過細導線的等離子體表面處理反應器的長度都要考慮。如果退火時間過長，在退火結束的過程中溫度高會導致一些缺點，如增加表面粗糙度。此外，在高溫退火過程中，空氣中氫氣的存在可以提高細導線的粗化效果。
2.等離子退火
為了解決傳統(tǒng)的退火方法對環(huán)境造成的危害，利用等離子表面處理工藝來退火可做替代。在較低的壓力如在真空中，通過離子轟擊靶上產生的溫度，研究了等離子體浸沒離子注入（PIII）使用。這種現(xiàn)象普遍應用于靶材表面改性或加熱靶材?？墒?，這些系統(tǒng)要在昂貴的真空系統(tǒng)下運行。近年來常壓DBD介質阻擋等離子放電退火細導線的工藝變得非常引人關注，因為它的低成本系統(tǒng)和環(huán)境友好。
圖3 牽引細金屬絲通過常壓DBD介質阻擋等離子體反應器結構
常壓DBD介質阻擋等離子放電牽引細金屬絲通過等離子體反應器時退火，如圖3所示。電介質是用來防止形成電弧，氣體被送入反應器以輔助等離子體放電。 等離子體退火的概念布局如圖4所示：
圖4 常壓DBD介質阻擋等離子體退火的概念布局
在等離子體表面處理反應器中，放電氣體被電離成電子和離子。在強電場作用下，離子和電子轟擊細導線表面。所產生的溫度的本質是電子和離子對細導線表面的沖擊能量，如圖5所示。此外，電子、中性粒子碰撞的振幅也輔助生成溫度。由帶電粒子轟擊產生的總溫度（離子和電子）和中性電子的碰撞不斷加熱絲表面退火溫度。
圖5 常壓DBD介質阻擋等離子體退火的原理
3.電子轟擊電子轟擊靶進行熔融。電子轟擊陽極（細導線），然后將動能轉化為熱能。在幾個方面從等離子體到陽極發(fā)生熱傳遞。首先，電子具有熱能，它們與陽極接觸時釋放；其次，電子也具有動能，當它穿過陽極時部分轉化為熱能。重要的是要注意，從電子到陽極的轉移動能取決于電流密度。
4.離子轟擊
離子轟擊目標被研究用于等離子體浸沒離子注入（PIII）。當負的高壓脈沖被施加到目標時，陰極附近的電子被驅動的逆電子等離子體頻率的時間尺度上，相對而言，其相對短于逆電子等離子體頻率的時間尺度，離開離子后形成離子空間電荷鞘。對反離子等離子體頻率的時間尺度，在鞘的離子被加速后轟擊靶表面的鞘層電場下。這種現(xiàn)象被普遍應用在目標的表面改性或加熱目標而使用低壓等離子體。
眾所周知等離子清洗機處理效果取決于離子轟擊能量，即鞘層厚度、離子電流和鞘層電場。在流體模型或動力學模型的基礎上，可以計算動態(tài)鞘層厚度、離子電流或離子轟擊能量。最近，常壓DBD介質阻擋等離子體退火細導線變得非常引人關注。另外，我們以前的研究表明，使用常壓DBD介質阻擋等離子體對細銅絲退火是可行的。然而，產生的高溫離子轟擊是不好估計。在這項研究中，使用氦分析模型、氬氣或氮氣氣體和低頻（35–45 KHz）施加電壓，分析了常壓DBD介質阻擋等離子體退火的結果。 （未完待續(xù)）
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