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.