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 повʼязані 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 обʼємних 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, повʼязану 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 повʼязана 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 звʼязува­н­ня 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 барʼєрного 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, обʼ­єд­нуються 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