2014.03.07.
Plazmasugaras felülettisztítási kísérletek a Plasmatreater AS 400 ® laboratóriumi kisberendezéssel
Urbán Péter – Kun Éva –Sós Dániel – Ferenczi Tibor – Szabó Máté – Török Tamás
Tartalom • A Plasmatreater AS400 ® működési elve és főbb részei • A paraméterek módosítási lehetőségei: - Frekvencia - Kezelési távolság - Hőmérséklet • A gázösszetétel módosításának lehetőségei • Plazmatisztítással elért eredmények • További tervek, kutatási irányok
1
2014.03.07.
A Plasmatreater AS 400 ® működési elve és főbb részei
Tisztított, sűrített levegő Gyűrű elektróda (anód)
RF generátor és szabályozó egység
Kisülési kamra
Belső elektróda (katód)
Cserélhető fúvóka
Hálózati betáplálás
PLAZMASUGÁR
Céltárgy
A Plasmatreater® kiegészítő egységei
2
2014.03.07.
A Plasmatreater AS 400 ® beállítható és mérhető paraméterei • X, Y irányban a minta mérete beállítható: X: 0-270 mm; Y: 0-360 mm • Fúvókatávolság a munkadarabtól (Z irányban): 0-50 mm • Generátor teljesítmény szabályozhatósága: 40-100% • Plazmafeszültség: mérhető • Plazmaáram: mérhető • Plazmafrekvencia: 15-25 kHz • Levegő áramlási sebessége: 100-5000 L/h • Fúvóka haladási sebessége: 1-100 m/perc
A plazmatisztításhoz használt levegő előkészítése A plazma gázforrása: atmoszférikus nyomású tisztított és szárított levegő
• ATLAS COPCO GA5 kompresszor • EDX6 szárító • F007P szűrőegység 3 µm, 0,1 µm és 0,01 µm pórusméretű filterrel
3
2014.03.07.
A Plasmatreater AS 400® és a fúvóka típusok
PTF 2647-1
PTF 2639-1
Plasmatreater AS 400 ® PTF 958
PTF 2642-1
PTF 2649-1
PTF 2641-1
A paraméterek módosítási lehetőségei: frekvencia, távolság és hőmérséklet 1000
Plazmahőmérséklet, °C
900 800 700
15 kHz 16 kHz
600
18 kHz 20 kHz
500
22 kHz
400
24 kHz
300 200 15
20
25 30 35 Fúvókatávolság, mm
40
45
4
2014.03.07.
A gázösszetétel módosításának lehetőségei • Levegő: előkezelés, tisztítás nélkül ritkán használható (változó nedvességtartalom hatása) • „Szintetikus levegő”: csak N2 és O2 tartalmú • Formáló gáz: 95% N2 és 5% H2 (redukáló hatású) • Nitrogén, hidrogén: tisztán is alkalmazhatók, molekuláris gázok • Argon: atomos nemesgáz, gyakran használt gáz a plazmatechnológiákban • Hélium: atomos nemesgáz, könnyen ionizálható A gázok, illetve összetételük alkalmas megválasztásával változatos felületkezelési lehetőségek adódnak.
A plazmatisztítás elve • Fizikailag: - Ionbombázás -A szennyeződés fizikailag távozik (szemcseszórás) • Kémiailag:
- Gáz-szilárd kémiai reakció - Például: O2 gáz/plazma + CxHy szerves/szilárd→H2Ogáz + CO2gáz H2gáz/plazma+NiOx oxid/szilárd→Nifém+H2Ogáz - A szennyeződés gázként távozik
• Hibrid hatás:
- Fizikai és kémiai kölcsönhatások egyaránt
5
2014.03.07.
Plazmatisztítással elért eredmények: a vizsgálat menete • Lágyacél mintalemezek csiszolása, polírozása • Fizikai és kémiai tisztítás (ultrahangos tisztítás, savas pácolás) • Mesterséges elszennyezés: dimetil-szulfoxid (DMSO) • Plazma tisztítás előtti kontrol mérések (GD-OES) • Plazma tisztítás: Az előzetes kísérletek alapján a legoptimálisabbnak talált beállítással végeztük el a vizsgálatot. -
Frekvencia: 15 kHz Fúvóka távolság: 9mm Pásztázási sebesség: 1 m/min Légáram 2m3/h
• A mintákat egy-, három-, öt-, és tízszer pásztáztuk végig. • A minták utólagos (GD-OES) vizsgálata, a felületen a jól detektálható karbonra koncentráltunk. Plazmatisztítás minőségének kiértékelése.
Plazmatisztítással elért eredmények: a vizsgálatokhoz használt berendezés A használt vizsgáló berendezés: Horiba Jobin Yvon GD Profiler2, GD-OES: Glow Discharge Depth Profile analysis (Ködfény-kisüléses optikai emissziós spektrometria) • X tengely: nagytisztaságú argon plazmával való porlasztási idő (másodperc) vagy profilmélység • Y tengely: detektált elemek intenzitása
6
2014.03.07.
Plazmatisztítással elért eredmények: kiértékelés C-jelintenzitás, V C-jelintenzitás, V ARÁNYOS SZERVES SZÉNTARTALMÚ SZERVES A SZÉNTARTALMÚ ARÁNYOS A FELÜLETI SZENNYEZŐDÉSSEL FELÜLETI SZENNYEZŐDÉSSEL
Tapasztalatok: 10x pásztázott 5x pásztázott 55 • A lehető legkörültekintőbben elvégzett tisztítás után is maradt szennyező a felületen (kontrol minták) 44
Untreated, control Kezeletlen, kontrol Kezeletlen, kontrol Untreated, control
DMSO (artificially) DMSOcontaminated -valszennyezett szennyezett • Már33 egy plazma-pásztázás után is szignifikáns tisztulás DMSO -val DMSO contaminated (artificially) mérhető 22
5X plazmatisztított, 5 times plasma cleaned,kontrol control 10 times plasma cleaned, control 10X plazmatisztított, kontrol
DMSO- val szennyezett és 5x
DMSO and 5 times plasma cleaned val10szennyezett 10x • A pásztázások DMSOszámával látványosan nő a felület tisztasága DMSO and times plasmaés cleaned plazmatisztított 1 1
plazmatisztított
• Tízszeres pásztázással a kiinduló állapothoz képest (kontrol) 0 0 0 10 20 érhető 30 40 50 60 70 80 90 100 is tisztább felület gyakorlatilag azonos tisztaságú 0 10 20 30 el, 40 50 60 70 80 90 100 GD porlasztási idő, s GD porlasztási idő, s volt a két oldala ARÁNYOS a mintalemeznek A FELÜLETI SZENNYEZŐDÉS VASTAGSÁGÁVAL ARÁNYOS A FELÜLETI SZENNYEZŐDÉS VASTAGSÁGÁVAL
További tervek, kutatási irányok • Szerves és szervetlen felületi szennyeződések eltávolíthatóságának további vizsgálata különböző szubsztrátumokról • Nedvesíthetőségi vizsgálatok: - Fém, kerámia és polimer felületek - Plazmakezelés utóhatásainak vizsgálata (mennyi ideig érvényesül) • Vékonyfilm bevonatok képzése plazma polimerizációval
7
2014.03.07.
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
"A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0019 jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg"
8
