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當(dāng)電離過(guò)程頻繁發(fā)生(比如閃電),使電子和離子的濃度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí),物質(zhì)的狀態(tài)也就起了根本的變化,它的性質(zhì)也變得與氣體完全不同。為區(qū)別于固體、液體和氣體這三種狀態(tài),我們稱物質(zhì)的這種狀態(tài)為物質(zhì)的第四態(tài),又起名叫等離子態(tài)。等離子態(tài)下的物質(zhì)具有類(lèi)似于氣態(tài)的性質(zhì),比如良好的流動(dòng)性和擴(kuò)散性。但是,由于等離子體的基本組成粒子是離子和電子,因此它也具有許多區(qū)別于氣態(tài)的性質(zhì),比如良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性。等離子體的比熱容與溫度成正比,高溫下等離子體的比熱容往往是氣體的數(shù)百倍。等離子體的用途非常廣泛。從我們的日常生活到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、軍事、醫(yī)學(xué)、宇航、能源、天體等方面,它都有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。在工業(yè)上的應(yīng)用有等離子切割機(jī)與焊接機(jī),等離子切割配合不同的工作氣體可以切割各種氧氣切割難以切割的金屬,尤其是對(duì)于有色金屬(不銹鋼、鋁、銅、鈦、鎳)切割效果更佳;其主要優(yōu)點(diǎn)在于切割厚度不大的金屬的時(shí)候,等離子切割速度快,尤其在切割普通碳素鋼薄板時(shí),速度可達(dá)氧切割法的5~6倍、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)。等離子弧是離子氣被電離產(chǎn)生高溫離子氣流,從噴嘴細(xì)孔中噴出,經(jīng)壓縮形成細(xì)長(zhǎng)的弧柱,其溫度可達(dá)18000-24000K,高于常規(guī)的自由電弧,如:氬弧焊僅達(dá)5000-8000K。由于等離子弧具有弧柱細(xì)長(zhǎng),能量密度高的特點(diǎn),因而在焊接領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。等離子彩電PDP是在兩張超薄的玻璃板之間注入混合氣體,并施加電壓利用熒光粉發(fā)光成像的設(shè)備。薄玻璃板之間充填混合氣體,施加電壓使之產(chǎn)生離子氣體,然后使等離子氣體放電,與基板中的熒光體發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生彩色影像。等離子彩電又稱"壁掛式電視",不受磁力和磁場(chǎng)影響,具有機(jī)身纖薄、重量輕、屏幕大、色彩鮮艷、畫(huà)面清晰、亮度高、失真度小、節(jié)省空間等優(yōu)點(diǎn)。等離子體另一個(gè)重要應(yīng)用是一些特殊的化學(xué)元素形成一個(gè)宏觀溫度并不高,但電子溫度可達(dá)到攝氏幾萬(wàn)度的低溫等離子體,這時(shí),物質(zhì)間會(huì)發(fā)生特殊的化學(xué)反應(yīng),因此可用來(lái)研制新的材料.如在鉆頭等工具上涂上一層薄薄的氮化鈦來(lái)提高工具的強(qiáng)度、制造太陽(yáng)能電池、在飛機(jī)的表面上涂一層專門(mén)吸收雷達(dá)波的材料可躲避雷達(dá)的跟蹤(即隱形飛機(jī))……這些被稱為等離子體薄膜技術(shù)。
醫(yī)用外科設(shè)備經(jīng)歷了"電刀"-"普通射頻"-"等離子體射頻",由低向高的發(fā)展階段。"等離子體"技術(shù)用直接的"汽化"工作方式徹底改變了傳統(tǒng)"射頻"的"熱能"工作方式,40℃~70℃的組織汽化替代了傳統(tǒng)"切割"、"止血"等過(guò)程中上百度高溫對(duì)組織的灼傷破壞作用,大大降低了手術(shù)過(guò)程中的創(chuàng)傷。"等離子體"技術(shù)在臨床治療中產(chǎn)生的微創(chuàng)效應(yīng)正是未來(lái)醫(yī)學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。
等離子體的溫度高,能提供高焓值的工作介質(zhì),生產(chǎn)常規(guī)方法不能得到的材料,加之有氣氛可控、設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、能顯著縮短工藝流程等優(yōu)點(diǎn),所以等離子體技術(shù)有很大發(fā)展。1879年W.克魯克斯指出放電管中的電離氣體是不同于氣體、液體、固體的物質(zhì)第四態(tài),1928年I.朗繆爾給它起名為等離子體。最常見(jiàn)的等離子體有電弧、霓虹燈和日光燈的發(fā)光氣體以及閃電、極光等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們已能用多種方法人工產(chǎn)生等離子體,從而形成一種應(yīng)用廣泛的等離子體技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),溫度在108K左右的等離子體稱高溫等離子體,只用于受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)中;具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的等離子體是溫度在 2×103~5×104K之間、能持續(xù)幾分鐘乃至幾十小時(shí)的低溫等離子體,主要用氣體放電法和燃燒法獲得。氣體放電又分為電弧放電、高頻感應(yīng)放電和低氣壓放電。前兩者產(chǎn)生的等離子體稱熱等離子體,主要用作高溫?zé)嵩矗缓笳弋a(chǎn)生的等離子體稱冷等離子體,具有工業(yè)上可利用的特殊的物理性質(zhì)。但在有機(jī)廢氣治理方面由于高壓放電,需要防止容易打火而產(chǎn)生爆炸事故
液晶態(tài)
物質(zhì)在熔融狀態(tài)或在溶液狀態(tài)下雖然獲得了液態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性,但在材料內(nèi)部仍然保留有分子排列的一維或二維有序,在物理性質(zhì)上表現(xiàn)出各向異性。這種兼有晶體和液體部分性質(zhì)的狀態(tài)稱為液晶態(tài),處于這種狀態(tài)下的物質(zhì)叫液晶。
液晶態(tài)——結(jié)晶態(tài)和液態(tài)之間的一種形態(tài),是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)既不同于固態(tài)、液態(tài),又不同于氣態(tài)的特殊物質(zhì)態(tài),它既具有各向異性的晶體所特有的雙折射性,又具有液體的流動(dòng)性。一般可分熱致液晶和溶致液晶兩類(lèi)。在顯示應(yīng)用領(lǐng)域,使用的是熱致液晶,超出一定溫度范圍,熱致液晶就不再呈現(xiàn)液晶態(tài),溫度低了,出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象,溫度升高了,就變成液體。
液晶態(tài)既像液體具有流動(dòng)性和連續(xù)性,而其分子又保持著固態(tài)晶體特有的規(guī)則排列方式,具有光學(xué)性質(zhì)各向異性等晶體特征的物理性質(zhì)。其結(jié)構(gòu)介于晶體和液體之間,所以也稱它為介晶態(tài)。
由于液晶態(tài)物質(zhì)特殊的微觀結(jié)構(gòu),因而呈現(xiàn)出許多奇妙的性質(zhì),如光學(xué)透射率、反射率、顏色等性能對(duì)外界的力、熱、聲、電、光、磁等物理環(huán)境的變化十分敏感,因而在電子工業(yè)等領(lǐng)域里可以大顯神通。目前,液晶的應(yīng)用領(lǐng)域主要有顯示、軟件復(fù)制、檢測(cè)器、感受器及分析化學(xué)等方面。
等離子體技術(shù)
1879年,W.克魯克斯指出放電管中的電離氣體是不同于氣體、液體、固體的物質(zhì)第四態(tài),1928年I.朗繆爾給它起名為等離子體。最常見(jiàn)的等離子體有電弧、霓虹燈和日光燈的發(fā)光氣體以及閃電、極光等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們已能用多種方法人工產(chǎn)生等離子體,從而形成一種應(yīng)用廣泛的等離子體技術(shù)。一般來(lái)說(shuō),溫度在108K左右的等離子體稱高溫等離子體,目前只用于受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)中;具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的等離子體是溫度在2×103~5×104K之間、能持續(xù)幾分鐘乃至幾十小時(shí)的低溫等離子體,主要用氣體放電法和燃燒法獲得。氣體放電又分為電弧放電、高頻感應(yīng)放電和低氣壓放電。前兩者產(chǎn)生的等離子體稱熱等離子體,主要用做高溫?zé)嵩?;后者產(chǎn)生的等離子體稱冷等離子體,具有工業(yè)上可利用的特殊的物理性質(zhì)。它們主要用在以下幾方面:
(1)等離子體機(jī)械加工。利用等離子體噴槍產(chǎn)生的高溫高速射流,可進(jìn)行焊接、堆焊、噴涂、切割、加熱切削等機(jī)械加工。等離子弧焊接比鎢極氬弧焊接快得多。1965年問(wèn)世的微等離子弧焊接,火炬尺寸只有2~3毫米,可用于加工十分細(xì)小的工件。等離子弧堆焊可在部件上堆焊耐磨、耐腐蝕、耐高溫的合金,用來(lái)加工各種特殊閥門(mén)、鉆頭、刀具、模具和機(jī)軸等。利用電弧等離子體的高溫和強(qiáng)噴射力,還能把金屬或非金屬噴涂在工件表面,以提高工件的耐磨、耐腐蝕 、耐高溫氧化、抗震等性能。等離子體切割是用電弧等離子體將被切割的金屬迅速局部加熱到熔化狀態(tài),同時(shí)用高速氣流將已熔金屬吹掉而形成狹窄的切口。等離子體加熱切削是在刀具前適當(dāng)設(shè)置一等離子體弧,讓金屬在切削前受熱,改變加工材料的機(jī)械性能,使之易于切削。這種方法比常規(guī)切削方法提高工效5~20倍。
(2)等離子體化工。利用等離子體的高溫或其中的活性粒子和輻射來(lái)促成某些化學(xué)反應(yīng),以獲取新的物質(zhì)。如用電弧等離子體制備氮化硼超細(xì)粉,用高頻等離子體制備二氧化鈦(鈦白)粉等。
(3)等離子體冶金。從20世紀(jì)60年代開(kāi)始,人們利用熱等離子體熔化和精煉金屬,現(xiàn)在等離子體電弧熔煉爐已廣泛用于熔化耐高溫合金和煉制高級(jí)合金鋼;還可用來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)以及從礦物中提取所需產(chǎn)物。
(4)等離子體表面處理。用冷等離子體處理金屬或非金屬固體表面,效果顯著。如在光學(xué)透鏡表面沉積10微米的有機(jī)硅單體薄膜,可改善透鏡的抗劃痕性能和反射指數(shù);用冷等離子體處理聚酯織物,可改變其表面浸潤(rùn)性。這一技術(shù)還常用于金屬固體表面的氣動(dòng)加熱環(huán)境,從而可用于研制適于超高速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)和材料。
此外,燃燒產(chǎn)生的等離子體還用于磁流體發(fā)電。20世紀(jì)70年代以來(lái),人們利用電離氣體中電流和磁場(chǎng)的相互作用力使氣體高速噴射而產(chǎn)生的推力,制造出磁等離子體動(dòng)力推進(jìn)器和脈沖等離子體推進(jìn)器。它們的比沖(火箭排氣速度與重力加速度之比)比化學(xué)燃料推進(jìn)器高得多,已成為航天技術(shù)中較為理想的推進(jìn)方法。
等離子體物理專業(yè)主要研究方向?yàn)椋旱入x子體設(shè)備與工藝自動(dòng)控制技術(shù)、材料改性及新材料研究、激光與物質(zhì)作用、空間等離子體物理。
目前主要圍繞與等離子體物理及工程研究密切相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展工作:等離子體新功能電源、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集處理;等離子體電解材料表面陶瓷化、磁控濺射功能膜制備、生物醫(yī)用材料表面改性、新功能材料研究;利用激光擊穿光譜檢測(cè)污水中重金屬成分和燃燒煙氣中重金屬成分、利用差分光譜法檢測(cè)其它大氣有害物質(zhì)的含量;電離層電波傳播理論、電離層無(wú)線電探測(cè)與診斷、改進(jìn)電離層數(shù)字測(cè)高儀、電離層垂直探測(cè)新觀測(cè)模式。
主要還是在科研院所工作
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