ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 2, с. 169-173
УДК 537.532.74
НАГРЕВ ГАЗА И ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА
© 2015 г. А. В. Марков, Ю. П. Юленец
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
E-mail: markov-av@yandex.ru Поступила в редакцию 13.02.2014 г.
Рассмотрена модель теплового процесса в плазме высокочастотного емкостного разряда пониженного давления в атмосфере воздуха. Проведен анализ влияния мощности разряда и давления на распределение температуры в разрядном промежутке, в том числе при размещении в нем образца полимерной пленки. Численные расчеты сопоставлены с данными непосредственных измерений температуры газа в разряде и температуры пленки. Приведен пример практического использования методики расчета температурного поля в разряде в процессе плазменного модифицирования поверхности полимеров.
Б01: 10.7868/80040364415020155
ВВЕДЕНИЕ
Низкотемпературная плазма — эффективный метод воздействия на твердые материалы, в первую очередь полимеры. Обработка плазмой позволяет в широких пределах изменять физико-химические, электрические, оптические и другие свойства поверхности полимеров и тем самым значительно расширяет сферу их применения [1, 2]. Существенными преимуществами при применении в технологиях (устойчивость к контракции, равномерность обработки, неограниченный ресурс работы) обладает неравновесная плазма высокочастотного емкостного (ВЧЕ) разряда пониженного давления [3—6]. Процессы обработки в ВЧЕ-разряде находят применение при производстве изделий микроэлектроники, в устройствах для ионно-плазменного травления, при нанесении тончайших (наноразмерных) пленок различного назначения [3]. Наиболее ценным для практики эффектом воздействия низкотемпературной плазмы на полимерные материалы является изменение их контактных свойств: смачивание, адгезия к тонким слоям металла, способность к склеиванию, накрашиванию и т.п. [7]. Вместе с тем серьезный недостаток существующего уровня развития технологии плазменного модифицирования поверхности полимеров, в том числе в плазме ВЧЕ-разряда, заключается в нестабильности приобретенных свойств поверхности — плаз-мообработанные материалы стареют при дальнейшем хранении, и их гидрофильные свойства ухудшаются.
Согласно [8, 9] применение режимов различной интенсивности (мощности разряда) приводит не только к различию адгезионных свойств
поверхности полимеров, но и различным образом влияет на последующую их стабильность. Очевидно, что в зависимости от выбранного режима плазменной обработки различные значения приобретает температура поверхности материала в момент отключения разряда. Температура материала в плазме является важнейшим и весьма критичным параметром процесса плазменного модифицирования поверхности полимеров.
Настоящая работа посвящена исследованию нагрева газа и полимерного материала в плазме слаботочного ВЧЕ-разряда (а-разряда). Задача о нагреве газа в высокочастотном емкостном разряде представляет и самостоятельный интерес, так как до настоящего времени температура газа непосредственно измерена только вне области разряда [10]. Известные же теоретические результаты исследования данного вопроса, содержащиеся в публикациях [3, 11, 12], сопоставлены исключительно с косвенными измерениями авторов работы [10].
МОДЕЛЬ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА В а-РАЗРЯДЕ И ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ В РАЗРЯДНОМ ПРОМЕЖУТКЕ
Модифицирование поверхности полимеров и исследование температурного поля в разряде осуществлялось в атмосфере воздуха в плазмохими-ческом реакторе, выполненном из стекла. В середине реактора были установлены два параллельных дисковых водоохлаждаемых электрода диаметром 113 мм. Расстояние между электродами составляло 20 мм. Таким образом, диаметр электродов много больше расстояния между ними. ВЧЕ-разряд возбуждался на частоте 27.12 МГц от
и'нр - ит;п
От ВЧ-генератора
Я
ЭТ1 дт
X1 д Т
+
Р1
срр1 дх Срр (Р1 = Рз = 0, р2 = р)
I = 1,2,3
с начальным и граничными условиями: Т = То при т = 0 (0 < х < х3),
(1)
(2)
дТ1
дх х=о
= 0, Тз\= То,
Гр Гр Л дТ[ - -1
Т = -ъ — = ^ I-1 —— дх дх
(3)
(4)
Рис. 1. Эквивалентная электрическая схема ВЧЕ-раз-ряда: Яь — добавочное активное сопротивление, Яр — активное сопротивление плазмы, С^ — эквивалентная емкость разрядного конденсатора, Ь — индуктивность катушки.
генератора с колебательной мощностью 2 кВт. Параметры разряда изменялись в пределах: давление плазмообразующего газа (воздуха) Ш = 200—500 Па, плотность разрядного тока]л = 4 — 9 мА/см2. Пленка полимера размещалась в середине разрядного промежутка. Разряд с самого начала, с наименьших плотностей тока, и далее во всем исследованном диапазоне был устойчивым и занимал всю площадь электрода, т.е. горел в аномальном режиме. Именно в этом типе разряда можно осуществлять технологический процесс модифицирования поверхности полимеров.
В ВЧЕ-разряде джоулево тепло тока, вызывающее нагрев газа, выделяется только в центральной части разрядного промежутка. Расположенные вблизи электродов темные слои — слои пространственного заряда — практически не пропускают ток проводимости. Текущий в плазме ток проводимости замыкается на электроды исключительно токами смещения [3]. Полимерный материал нагревается от газоразрядной плазмы.
С учетом постоянства температуры электродов при моделировании теплового процесса в плазме ВЧЕ-разряда реактор с материалом рассматривался как многослойная система "приэлектрод-ный слой—разрядный промежуток—образец материала—разрядный промежуток—приэлектрод-ный слой". Распределение температуры Т в каждом слое описывается уравнением нестационарной теплопроводности
при х = х1 -1 (г = 2,3).
Здесь X, ср, р; — соответственно теплопроводность, теплоемкость и плотность материала (вещества) в слое (1, 3 — газ; 2 — полимерный материал); I — номер слоя; р — мощность, выделяемая в единице объема газа; х — текущая координата: Х0 = 0, Х1 = ^0/2, Х2 = Ьь/2 — Х3 = Ьь/2; Ьь — расстояние между электродами; d0 — толщина образца обрабатываемого материала; ds — толщина приэлектродного слоя пространственного заряда; т — время.
Дополнительно учитывались зависимости параметров X¡, срI и р; от температуры.
При определении толщины приэлектродного слоя пространственного заряда ds и активной мощности разряда Р(1 использовался метод компенсации емкостного сопротивления индуктивным. Для этого в цепь разряда дополнительно включалась катушка индуктивности Ь с дискретно изменяемой точкой подключения измерителя ВЧ-напряжения (рис. 1). Ток разряда 1<1 определялся через напряжение иь, измеренное на добавочном активном (безындукционном) сопротивлении Яь:
I, = —. Путем дискретного перемещения точки
подключения измерителя ВЧ-напряжения по виткам катушки находилось минимальное значение
ВЧ-напряжения и'нр (Ц'нр < инр), соответствующее компенсации емкостного сопротивления индуктивным:
и'нр = д/^^Т+^РС+Цъ)1 = ит1п = иРС + щ,
где иРС — напряжение на плазме столба, иБ — напряжение на приэлектродных слоях, иь — напряжение на индуктивности, инр — напряжение высокой частоты на разрядном конденсаторе в схеме на рис. 1.
Активное сопротивление плазмы Яр, активная мощность разряда Рл и удельная активная мощность р вычислялись по формулам
и±
I,
. иш1п иъ
' I,
Р, = 1,ирс = I, (ишп - иъ),
р,
Р 5 (ъ - ,о - 2,)
Здесь Б — площадь электрода.
НАГРЕВ ГАЗА И ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА
171
Выражения для эквивалентной емкости разрядного конденсатора Са и толщины приэлектрод-ного слоя пространственного заряда а имеют вид
с, , (6)
юх, 2СЛ где ю — угловая частота, ео — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, ха =
= \ (Ц') - — емкостное сопротивление, иа =
= 4и2ш - Шрсиь - иЬ — разрядное напряжение.
Уравнения (1)—(4) решались численно методом конечных разностей. Удельная мощность разрядар и толщина приэлектродного слоя вычислялись по формулам (5) и (6).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Проводились измерения температуры газа и температуры поверхности образцов пленки полимера. Температура газа в разряде измерялась с помощью тонкой термопары хромель-копель и милливольтметра М333К (0—400°С, класс точности — 1.5). Погрешность измерений, вызванная воздействием на провода термопары наведенных токов высокой частоты, была сведена к минимуму применением милливольтметра магнитоэлектрической системы, не содержащего электронной схемы и не соединенного с "землей". Отсутствие искажения в показаниях прибора за счет влияния наведенных токов проверялось следующим образом.
Одна и та же термопара подключалась сначала к электронному потенциометру, а затем к милливольтметру М333К. В первом случае в момент подачи напряжения высокой частоты на электроды в показаниях прибора наблюдался скачок, во втором случае скачок отсутствовал. Таким образом, применение изолированного от земли милливольтметра позволяет создать условия, при которых погрешность измерения температуры газа в слаботочном ВЧЕ-разряде определяется погрешностью измерительного прибора. Вместе с тем в приводимых ниже экспериментальных данных можно заметить более существенное расхождение между расчетными и экспериментальными значениями температуры газа в разряде, достигающее 10—13%. Это расхождение в большей степени обусловлено не методической погрешностью контроля газовой температуры, а методической погрешностью определения мощности разряда Ра, вычисление которой осуществлялось по формуле (5) на основе двух измеренных с помощью вольтметров высокочастотных напряжений: иь и ит{„.
Температура поверхности пленки полимера измерялась дистанционно с помощью ИК-термо-метра МТ4 сразу после отключения разряда и
Т, °С 200
150
100
50
0 5 10 15 20
х, мм
Рис. 2. Распределение температуры в плазме ВЧЕ-разряда, плазмообразующий газ — воздух (Р^ = 24.5 Вт, ¥ = 300 Па, 5 = 100 см2, Ьь = 20 мм): 1-5 — с образцом полимера (образец — пленка фторопласта, Ьр = 140 мкм), 1 — т = 0.2 мин, 2 — 0.5, 3 — 1.0, 4 — 5.0, 5 — 10.0; 6 — без образца полимера; точки — экспериментальные значения.
Т °С 300 -
250 -
200 -
150 -
100 —
10 20 30 40 50
Ра, Вт
Рис. 3. Зависимость температуры г
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.