微弧氧化系統(tǒng)下等離子體的形成機(jī)制與膜層自組織生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué).pdf

1、微弧氧化是在電化學(xué)陽(yáng)極氧化基礎(chǔ)上，通過(guò)提高陰陽(yáng)極間的單脈沖能量，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極表面等離子體增強(qiáng)及閥金屬表面陶瓷化的材料加工技術(shù)。本文對(duì)誘發(fā)微弧等離子體的膜層組織結(jié)構(gòu)和電導(dǎo)特性進(jìn)行了分析，揭示由于膜層中微裂紋和雜質(zhì)顆粒界面的隨機(jī)分布引起微區(qū)阻值分布存在不均衡的漲落，微弧等離子體誘發(fā)是電流在氧化膜微區(qū)中非平衡態(tài)分布的必然結(jié)果。在缺陷微區(qū)對(duì)電流競(jìng)爭(zhēng)分配和雜質(zhì)能級(jí)逐級(jí)反饋的作用下引起缺陷微區(qū)出現(xiàn)絲狀電流的固體電擊穿行為。固體電擊穿后續(xù)引發(fā)熱電子發(fā)射和

2、氣體碰撞電離最終致微弧等離子體形成。缺陷微區(qū)放電后離子晶體的融化引起電流局部均散致單個(gè)弧斑具有自生自滅的毫/微秒量級(jí)時(shí)間分布，微裂紋/雜質(zhì)顆粒界面致單個(gè)弧斑具有微納米量級(jí)空間分布，熱電子發(fā)射機(jī)制致單個(gè)弧斑具有局部熱力學(xué)平衡高溫等離子體的能量特性。
　　單次放電后氧化膜中的缺陷微區(qū)（微裂紋和雜質(zhì)顆粒界面）向熱穩(wěn)定或亞穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的晶體轉(zhuǎn)變，使原缺陷微區(qū)的阻值隨之增加一增量ΔR。由于電流總是優(yōu)先經(jīng)過(guò)電阻最低的路徑（支配原理），每個(gè)缺陷微區(qū)

3、放電后的ΔR將對(duì)下一次所有微區(qū)電流分布產(chǎn)生反饋，進(jìn)而引起下一次所有微區(qū)放電時(shí)空分布與能量、微孔分布與結(jié)構(gòu)、陶瓷層生長(zhǎng)速率發(fā)生改變。支配原理導(dǎo)致微弧氧化即使在恒定的外界條件下系統(tǒng)各參量隨時(shí)間并不處于定常狀態(tài)。
　　電極系統(tǒng)可測(cè)的宏觀量難以描述每個(gè)弧斑的時(shí)空分布與能量間的差異，文章從統(tǒng)計(jì)力學(xué)角度借鑒元胞自動(dòng)機(jī)思想建立描述微弧等離子體分布與能量的離散動(dòng)力學(xué)模型—微弧算法。提出了決定陽(yáng)極電流向平衡態(tài)或遠(yuǎn)離平衡態(tài)分布及分布速率的核心參量—反

4、饋系數(shù)k，并建立k與電流密度、脈寬/脈寬間隔、放電產(chǎn)物電導(dǎo)特性間的單調(diào)性規(guī)律。揭示出微弧氧化陶瓷層生長(zhǎng)是電流分布遠(yuǎn)離平衡態(tài)的過(guò)程（k＞3.3），微弧等離子體分布與能量、陶瓷層生長(zhǎng)方式、表面微孔結(jié)構(gòu)、陶瓷層耐腐蝕和耐摩擦磨損性能本質(zhì)上是電流遠(yuǎn)離平衡態(tài)分布速率不同的結(jié)果?；陔娏髅芏?、脈寬/脈寬間隔對(duì)k的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了理論預(yù)測(cè)下電流遠(yuǎn)離平衡態(tài)分布速率的調(diào)控及相應(yīng)陶瓷層微孔結(jié)構(gòu)。微弧算法還揭示出微弧氧化仍然存在電流分布趨向平衡態(tài)這一微弧氧化技術(shù)

5、目前尚未發(fā)現(xiàn)的情況（k＜3.3），利用頻率可達(dá)50k Hz高頻電源實(shí)現(xiàn)了理論預(yù)測(cè)下的電流趨向平衡態(tài)分布，并建立了微弧氧化平衡態(tài)下所對(duì)應(yīng)的陶瓷層自定義生長(zhǎng)與超強(qiáng)高硬材料微細(xì)加工兩個(gè)新的技術(shù)應(yīng)用。平衡態(tài)微弧氧化技術(shù)本質(zhì)上提供了一種微納米尺度高溫高壓等離子體的選區(qū)誘發(fā)方式，使微弧等離子體不但保留獨(dú)一無(wú)二的時(shí)空分布與能量特性，又可比肩傳統(tǒng)等離子體的精確可控并在材料加工領(lǐng)域獲得更多潛在應(yīng)用。
　　文章最后分析了電流遠(yuǎn)離平衡態(tài)和趨向平衡態(tài)分布