Плазмові технології

ПЛА́ЗМОВІ ТЕХНОЛО́ГІЇ  — технологічні процеси, що здійснюють за допомогою низькотемпературної плазми електричних розрядів у газах (див. Електричного розряду в газі фізика, Е. р. в г. ф.). Вони пов’язані з використанням таких плазмових властивостей, як висока щільність теплової енергії, механічний вплив рухомої плазми або її частинок, наявність заряджених (електрони та іони) та хімічно активних частинок, електричних полів, випромінювання в зоні ультрафіолетової (УФ) та вакуумної УФ (ВУФ) частин спектру. Виокремлюють кілька основних напрямів розвитку П. т., обумовлених фізичним станом плазми: 1) термічні, в яких вона перебуває в практично рівноважному стані — їй відповідає переважно щільна плазма електричних дуг (ЕД) або високочастотних (ВЧ) розрядів при тиску p≥1 атм; 2) нерівноважна плазма низького тиску — переважно жеврових розрядів (ЖР) при p~10^-3–10^-2 атм або об’ємних дугових розрядів (ОДР) при p≤10^-3 атм за наявності розжарювального катоду; 3) т. зв. холодна плазма при p~1 атм, в якій створюють спеціальні умови для того, щоб температура T_h важкої компоненти (атоми й іони) істотно не відрізнялася від атмосферної, а електронна визначала властивості плазми Т_е»T_h; процеси, яким властиві такі умови, іноді класифікують як плазмовий каталіз, їх реалізують найчастіше в умовах нестаціонарних високовольтних розрядів і/або в гетерогенних середовищах. П. т. відіграють величезну, проте часто непомітну, роль у розвитку світової економіки. Наприклад, саме завдяки їм середня вартість одного транзистора при виготовленні інтегральних схем, починаючи від 1970-х рр., зменшилася приблизно в 108 разів, що й стало технічними й економічними передумовами бурхливого розвитку інформаційних технологій. Нині вони займають важливе місце в багатьох ін. виробничих процесах. Для їхньої систематизації за галузями застосування може бути використаний підхід на основі бачення світової спільноти науковців-плазменників: 1) отримання та перетворення енергії; 2) оптики та окулярів; 3) аерокосмічної й автомобільної промисловості; 4) пластмас та текстилю; 5) довкілля; 6) медицина та гігієна. В Україні виокремлюють також окрему технологічну вертикаль, пов’язану з процесами плазмової металургії та електрозварювання матеріалів разом зі спорідненими технологіями напилення й наплавлення. Починаючи з винаходу М. Бенардоса у 1881, вони ґрунтувалися на технологіях дугового зварювання і є характерними представниками термічних П. т., що були розвинені в Інституті електрозварювання НАНУ (Київ). У 2-й пол. 20 ст. значного розвитку набула техніка отримання плазми в плазмотронах — пристроях, в яких розрядну плазму отримують в потоці газу, з яким вона виноситься за межі розрядної камери плазмотрона. При цьому за межами камери може бути один з електродів, яким найчастіше слугує металевий виріб чи матеріал, що обробляють (т. зв. плазмотрон прямої дії; в ін. випадку — непрямої). На їх основі було розвинене плазмове зварювання.

У 1980-х рр. науковці Інституту електрозварювання НАНУ (Е. Есибян) та Інституту газу НАНУ (Київ) налагодили серійне виробництво установок плазмового напилювання «Київ-7» потужністю 80 кВт. У подальшому значний внесок у розвиток техніки плазмотронів в Інституті газу НАНУ зробили В. Пащенко і С. Петров. Напилення серед ін. методів модифікації поверхні конструктивних виробів є важливим компонентом високотехнологічного машинобудування. Адже працездатність окремої деталі визначається не тільки її здатністю витримувати механічні та ін. навантаження по всьому її перетину, але й протистояти таким навантаженням безпосередньо в зоні їхнього прикладання, тобто в місці контакту поверхні деталі з довкіллям або ж з ін. деталлю. Тому особливе значення має здатність матеріалу чинити опір зношуванню або корозії. Аналогічно можуть виникати проблеми щодо підвищення жаростійкості, теплового захисту чи ущільнення поверхні. Методи П. т. зараховують ЕД або плазмове напилення, що дозволяє вирішувати згадувані проблеми. Перше з них передбачає нанесення на поверхню виробів матеріалу одного з плавких електродів ЕД, стовп якої продувають струменем хімічно інертного газу (зокрема, продуктів згоряння метану чи пропан-бутану), направленим на виріб; розплав і конденсовані продукти випаровування цього електрода слугують захисним покриттям, що має ті чи інші властивості залежно від складу його матеріалу. Плазмове напилювання здійснюють спеціальними мікропорошками, що подають на зрізі сопла плазмотрона в його струмінь, плавлять в процесі перенесення їх струменем і потім наносять на поверхню виробу. В останні роки такі технологічні розробки в Інституті газу НАНУ були впроваджені в Литві та Китаї.

Важливе самостійне значення має розвиток технологій виробництва згаданих вище мікропорошків, зокрема їх сферодизації. Воно здійснюється на основі використання ВЧ-плазмотронів, в яких замість ЕД для генерування термічної плазми використовують безелектродний ВЧ-розряд. Значний внесок у розвиток наукових основ подібних технологій належить радянському фахівцю у галузі електротехніки українського походження Г. Бабату, який виконав такі дослідження ще під час 2-ї світової війни. Одна з визначних їх переваг — відсутність електродів, тобто не вносяться забруднення електродними матеріалами в зону розряду та не обмежується ресурс роботи розрядної системи. Зокрема, сфероїдизація мікропорошків здійснюється на основі внесення калібрувальних за розмірами заготовок у плазмову струмінь на зрізі сопла ВЧ-плазмотрона, їхнього плавлення та прийняття при цьому сферичної форми з подальшим поступовим охолодженням у процесі вільного руху в камері установки за межами плазмотрона. В Україні П. т. з використанням ВЧ-плазмотронів були розвинуті в ТОВ «Чисті матеріали» (Київ; Р. Могілевський) для вирощування в промислових масштабах високочистих ущільнених полікристалічних злитків оксиду алюмінію, що використовують як вихідну сировину для вирощування монокристалів сапфіру оптичної якості, та удосконалені фахівцями української компанії ТОВ «Клакона Сістем» (Київ; М. Скульський, М. Лютик). Нині вона є єдиною компанією в Україні та однією з кількох у світі, що може виробляти промислове обладнання для плазмової сфероїдизації та синтезу нанопорошків для широкого спектру матеріалів, зокрема порошків активних металів для адитивних технологій.

П. т. перероблення відходів відповідно до сучасних вимог європейських стандартів (Директива 2010/75/ЄС) повинні відповідати принципу «відходи — в енергію» (Waste-to-Energy). Йдеться про перероблення доволі поширених хлорвмісних відходів, зважаючи на популярність виробів з полівінілхлориду. Традиційна вогнева технологія їхнього перероблення пов’язана з ризиком утворення діоксинів та фуранів — найбільш токсичних речовин. У спільній розробці Інституту газу НАНУ та Інституту електрозварювання НАНУ для перероблення хлорвмісних медичних відходів використаний пароповітряний плазмотрон, що підтримує високу (≥1100 ºС) температуру на виході шахтного реактора, при якій хлор гарантовано перебуває в стані HCl, якщо час перебування при цій температурі складає ≥2 сек. Далі продукти газифікації, переважно суміш Н₂ + СО — т. зв. синтез-газ — з домішкою HCl, швидко охолоджують та промивають через розчин соди, де хлор зі сполуки HCl переходить в стан безпечного NaCl. Попри втрату синтез-газом у процесі фільтрації теплової енергії він має значний запас хімічної енергії, що дозволяє використовувати його як паливну сировину; крім того, він є цінним хімічним ресурсом. У цьому сенсі П. т. перероблення відходів можуть бути співставлені з газифікаторами вуглецевмісної сировини, пік розвитку яких припав на середину 20 ст. (у подальшому вони були витіснені внаслідок бурхливого розвитку технологій видобутку нафтогазових ресурсів за їх початкової дешевизни). До принципових переваг над колишніми технологіями газифікаторів відносять відсутність постійного сажоутворення, що зумовлене наявністю смол в органічній сировині та режимними особливостями їхньої роботи. Важливим також є факт значного вмісту водню в складі синтез-газу з точки зору розвитку водневої енергетики.

Ще більш технологічно складним є перероблення небезпечних відходів, у складі яких є важкі метали. Прикладом таких відходів в Україні є донні мули Бортницької станції аерації, в яких накопичені каналізаційні відходи Києва, починаючи від 1973, коли в місті були представлені чисельні військові виробництва. Загальна їх кількість складає бл. 9 млн т. Для їх безпечного перероблення в Інституті газу НАНУ розроблена дослідно-промислова установка на основі використання пароповітряного плазмотрона. Вона передбачає рідке шлаковидалення при температурі ~1400 ºС. При цьому важкі метали залишаються в складі шлаку, після охолодження якого залишаються інкорпорованими в його склоподібній масі (т. зв. процес вітрифікації). Охолоджені гранули шлаку є безпечними для довкілля і можуть використовуватися, наприклад, для підсипання доріг.

Послідовний розвиток П. т. перероблення вуглеводневих відходів вказує на можливість їхнього використання для виробництва т. зв. більш ніж зеленого водню Н₂. Якщо найбільш безпечними з точки зору забруднень атмосфери вважають процеси на основі електролізу води з використанням відновлювальних джерел енергії, що є вуглецево-нейтральними щодо впливу на атмосферу, то перероблення відходів дозволяє значно зменшити їхній негативний вплив у короткостроковій перспективі. Дійсно, відходи, якщо вони не будуть перероблені та попадуть на звалище, понад 20 років виділятимуть у процесі гниття метан СН₄, який є у 20 разів активнішим за вуглекислий газ СО₂ з точки зору кліматичних змін. Таким чином, внесок вуглецю у цій П. т. виробництва водню визначається як негативний в еквіваленті 188 кг СО₂ на МДж порівняно з 20 кг для вугільного Н₂ та нулем для стандартного «зеленого водню».

Фахівці Науково-виробничої фірми «УкрПлазма» (Харків; А. Даниленко) та Технологічного центру Anadolu Plasma (Анкара) розробили технологію безмазутного розпалювання та підтримання горіння пиловугільного факела на теплових електростанціях на основі використання НВЧ-плазмотрона робочою частотою 915 МГц. Вона реалізована на котлі блока вугільної електростанції SOMAA потужністю 2×22 МВт на заході Туреччини, що істотно поліпшило показники її роботи. Резонатор плазмотрона слугує одночасно каналом, через який транспортується пиловугільна суміш і в якому здійснюється, власне, її розпалювання під впливом НВЧ розряду. Таким чином, плазма генерується в самій пиловугільній суміші, що підвищує енергетичну ефективність процесу порівняно з використанням ЕД плазмотронів. Проте основна конструктивна перевага полягає в принциповій відсутності електродів для підтримання розряду і, відповідно, знімає один з основних аргументів представників класичної теплотехніки в Україні, що штучно гальмував розвиток П. т.

В Інституті газу НАНУ розроблені також методи модифікації поверхні конструктивних виробів на основі використання ЖР та ОДР, стан плазми в яких є різко нерівноважним. Вони стосуються технологій азотування та комбінованого азотування й оксидування. На відміну від згаданих вище методів напилювання покриттів на поверхню, ці П. т. реалізуються на основі дифузії атомарного азоту і/або кисню з плазми в поверхневий шар розігрітих до 500–600 ºС виробів. Кінцевим результатом є поліпшення найважливіших властивостей конструкційних матеріалів — зносо- та корозійної стійкості, межі втоми й жароміцності. Вони реалізуються в екологічно чистих умовах у вакуумних установках — на відміну від традиційного т. зв. хіміко-термічного оброблення, що здійснюють в громіздких і небезпечних в експлуатації печах, наповнюваних аміаком. На основі детального чисельного моделювання кінетики зіткнень частинок у нерівноважній плазмі ЖР та ОДР визначені оптимальні умови проведення цих технологічних процесів.

П. т. на основі т. зв. холодної плазми дозволяють поєднати високу продуктивність тих чи ін. процесів, характерну для технологій термічної плазми, з нерівноважними умовами, що реалізуються в плазмах низького тиску, а відтак — невисокої продуктивності внаслідок незначної концентрації плазмових частинок. У одній з розробок Інституту газу НАНУ вони реалізуються на основі високовольтного іскрового розряду з електродами спеціальної конструкції. Йдеться про вирішення проблеми плазмохімічного зв’язування практично інертного азоту повітря в ті чи інші сполуки, які б уможливили виробництво азотних добрив. Спроби її вирішення у 1980-х рр. у світових масштабах виявились безуспішними. У сучасній постановці проблеми розглядається технологія безпосереднього виробництва рідких азотних добрив на місці їхнього застосування. Процес включає окислення атмосферного азоту до рівня оксидів NOx та супутних сполук в умовах підводних розрядів у бульбашковій фазі подібно до того, як це відбувається в природі в умовах грозових розрядів, що супроводжуються появою блискавок. Очікується, що ці розробки мають перспективу конкретної реалізації та широкомасштабного застосування з серійним випуском апаратів продуктивністю 1–10 т/год. рідких азотних добрив, зокрема для крапельного зрошування.

В Інституті фізики плазми Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» (ХФТІ) в останні роки розроблені П. т., що ґрунтуються на властивостях нерівноважної плазми (І. Гаркуша, А. Таран). Вони створені в інтересах розвитку медицини та гігієни. Одна з них використовує переваги діелектричного бар’єрного розряду у повітрі та воді як енергоефективного джерела для отримання такої плазми і орієнтована на забезпечення медичної галузі мобільними пристроями для дезінфекції та низькотемпературної стерилізації медичного інструментарію. Ефект стерилізації досягається завдяки генеруванню озону з кисню спеціальним вбудованим озонатором, який живиться високовольтним імпульсним розрядом. Кінцева розробка реалізована у співробітництві з Науково-виробничим підприємством «Хартрон-Плант» (Харків) у вигляді малогабаритного приладу. У цьому ж Інституті розроблені комбіновані П. т. для нанесення зносостійких покриттів для різноманітних медичних виробів, що включають ортопедичні імплантати, кардіостимулятори, операційний та стоматологічний інструментарій тощо. Вони реалізовані на основі поєднання методу вакуумного напилювання PVD (англ. physical vapour deposition), коли атоми напилювального матеріалу переносяться на поверхню виробу без проміжних зіткнень, із ВЧ-розрядом, а джерелом матеріалу для випаровування є катод вакуумного ЕД. Це відкриває можливість синтезу покриттів як на металевих, так і на діелектричних матеріалах, значно знизивши температури осаджування, і синтезувати тонкі біоінертні покриття для медицини. Цінність технології PVD полягає в її здатності змінювати властивості поверхні матеріалів без зміни їхніх основних властивостей і біомеханічної функціональності. Це дуже важливо, оскільки біоматеріали, що знаходяться в постійному контакті з тілом і тканинами, крім механічної міцності вимагають також унікальних властивостей поверхні, таких як поверхнева енергія, гідрофільність і специфічна морфологія поверхні, щоб покращити клітинно-білкову адгезію на поверхні імплантату. Як захисні покриття наносять тонкі керамічні плівки на основі оксидів, нітридів, карбідів Ti, Zr, Nb, Ta, оскільки вони мають високу твердість, електрохімічну стійкість і біосумісність. Окрім проблем із біосумісністю, поверхня імплантату деградує через постійні механічні навантаження та втрачає свою міцність. Нанесення їх у вигляді комбінованих багатошарових біоінертних покриттів дозволяє підвищити зносостійкість поверхні рухомих частин біосумісних імплантатів, коли втрата зовнішнього захисного шару покриття компенсується наступним.

Широкого спектру розробки П. т. виконують в Ужгородському університеті на основі фізичних процесів, властивих перенапруженому наносекундному розряду атмосферного тиску в газах, де внесення матеріалу електродів в плазму відбувається в результаті природних неоднорідностей поверхонь електродів у сильному електричному полі (О. Шуаібов). Розробляють, зокрема, нові газорозрядні джерела УФ-ВУФ випромінювання, що можуть синхронізуватися з випромінюванням потоків наноструктур на продуктах деструкції перехідних металів (Cu, Zn, Cd, Al), халькопіритів і суперіонних провідників (типу Ag₂S, Ag₈GeS₆). Крім того, створюють методики власне синтезу тонких плівок оксидів перехідних металів і вольфраму та згаданих вище матеріалів. За кінцевим застосуванням вони можуть бути віднесені до таких груп: отримання та перетворення енергії; оптика та окуляри; аерокосмічна й автомобільна промисловості; медицина та гігієна.

Розробники П. т. в Україні, починаючи від 2007, об’єднуються в рамках секції «Низькотемпературна плазма та плазмові технології» (керівник — В. Жовтянський) у складі Наукової ради з проблеми «Фізика плазми і плазмова електроніка» (голови: до 2012 — К. Степанов, нині — А. Загородній), яка щорічно публікує річний звіт під назвою «SCIEN-TIFICCOUNCIL “Plasma Physics and Plasma Electronics”. Annual Report». До 24 лютого 2022 регулярно проводили Міжнародну конференцію-школу з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (Харків) та Українську конференцію з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу (Київ). Статті з проблем П. т. друкують українські журнали «Problems of Atomic Science and Technology» та «Енерготехнології та ресурсозбереження».

Завантажити статтю