Как плазма используется в промышленности

Когда слышишь слово «плазма», возникают самые разные ассоциации. И чаще всего они вызваны фантастическими фильмами и книгами. Тут и емкости со светящейся зеленой субстанцией, и мощное оружие космических кораблей, способное уничтожать целые планеты. Трудно представить, что такая технология активно применяется уже сегодня, а результаты ее применения мы видим каждый день. О том, как плазма помогает компаниям по всему миру двигать промышленность вперед, рассказывает Дмитрий Копылов, руководитель технологических проектов Группы НЛМК.

Что такое плазма?

Те, кто хорошо слушал на уроках физики в школе, вспомнят, что существует три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. На самом деле их четыре. Если газ поместить в сильное электромагнитное поле, мельчайшие частицы в нем приобретут заряд. Так получается плазма. В твердом веществе схожие процессы ни у кого не вызывают удивления: этот принцип обеспечивает ток в проводах.

Несмотря на то, что плазма многими воспринимается как что-то из научной фантастики или серьезных научных лабораторий, ее примеры легко увидеть в обычной жизни. Достаточно посмотреть на молнию, северное сияние или обычную неоновую лампу.

Ученые выделяют множество разновидностей плазмы. Холодная, или плазма низкого давления, как раз используется в лампочках. Или в косметологии — в качестве процедуры по омоложению. Пример высокотемпературной плазмы — Солнце или молнии. Получают ее и в лабораториях, для этого используют специальные устройства — токамаки. Недавно специалисты Курчатовского института поставили рекорд, создав плазму с температурой порядка 40 млн градусов по Цельсию — это в два раза горячее солнечного ядра. Созданием плазмы занимаются и в промышленности, она помогает компаниям совершенствовать процессы и производить самую разную продукцию.

Плазма внутри смартфона

Внутри любого электрического прибора есть микросхема. На ней размещены транзисторы. Их расположение создает причудливый узор, знакомый всем фанатам киберпанка. Когда-то этот узор создавали практически вручную, но к 80-м годам прошлого века стало понятно, что нужны более точные методы. Так появилась фотолитография — способ получения рисунка на поверхности печатной платы с помощью света.

Однако видимой части спектра быстро стало не хватать. Виной тому — закон Мура. Он гласит, что число транзисторов на микросхеме удваивается каждые два года. Пускай это правило носит скорее эмпирический характер, вся электронная промышленность действительно следует ему последние 70 лет. Если в 1960-е годы число транзисторов измерялось десятками, то сегодня — десятками миллиардов. Точность узора в такой ситуации играет огромную роль.

Видимый свет может дать точность в 400-700 нанометров. Это мало, но недостаточно мало. В 1990-х производители чипов стали использовать глубокий ультрафиолет, или DUV, длина волны которого составляла уже 193 нанометра. А к нулевым производители обратили свой взор на EUV, «крайний ультрафиолет». Он позволяет наносить узор с точностью в 13,5 нанометра. Сравните карандаш, проволоку и человеческий волос — примерно так выглядит разница между видимым светом, DUV и EUV.

Проблема в том, что EUV на Земле встретить невозможно. Его необходимо создавать. Один из способов — превратить олово в горячую плазму, нагрев металл до температуры в 500 тысяч градусов по Цельсию. Добиться этого смогла нидерландская компания ASML, мировой лидер по производству машин для фотолитографии. В их решении высокоточный лазер нагревает микроскопические капельки олова, впрыскиваемые в камеру на скорости 300 км/ч, до нужной температуры. Олово моментально переходит сначала в газообразное состояние, а затем и в плазму, которая излучает необходимый свет.

Получается, что без плазмы не было бы ни современных смартфонов, ни микроволновок, ни электрокаров. И дело не только в фотолитографии.

Плазма для обработки металла

Защитное покрытие

Сегодня на сталь, которая используется в строительстве и самых разных производствах, почти всегда наносят специальное покрытие. Один из самых распространенных методов — непрерывное горячее цинкование. Стальная полоса погружается в расплав цинка, а затем агрегат газовой обдувки, или газовый нож, сдувает его излишки и формирует конечную толщину. При этом оборудование работает в агрессивных условиях, изнашивается, и со временем точность нанесения падает. Чтобы с этим справиться, используют нейросети — они помогают технологам рассчитать некоторые параметры. Но даже так в среднем удается добиться точности только в 92-95%. А из-за постоянного поддержания расплава в жидкой фазе возникают огромные энергозатраты, риски и проблемы с безопасностью.

Для решения проблемы в группе НЛМК используется качественно новый процесс — PVD (Physical Vapor Deposition), или физическое осаждение материала на подложку. Резистивный испаритель, «лодочка» из тугоплавкого материала, нагревает порошок, заготовку для будущего покрытия. Тот испаряется и распределяется по вакуумной камере, а затем слоем с заданной толщиной оседает на металлическую подложку. В дополнение к PVD используется другой метод — JVD (Jet Vapor Deposition, струйное вакуумное напыление). В этом случае газообразный материал направляется на основу в виде струй пара. Задача плазмы в обоих процессах — подготовить исходную сталь к нанесению, очистить ее поверхность и повысить адгезию. Без этого этапа эффективность обработки заметно снижается.

Плазменно-вакуумная технология позволяет наносить на сталь не только цинк, но и другие металлы: алюминий, хром, никель, титан. А если внести в процесс небольшие корректировки, можно получать би- и даже триметаллические покрытия. В расплавах технологи ограничены определенной концентрацией и особенностями смеси. Плазменная технология позволяет формировать новые защитные покрытия с уникальными свойствами. Это серьезный шаг вперед.

Очистка окалины

Еще один важный в металлургии процесс — очистка стали от оксидов, которые образуются на ее поверхности при сильном нагреве. Обычно это делается с помощью травления соляной кислотой, но процесс несет риски, связанные с безопасностью и влиянием на экологию. Более того, оборудование от контакта с кислотой быстро изнашивается, а саму кислоту необходимо регулярно очищать или менять. В качестве альтернативы иногда используют метод очистки лазером, но точечное нагревание может изменить морфологию и структуру металла.

Для плазменного удаления окалины используется вакуумно-дуговой метод. Он не предполагает воздействия на основной металл, что исключает его перегрев или изменение механических свойств. Еще одно отличие от привычных способов заключается в том, что при использовании вакуумно-дугового метода нет необходимости в дополнительных материалах и реагентах, которые сохраняли бы свойства стали.

Выглядит очистка так. Источник формирует круглое плазменное пятно, которое перемещается по поверхности металла и удаляет окалину. В ходе исследования технологи группы пробовали различные настройки. На первых порах результат был абсолютно неприемлемый — окалина вплавлялась в подложку. Но в итоге удалось найти стабильный режим. Благодаря настройке плазматрона, обеспечивающего нужные параметры, получилось добиться эффективного и бережного удаления. Вакуумно-дуговой метод оказался более гибким: при его использовании возможен точный контроль температуры поверхности. А сам процесс происходит в вакууме, что минимизирует воздействие на окружающую среду и повышает качество обработки. 

Еще одно преимущество плазменной очистки заключается в возможности работы с широким спектром металлов. Метод не ограничен температурными порогами и температурной чувствительностью материала, которые критичны для лазерной очистки.

Плазма в медицине

И речь, как можно догадаться, идет не о плазме крови.

Современные контактные линзы нередко изготавливаются с использованием силикона. Они хорошо пропускают кислород и лучи света, держат форму и обладают другими свойствами, обеспечивающими комфорт носки. Но есть проблема — гидрофобность силикона. Материал отлично отталкивает воду. Поэтому, например, его используют в качестве герметика при ремонте санузлов. Однако поверхность глаза должна быть влажной: не просто так слезные железы вырабатывают в среднем от двух до четырех миллилитров жидкости за сутки. Силиконовые линзы быстро высушивали бы слизистую глаза. Чтобы этого избежать, производители стали использовать обработку низкотемпературной плазмой.

Применять плазму можно и наоборот — для придания материалам гидрофобных свойств. Так делают с высокоточными пипетками, которые используются в науке и медицине. В обычных пипетках часть жидкости прилипает к стенкам. Но при работе с опасными или особо ценными реагентами это недопустимо. Плазма позволяет получить материал, поверхность которого обладает ничтожно малой адгезией. Пипетки, созданные из него, можно полностью освободить от содержимого.

Другой вариант — защита слуховых аппаратов. Современные устройства имеют компактные размеры, и динамики в них могут испортиться даже от небольшого количества влаги. При этом полностью герметизировать аппарат нельзя. На помощь приходит плазма — с ее помощью создают материалы, которые отталкивают воду. Это позволяет защитить электронику от повреждений.

На самом деле плазма сегодня используется в самых разных областях науки и производства. Металлургия, обработка, электроника, бурение, химия, медицина и пищевая промышленность — это лишь малая часть всех сфер применения. Плазма уже сейчас делает жизнь людей лучше, пускай и косвенно. А в будущем мы можем ощутить эффект даже на себе — ученые уже разрабатывают компактные плазменные двигатели. Кто знает, возможно, именно они сделают космические путешествия обыденностью, а не далекой фантазией.

Обложка — downloaded from Freepik.

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Представлены первые данные об образцах грунта с обратной стороны Луны
Космос
Посмотрите, как мощный ураган накрывает землю из космоса
Космос
Создан протокол для квантового обмена данными между ИИ и облаком
Новости
Это библейское дерево вырастили из 1000-летнего семени: как оно удивило ученых
Наука
Найдена «кнопка», которая ставит на паузу развитие эмбриона человека
Наука
«Уэбб» наблюдал неизвестную фазу эволюции галактик, полагают ученые
Космос
Роботы научились проходить проверку reCAPTCHAv2: эта защита больше не работает
Новости
Зубную пасту превратили в съедобный транзистор для оценки здоровья
Наука
Бывшая структура «Яндекса» открыла первый ИИ-кластер во Франции на базе Nvidia
Новости
Самый мощный радиотелескоп мира станет еще чувствительнее: что готовит Китай
Наука
«Хаббл» увидел, как поток плазмы из черной дыры «взрывает» звезды на своем пути
Наука
Разработан биоробот, которым управляют настоящие нейроны
Наука
Посмотрите на длинноногого кальмара, который бредет по дну Тихого океана
Наука
Инженеры разработали «ручку» для письма отдельными атомами
Наука
Создана самая подробная инфракрасную карта Галактики: на ней 1,5 млрд объектов
Космос
Вымирание мамонтов связали с аллергией на пыльцу
Наука
У погасшей звезды нашли планету, которая напоминает Землю
Космос
Эта комета летит к Земле: посмотрите, как она выглядит из космоса
Космос
Беспилотник Университета Иннополис внесли в реестр российской промышленной продукции
Новости
Samsung представила новый SSD 990 EVO Plus с рекордной скоростью и энергоэффективностью
Новости