Николай Аблесимов Грандмастер

Плазмохимия. Для людей или для Бога?

Для людей — дешевые зубные коронки «под золото», а для Бога («чтобы чаще замечал») — купола культовых сооружений.

Bjorn Stefanson, Shutterstock.com

Это продукты плазмохимии (один из разделов физической химии), которая изучает химические процессы в низкотемпературной плазме. Низкотемпературной принято считать плазму с температурой 103-105 К и степенью ионизации 10-6-10-1, получаемую в электродуговых, высокочастотных и СВЧ газовых разрядах, в ударных трубах, установках адиабатического сжатия и другими способами.

В плазмохимии важно разделение низкотемпературной плазмы на квазиравновесную, которая существует при давлениях порядка атмосферного и выше и характеризуется общей для всех частиц температурой, и неравновесную, которая получается при давлениях менее 30 кПа и в которой температура свободных электронов значительно превышает температуру тяжелых частиц (молекул, ионов).

Это разделение связано с тем, что кинетические закономерности квазиравновесных плазмохимических процессов определяются только высокой температурой взаимодействующих частиц, тогда как специфика неравновесных процессов обусловлена главным образом ролью химических реакций, инициируемых «горячими» электронами.

Примером плазмохимической технологии служит синтез ацетилена из природного газа, проходящий в электродуговой печи при 1600 оС:

2CH4 → HC=CH + 3H2 — 381 кДж/моль.

Здесь получается также и водород, необходимый для водородной энергетики. Степень конверсии сырья в ацетилен более 70 вес.%, а в водород — до 17 вес.%. Стоимость ацетилена полностью покрывает затраты на производство, так что технический водород является побочным дешевым продуктом, и стоимость чистого водорода определяется только затратами на его извлечение из хвостовых газов.

Разработаны научные основы плазмохимических процессов переработки природного газа, газообразных и жидких смесей углеводородов в технический углерод и водород. В этих процессах практически весь водород, содержащийся в конвертированном сырье, перерабатывается в газообразный водород, а выход углерода составляет 90 вес. % от углерода, содержащегося в сырье.

Молекулярная эпитаксия — наращивание из молекулярных пучков, получаемых нагреванием кремниевых заготовок (основа микропроцессоров) электронным лучом в условиях глубокого вакуума (10-9-10-10 Па) — также плазмохимический процесс.

Нанесение нитрида титана на поверхность стальных зубных коронок — плазмохимический процесс. Протезы получаются существенно дешевле золотых, а цвет — золотистый. Аналогично получают золотистое покрытие и купола в культовом строительстве (церкви, соборы, колокольни). Благодаря новой технологии, разработанной Российскими учеными, сейчас покрытие из нитрида титана обладает всеми теми же свойствами, которыми обладает золото. Это покрытие не тускнеет со временем и не окисляется под действием кислорода и атмосферных явлений.

В Московском физико-техническом институте есть кафедра физики и химии плазмы. Можно почитать: Полак Л. С., Овсянников А. А., Словецкий Д. И., Теоретическая и прикладная плазмохимия (М.: Наука, 1975); Химия плазмы, под ред. Л. С. Полака и Ю. А. Лебедева (Новосибирск: Наука, 1991).

Обновлено 24.08.2012
Статья размещена на сайте 11.08.2012

Комментарии (3):

Чтобы оставить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Войти через социальные сети:

  • Эта статья очень понравилась. А сверла, наверно, лучше брать без покрытия - еще десяток раз можно будет заточить - основа более прочная. Если только поверхность тоже не азотируют или не упрочняют другим (плазмохимическим) способом.
    Кстати, нитрид титана - токопроводящий? Почему его не использовали для нанесения токопроводящших дорожек на кремнии или ситалле в микросборках?

    Оценка статьи: 5

  • Димон Лимон Читатель 27 августа 2012 в 12:52 отредактирован 27 мая 2018 в 18:51

    Хочу поправить автора данной статьи.

    Впервые плазменные покрытия нитрида титана (золотистого цвета) были получены еще в СССР в славном городе Харькове. Об истории этого открытия пишет известный ученый - заместитель директор Национального научного центра "Харьковский физико-технический институт" к.ф-м.н., с.н.с. Шулаев Валерий Михайлович (я работаю вместе с ним в этом направлении) процитирую его:

    К 1985 году в Национальном научном центре «Харьковский физико-технический институт» (ННЦ ХФТИ) была разработана и передана в серийное производство заводам отрасли (Министерство среднего машиностроения) вакуумно-дуговая установка «Булат-6». Она была предназначена главным образом для вакуумно-дугового осаждения износостойких и защитно-декоративных покрытий нитридов и карбидов на основе тугоплавких металлов IV-VI групп периодической таблицы химических элементов Менделеева в условиях массового производства. К моменту запуска в серийное производство новой установки «Булат-6» советская промышленность уже вкушала плоды новой технологии вакуумно-дугового осаждения высокотвердых покрытий, эксплуатируя установки «Булат-3». Самый большой успех выпал на долю инструментальной промышленности. По сути, промышленность получила упрочняющие наноструктурные покрытия нитрида титана с очень красивым золотистым оттенком, а сам процесс вакуумно-дугового осаждения стал одной из первых в мире индустриальных нанотехнологий. Экономический эффект от ее применения в инструментальной промышленности даже в тех условиях был колоссальный. Промышленный интерес представляли только схемы вакуумно-дугового осаждения из прямого плазменного потока, обеспечивающие приемлемые скорости осаждения покрытий и производительность установок.
    Это было время триумфа новой технологии. Пока никто не обращал внимания на ограниченные технологические возможности новой установки «Булат-6». Из-за относительно высокой температуры синтеза покрытий (около 500 C) она была пригодна только для упрочнения инструментов из твердых сплавов и быстрорежущей стали. К счастью, такого инструмента для мощной советской промышленности и «друзей» из социалистических стран требовалось много. Потребитель имелся в большом количестве. А для производителей еще большего количества инструмента из малолегированных сталей, которые имели низкие температуры отпуска, эта установка не подходила. Но, учитывая низкую стоимость инструмента из низколегированных сталей, можно было обходиться объемным упрочнением традиционной термической и химико-термической обработкой и не пытаться «золотить» его с помощью новой технологии. Однако, несмотря на ограниченные функциональные возможности, в середине 80-х гг. прошлого столетия установка «Булат-6» полностью подходила под стандарты советской экономики.
    Не обошли вниманием желтый цвет покрытий нитрида титана и те, кто занимался практическим использованием декоративных покрытий. Был дан импульс «золотой лихорадке» зарождающимся кооперативным движением в СССР. Полированная поверхность нержавеющей стали заблестела золотыми оттенками на зубных коронках, столовых приборах, куполах церквей и т.д. Установка «Булат-6» удовлетворяла и этих потребителей. Однако основными потребителями установки «Булат-6» из-за дефицита вакуумно-дугового оборудования в течение 1986-1991 гг. оставалась советская инструментальная промышленность, которой и отдавался приоритет в поставках строго фондируемого оборудования.
    На основе рабочей и конструкторской документации, созданной Специальным конструкторским бюро ННЦ