Plasma de inducción

El plasma de inducción , también llamado plasma acoplado inductivamente, es un tipo de plasma de alta temperatura generado por inducción electromagnética , generalmente acoplada con gas argón . El campo magnético induce una corriente eléctrica dentro del gas que crea el plasma. El plasma puede alcanzar temperaturas de hasta 10.000 Kelvin . La tecnología de plasma inductivo se utiliza en campos como la esferoidización de polvos y la síntesis de nanomateriales. La tecnología se aplica a través de una antorcha de plasma de inducción, que consta de tres elementos básicos: la bobina de inducción, una cámara de confinamiento y un cabezal de antorcha o distribuidor de gas. El principal beneficio de esta tecnología es la eliminación de electrodos, que pueden deteriorarse e introducir contaminación.

La década de 1960 fue el período incipiente de la tecnología de plasma térmico, impulsada por las necesidades de los programas aeroespaciales . Entre los diversos métodos de generación de plasma térmico, el plasma de inducción (o plasma acoplado inductivamente ) ocupa un papel importante.

Los primeros intentos de mantener un plasma acoplado inductivamente en una corriente de gas se remontan a Babat ^[1] en 1947 y a Reed ^[2] en 1961. El esfuerzo se concentró en los estudios fundamentales del mecanismo de acoplamiento de energía y las características de los campos de flujo, temperatura y concentración en la descarga de plasma. En la década de 1980, hubo un creciente interés en los materiales de alto rendimiento y otras cuestiones científicas, y en el plasma de inducción para aplicaciones a escala industrial, como el tratamiento de residuos . Se dedicó una importante investigación y desarrollo para cerrar la brecha entre los dispositivos de laboratorio y la integración industrial. Después de décadas de esfuerzo, la tecnología del plasma de inducción ha ganado un punto de apoyo firme en la industria avanzada moderna.

El calentamiento por inducción es una tecnología madura con siglos de historia. Una pieza metálica conductora, dentro de una bobina de alta frecuencia, será "inducida" y calentada hasta el estado incandescente. No hay diferencia en el principio cardinal para el calentamiento por inducción o el " plasma acoplado inductivamente ", solo que el medio a inducir, en este último caso, se reemplaza por el gas que fluye, y la temperatura obtenida es extremadamente alta, ya que se llega al "cuarto estado de la materia": el plasma .

Una antorcha de plasma acoplada inductivamente (ICP) es esencialmente una bobina de cobre de varias espiras, a través de la cual corre agua de refrigeración para disipar el calor producido en el funcionamiento. Las ICP tienen dos modos de funcionamiento, llamados modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma, y ​​la transición del modo de calentamiento E a H se produce con entradas externas. ^[3] La bobina envuelve un tubo de confinamiento, dentro del cual se genera el plasma de inducción (modo H). Un extremo del tubo de confinamiento está abierto; el plasma se mantiene en realidad en un flujo de gas continuo. Durante el funcionamiento del plasma de inducción, el generador suministra una corriente alterna (ca) de radiofrecuencia (rf) a la bobina de la antorcha; esta ca induce un campo magnético alterno dentro de la bobina, de acuerdo con la ley de Ampère (para una bobina de solenoide) :

${\displaystyle \phi _{B}=(\mu _{0}\,I_{c}\,N)(\pi \,r_{0}^{2})\quad (1)}$

donde, es el flujo del campo magnético, es la constante de permeabilidad , es la corriente de la bobina, es el número de vueltas de la bobina por unidad de longitud, y es el radio medio de las vueltas de la bobina. $Estilo de visualización: {\phi _{B}}$${\displaystyle \mu_{0}}$${\displaystyle 4\pi \,10^{-7}\,{\textrm {Wb/Am}}}$${\displaystyle I_{c}}$${\estilo de visualización N}$$estilo de visualización r_{0}$

Según la Ley de Faraday , una variación en el flujo del campo magnético inducirá un voltaje o fuerza electromagnética :

${\displaystyle E=-N(\Delta \phi _{B}/\Delta t)\quad (2)}$

donde, es el número de vueltas de la bobina, y el elemento entre paréntesis es la velocidad a la que cambia el flujo. El plasma es conductor (suponiendo que ya existe un plasma en la antorcha). Esta fuerza electromagnética, E, a su vez impulsará una corriente de densidad j en bucles cerrados. La situación es muy similar a calentar una varilla de metal en la bobina de inducción: la energía transferida al plasma se disipa a través del calentamiento Joule, j ² R, de la ley de Ohm , donde R es la resistencia del plasma. ${\estilo de visualización N}$

Como el plasma tiene una conductividad eléctrica relativamente alta, es difícil que el campo magnético alterno lo penetre, especialmente a frecuencias muy altas. Este fenómeno se suele describir como el " efecto piel ". El escenario intuitivo es que las corrientes inducidas que rodean cada línea magnética se contrarrestan entre sí, de modo que una corriente inducida neta se concentra solo cerca de la periferia del plasma. Esto significa que la parte más caliente del plasma está fuera del eje. Por lo tanto, el plasma de inducción es algo así como una "capa anular". Observado desde el eje del plasma, parece un "roscón" brillante.

En la práctica, la ignición del plasma en condiciones de baja presión (<300 torr) es casi espontánea, una vez que la potencia de radiofrecuencia impuesta a la bobina alcanza un cierto valor umbral (dependiendo de la configuración de la antorcha, el caudal de gas, etc.). El estado del gas de plasma (normalmente argón) pasará rápidamente de descarga luminiscente a ruptura de arco y creará un plasma de inducción estable. En el caso de condiciones de presión ambiental atmosférica, la ignición se logra a menudo con la ayuda de una bobina Tesla , que produce chispas eléctricas de alta frecuencia y alto voltaje que inducen la ruptura del arco local dentro de la antorcha y estimulan una cascada de ionización del gas de plasma, lo que finalmente da como resultado un plasma estable.

La antorcha de plasma de inducción es el núcleo de la tecnología de plasma de inducción. A pesar de la existencia de cientos de diseños diferentes, una antorcha de plasma de inducción consta esencialmente de tres componentes:

Bobina

La bobina de inducción consta de varias espiras en espiral, según las características de la fuente de alimentación de RF. Los parámetros de la bobina, que incluyen el diámetro de la bobina, el número de espiras de la bobina y el radio de cada espira, se especifican de tal manera que se cree un "circuito de tanque" eléctrico con la impedancia eléctrica adecuada. Las bobinas suelen ser huecas a lo largo de su eje cilíndrico y están llenas de líquido refrigerante interno (por ejemplo, agua desionizada) para mitigar las altas temperaturas de funcionamiento de las bobinas que resultan de las altas corrientes eléctricas requeridas durante el funcionamiento.

Tubo de confinamiento

Este tubo sirve para confinar el plasma. El tubo de cuarzo es la implementación común. El tubo a menudo se enfría con aire comprimido (<10 kW) o agua de refrigeración. Si bien la transparencia del tubo de cuarzo se exige en muchas aplicaciones de laboratorio (como el diagnóstico de espectro), sus propiedades mecánicas y térmicas relativamente pobres plantean un riesgo para otras partes (por ejemplo, sellos de junta tórica) que pueden dañarse bajo la intensa radiación del plasma de alta temperatura. Estas restricciones limitan el uso de tubos de cuarzo solo a antorchas de baja potencia (<30 kW). Para aplicaciones de plasma industriales de alta potencia (30 ~ 250 kW), generalmente se utilizan tubos hechos de materiales cerámicos. ^[4] El material candidato ideal poseerá buena conductividad térmica y excelente resistencia al choque térmico. Por el momento, el nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) es la primera opción. Las antorchas de potencia aún mayor emplean una jaula de pared de metal para el tubo de confinamiento de plasma, con desventajas de ingeniería de eficiencias de acoplamiento de potencia más bajas y mayor riesgo de interacciones químicas con los gases de plasma.

Distribuidor de gas

Esta parte, a menudo denominada cabezal de la antorcha, es responsable de la introducción de diferentes corrientes de gas en la zona de descarga. Generalmente, hay tres líneas de gas que pasan al cabezal de la antorcha. Según su distancia al centro del círculo, estas tres corrientes de gas también se denominan arbitrariamente Q ₁ , Q ₂ y Q ₃ .

Q ₁ es el gas portador que se introduce habitualmente en la antorcha de plasma a través de un inyector situado en el centro del cabezal de la antorcha. Como indica su nombre, la función de Q ₁ es transportar el precursor (polvo o líquido) al plasma. El argón es el gas portador habitual, aunque muchos otros gases reactivos (es decir, oxígeno, NH ₃ , CH ₄ , etc.) suelen estar implicados en el gas portador, dependiendo del requisito de procesamiento.

Q2 es el gas formador de plasma, comúnmente llamado "gas central". En el diseño actual de las antorchas de plasma _de inducción, es casi normal que el gas central se introduzca en la cámara de la antorcha mediante un remolino tangencial. La corriente de gas en remolino se mantiene mediante un tubo interno que rodea el remolino hasta el nivel de la primera espira de la bobina de inducción. Todos estos conceptos de ingeniería tienen como objetivo crear el patrón de flujo adecuado necesario para garantizar la estabilidad de la descarga de gas en el centro de la región de la bobina.

El Q ₃ se conoce comúnmente como "gas envolvente" y se introduce fuera del tubo interno mencionado anteriormente. El patrón de flujo del Q ₃ puede ser en vórtice o recto. La función del gas envolvente es doble. Ayuda a estabilizar la descarga de plasma; lo más importante, protege el tubo de confinamiento como medio de enfriamiento.

La potencia mínima para mantener un plasma de inducción depende de la presión, la frecuencia y la composición del gas. La configuración de potencia de mantenimiento más baja se logra con una frecuencia de radiofrecuencia alta, una presión baja y un gas monoatómico, como el argón. Una vez que se introduce gas diatómico en el plasma, la potencia de mantenimiento aumentaría drásticamente, porque se requiere energía de disociación adicional para romper primero los enlaces moleculares gaseosos, de modo que luego sea posible una mayor excitación al estado de plasma. Las principales razones para usar gases diatómicos en el procesamiento de plasma son (1) obtener un plasma de alto contenido energético y buena conductividad térmica (consulte la tabla a continuación) y (2) ajustar la química del procesamiento.

En la práctica, la selección de gases de plasma en un procesamiento de plasma de inducción se determina primero por la química del procesamiento, es decir, si el procesamiento requiere un entorno reductor u oxidativo, u otro. Luego se puede seleccionar un segundo gas adecuado y agregarlo al argón, para obtener una mejor transferencia de calor entre el plasma y los materiales a tratar. Las mezclas de Ar–He, Ar–H ₂ , Ar–N ₂ , Ar–O ₂ , aire, etc. son plasmas de inducción muy comúnmente utilizados. Dado que la disipación de energía en la descarga tiene lugar esencialmente en la capa anular externa del plasma, el segundo gas generalmente se introduce junto con la línea de gas envolvente, en lugar de la línea de gas central.

Siguiendo la evolución de la tecnología del plasma de inducción en los laboratorios, se han identificado las principales ventajas del plasma de inducción:

• El plasma de inducción permite crear un plasma de alta pureza sin contaminación de los electrodos como es el caso del plasma de CC.
• Posibilidad de alimentación axial de precursores, ya sean sólidos, polvos, suspensiones o líquidos. Esta característica permite exponer los materiales a la alta temperatura del plasma de hasta 10000 °C.
• Debido a la ausencia de electrodos, es posible utilizar una amplia selección de gases de proceso, es decir , la antorcha puede funcionar en atmósferas reductoras u oxidativas, incluso corrosivas. Con esta capacidad, una antorcha de plasma de inducción a menudo funciona no solo como una fuente de calor de alta temperatura y alta entalpía, sino también como recipiente de reacción química.
• Tiempo de residencia relativamente largo del precursor en la columna de plasma (desde varios milisegundos hasta cientos de milisegundos), en comparación con el plasma de corriente continua.
• Volumen plasmático relativamente grande.

Estas características de la tecnología de plasma de inducción han encontrado aplicaciones específicas en la operación a escala industrial en la última década. La aplicación industrial exitosa del proceso de plasma de inducción depende en gran medida de muchos apoyos de ingeniería fundamentales. Por ejemplo, el diseño de la antorcha de plasma industrial, que permite un alto nivel de potencia (50 a 600 kW) y una larga duración (tres turnos de 8 horas/día) de procesamiento de plasma. Otro ejemplo son los alimentadores de polvo que transportan grandes cantidades de precursor sólido (1 a 30 kg/h) con una velocidad de alimentación constante y confiable.

Existen numerosos ejemplos de aplicaciones industriales de la tecnología de plasma de inducción, como la esferoidización de polvos, la síntesis de polvos de tamaño nanométrico, la pulverización de plasma de inducción y el tratamiento de residuos. ^{[5] [6]}

La necesidad de esferoidización (y densificación) de polvos proviene de campos industriales muy diferentes, desde la pulvimetalurgia hasta el encapsulado electrónico. En términos generales, la necesidad apremiante de un proceso industrial que recurra a polvos esféricos es buscar al menos uno de los siguientes beneficios que resultan del proceso de esferoidización:

1. Mejora la fluidez de los polvos.
2. Aumentar la densidad de empaquetamiento de los polvos.
3. Eliminar cavidades internas y fracturas del polvo.
4. Cambiar la morfología de la superficie de las partículas.
5. Otros motivos únicos, como la reflexión óptica, la pureza química, etc.

La esferoidización es un proceso de fusión en vuelo. ^[7] El precursor de polvo de forma angular se introduce en el plasma de inducción y se funde inmediatamente a las altas temperaturas del plasma. Las partículas de polvo fundido adoptan la forma esférica bajo la acción de la tensión superficial del estado líquido. Estas gotitas se enfriarán drásticamente cuando salgan volando de la columna de plasma, debido al gran gradiente de temperatura que se excita en el plasma. Las esferas solidificadas se recogen así como productos de esferoidización. Como el proceso no utiliza ningún electrodo ni crisol, se puede mantener una pureza muy alta. La tecnología está disponible tanto a escala de laboratorio como industrial. ^[8]

Se ha logrado esferoidizar/densificar con éxito una gran variedad de cerámicas, metales y aleaciones metálicas mediante esferoidización por plasma de inducción. Debido a la alta temperatura del plasma, se pueden esferoidizar incluso materiales con temperaturas de fusión muy altas. A continuación se presentan algunos materiales típicos que se esferoidizan a escala comercial.

• Cerámicas de óxido: SiO ₂ , ZrO ₂ , YSZ, Al ₂ TiO ₅ , vidrio
• No óxidos: WC, WC–Co, CaF ₂ , TiN
• Metales: Re, Ta, Mo, W
• Aleaciones: Cr–Fe–C, Re–Mo, Re–W, aleaciones refractarias de alta entropía ^[9]

Las ventajas de la esferoidización de polvo en comparación con la atomización de gas son:

• Alto rendimiento (los polvos esferoidizados tienen la misma distribución de tamaño de partícula que el polvo precursor)
• Amplia gama de materiales (casi todas las cerámicas y metales)
• Alta pureza (sin contaminación de electrodos o crisoles)
• Posibilidad de reciclar polvos usados ​​debido a la mejora de la esfericidad y en algunos casos a la reducción del contenido de oxígeno.
• Alta esfericidad, baja porosidad y ausencia de satélites ^[10]

La creciente demanda de nanopolvos es lo que promueve la investigación y el desarrollo extensivos de diversas técnicas para la síntesis de polvos nanométricos. Los desafíos para una tecnología de aplicación industrial son la productividad, la capacidad de control de calidad y la asequibilidad. La tecnología de plasma de inducción implementa la evaporación en vuelo del precursor, incluso aquellas materias primas con el punto de ebullición más alto; operando bajo varias atmósferas, lo que permite la síntesis de una gran variedad de nanopolvos y, por lo tanto, se convierte en una tecnología mucho más confiable y eficiente para la síntesis de nanopolvos tanto a escala de laboratorio como industrial. El plasma de inducción utilizado para la síntesis de nanopolvos tiene muchas ventajas sobre las técnicas alternativas, como alta pureza, alta flexibilidad, fácil de escalar, fácil de operar y control de proceso.

En el proceso de nanosíntesis, el material se calienta primero hasta su evaporación en un plasma de inducción y, posteriormente, los vapores se someten a un enfriamiento muy rápido en la zona de enfriamiento/reacción. El gas de enfriamiento puede ser un gas inerte, como Ar y N2, _o un gas reactivo, como CH4 _y NH3 _, según el tipo de nanopolvos que se vayan a sintetizar. Los polvos nanométricos producidos se recogen normalmente mediante filtros porosos, que se instalan lejos de la sección del reactor de plasma. Debido a la alta reactividad de los polvos metálicos, se debe prestar especial atención a la pacificación del polvo antes de retirarlo de la sección de filtración del proceso.

El sistema de plasma de inducción se ha utilizado con éxito en la síntesis de nanopolvos. El rango de tamaño típico de las nanopartículas producidas es de 20 a 100 nm, dependiendo de las condiciones de enfriamiento empleadas. La productividad varía de unos pocos cientos de g/h a 3~4 kg/h, según las propiedades físicas de los diferentes materiales y el nivel de potencia del plasma. A continuación se muestra un sistema típico de nanosíntesis por plasma de inducción para aplicaciones industriales. Se incluyen las fotografías de algunos nanoproductos del mismo equipo.

Durante la entrada en la atmósfera, las naves espaciales están expuestas a altos flujos de calor y necesitan ser protegidas con materiales de sistemas de protección térmica . Para el desarrollo, estos materiales deben probarse en condiciones similares. Los túneles de viento de plasma, también llamados instalaciones de prueba terrestres de alta entalpía, reproducen estas condiciones. El plasma de inducción se utiliza para estos túneles de viento de plasma porque puede generar un plasma de alta entalpía libre de contaminantes. ^[11]

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  Los polvos de renio entrelazados y escamosos se convierten en esferas separadas y densas después del procesamiento de esferoidización por plasma de inducción.
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  El polvo de SiO2 _se esferoidiza mediante plasma de inducción (plasma de aire), rendimiento 15~20 kg/h
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  Instalación de plasma de inducción para la síntesis de nanopolvos
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  Algunas muestras de las nanopartículas preparadas mediante procesamiento de plasma de inducción

La tecnología de plasma de inducción permite realizar principalmente los procesos de alto valor añadido antes mencionados. Además de la "esferoidización" y la "síntesis de nanomateriales", el tratamiento de residuos de alto riesgo , el depósito de materiales refractarios , la síntesis de materiales nobles , etc. pueden ser los próximos campos industriales de la tecnología de plasma de inducción.

• Motor de propulsión de plasma