爱华网什么是等离子体？
教科书上有个简明的说法，等离子体是物质自然存在的第四态。前三态是固体、
液体、和气体状态，这在小学自然课就教过的。一般常拿水作例子。水在零度以
下是固体，就是冰。放在锅里烧，温度升高了，冰就化成液态，成为水。再使劲
烧，到了沸点，水就变成气态，叫作水蒸汽。这里稍讲深一点，温度增加了，这
物质内部怎么了？从物理角度看，我们说它的“焓值”增加了。通俗地说，就是
单位体积的物质所含的能量增加了。比如，用三十来度的水洗淋浴挺舒服，要是
水烧到七、八十度再洗，它含有的高能量就会把你烫伤。
回到前边话题，要是把水蒸汽再加热，比方几千度、上万度地烧，会怎样呢？
哈，哈──，这就是物质的第四态，等离子体状态！
物质在等离子体状态有什么特点呢？大家都知道物质是由原子构成的，原子内部
又含有电子和原子核。 物质从气态过渡到等离子体状态后，电子就会跑出原子
(当然看实验条件，不一定全都能挣脱原子核的束缚跑出来)成为带负电荷的“自
由电子”，留下带正电荷的“离子”。还有一部分原子因为吸收的能量不足，电
子还一个都没跑掉，仍然是中性的(没电荷)。所以等离子体就是电子、离子、和
中性粒子构成的这么个混合体。它导电 (因为有可以在电场作用下运动的正负电
荷存在)，但宏观上又是中性的 (正电荷和负电荷的数目相等)。中文里等离子体
这个词就是这么来的。
别觉得等离子体神秘，其实我们生活的这个宇宙，99% 的物质都是处在等离子体
状态。右边这个图给出自然存在的等离子体的一些例子。咱们熟悉的有闪电呀、
北极光呀、宇宙射线呀等等。太阳本身也就是个等离子体的大火球。顺便说一
句，太阳核心的温度高达一千五百万度，作为对比，地下岩浆滚滚，不过才一千
二百来度。等离子体未必都得是“滚烫”的。常见的霓虹灯广告牌里，也是等离
子体的状态。不过，这种等离子体里的电子浓度，即单位体积里电子的个数，很
低，一般叫“冷等离子体”，或者“非平衡等离子体”。“非平衡”的意思是
说，其中的电子温度远远高于重粒子的温度(Te ?Th)。反之，如果重粒子温度差
不多等于电子的温度(Te≈Th)，就是“热等离子体”了。要注意大多数热等离子
体未必就是严格热力学意义上所谓“平衡”的，科学家常称其为“局域平衡”。
这有点深奥了，咱们打住。记住“冷等离子体”不烫(室温至百十来度)就行了，
要不买台等离子体显示的电视机回家，看电视变成烤火了！
还得说一句。欧美学派的科学家是把除却“冷等离子体”外的等离子体都称之为
“热等离子体”的。而前苏联学派(中国大陆以前亦从此派)则把绝大部分局域平
衡的等离子体(几千至几万度)都归为“冷”的一类，只把比如热核条件下产生的
极高温等离子体才称为“热”的等离子体。所以，即使同行，交流起来也得先定
义一番。
三．热等离子体有什么用
前边说过，咱们看得着的宇宙99% 是处在等离子体状态，这显然值得下大功夫研
究。搞天体物理的有一帮人就是专门研究等离子体的，由此得出天体演化的历史、
方向，以及对咱们“尘世”生活的影响等等。出国早的朋友可能都知道《万圣悲
歌》中的卢刚，他们组就是搞这个的。既然象太阳这样的等离子体大火球，具有
几乎取之不尽(当然严格地说，红太阳也有寿数到了的时候)能量，物理学家就想
能不能也模仿太阳的机理制造能源呢？这就是等离子体物理学的一大课题：磁控
核聚变发电。中心任务是搞出稳定自持的一亿度高温(比太阳中心还热六倍！)的
等离子体，实现氘与氚之间的聚变。这当然是很“热”很“热”的热等离子体了。
至于我学的不那么太“热”(至多一两万度)的等离子体，形成规模的研究大约是
始于五、六十年代的航天事业发韧期。卫星、飞船进出大气层，由于和大气高速
摩擦，都会在飞行体周围产生等离子体。因此需要对这个温度范围的等离子体的
性质进行详细研究。这些研究产生了很多极有意义的成果，包括热等离子体的热
力学性质计算模拟；“尘世的”热等离子体发生方法；热等离子体性质的测量和
诊断等等。这些研究今天仍然在积极进展，并产生许多新的有意思的应用，比如
等离子体推进，隐形飞机等等。这些均属等离子体物理的研究范畴。
等离子体化学家把“尘世的”等离子体发生方法用到了人类的地球生活的许多方
面，特别是在材料科学领域。为全面起见，先说一下“冷等离子体”的实际应用。
今天发达的信息时代，得益于七、八十年代电子工业的飞速发展。而“冷等离子
体”技术为半导体、集成电路的发展立下了汗马功劳。“冷等离子体”用于集成
电路制造中的刻蚀、灰化、和薄膜淀积等关键工艺，至今仍然是不可替代的支柱
技术。其它应用包括光源(如高效电弧灯) 和显示(如霓虹灯、等离子体显示屏幕
等)，以及新材料合成，环境保护(如空气净化)等方面。
而想应用热等离子体，首先你会想到的是它很“热”(几千至几万度)，什么东西
到热等离子体里都得化了，这用处就太大了！比如可以用热等离子体来焊接，也
可以用热等离子体切割。这些工业设备都已很普及、规范了，而且市场很大。大
到造船厂，小到铁工房都用得上。
冶金工业上有用热等离子体熔炼、精炼金属的，特别是那些价值高的特殊材料。
常规的化学火焰或者电阻加热方法都不象热等离子体那么“有劲儿”和高效。等
离子体冶炼还有可能自由地控制冶炼的化学气氛。还有用热等离子体回收贵重金
属的。问题是耗电量大，未必都用得起。
机械工业有个老行当，叫“热喷涂”。比如一根大轴，用些日子就磨损的不行
了。那么先在吃劲的位置喷上一层超硬耐磨的材料，大轴的使用寿命就会大大提
高。又比如，飞机涡轮发动机的叶片，都是用热喷涂方法定期维修养护的。这样
作的经济效益不言而喻。等离子体喷涂是热喷涂业内十分重要的技术手段之一，
特别适用那些高熔点的陶瓷材料和难熔金属，制备主要用于高温条件的抗热，防
腐，耐蚀的涂层。将等离子体喷涂技术稍加改动，又可用于直接成型的工艺，即
直接把粉末喷成接近所需尺寸的机械部件。这是非常有用的手段，不仅仅是个经
济效益的问题，有些材料用常规技术根本就无法加工。燃料电池大概是下一代汽
车的首选能源之一，等离子体喷涂与成型最近在这方面也有不少的研究开发工
作。
在粉末工业中，热等离子体可以用来球化和密集化粉末颗粒，使粉末原料的流动
性改善、密度提高，纯度增加。这样处理极大地增强了粉末原料在下游用户 (比
如用粉末作喷涂；或者注塑成形等等) 的可用性；或者直接就改善了粉末的使用
效果(比如催化作用，光学效果等等)。热等离子体还可以用来烧结粉末制品，特
别是一些尖端的陶瓷材料制品。比起常规烧结技术，优点是工艺时间大大缩短，
且有可能得到优异的微观物质结构。
随着环境保护的问题日益迫切，热等离子体在废物处理的领域也大显身手。对比
传统的焚烧炉，热等离子体能量高，处理量大，特别适用有毒废料和核废料的处
理。减少二次污染，并有可能集成在某些产生有害污染的生产线上，在污染源头
就实现无害化。美国海军近年一直在投资研制一种小型的舰载热等离子体生活垃
圾处理装置，以免向海洋倾倒水兵们的生活垃圾所造成的海洋污染。
热等离子体在材料科学中近年来较引人注目的进展有两方面。一是热等离子体化
学气相淀积。比较以前的低压化学气相淀积方法，热等离子工艺的沉积速度大大
提高，因为它可以产生高浓度的气相源并以高速冲向基底材料。这种方法主要用
来制备金刚石薄膜和其它一些高级陶瓷材料薄膜， 比如氮化硼 (cBN),氮化碳
(C3N4)等等。二是热等离子体方法在超细超纯粉末，亦即纳米粉末合成方面的应
用。纳米材料被看着新世纪科技发展的关键材料，因为下面还有一节专门介绍，
此不赘述。
四．怎么产生热等离子体？
在“人间”产生热等离子体的方法有很多，比如电击穿；射频放电；微波激发；
冲击波；激光；高能粒子流；甚至高温加热的手段。在实验室和工业界，目前常
见的有以下四种热等离子体产生装置，行话叫“炬”(火把的意思)：
1。直流等离子体炬 (d.c. torch)
2。转移电弧枪(trasfer arc)
3。感应等离子体炬(inductively coupled plasma torch)
4。微波等离子体炬(microwave plasma torch )
右边的彩色图片是常见的直流等离子体炬的实物和剖面原理图。
前面讲了闪电就是一种等离子体。天阴的日子，滚滚黑云里会积累电荷，这电荷
是高空中气体碰撞所产生的。当电压达到30000 伏以上的时候，原本不导电的空
气就会被击穿，形成电弧通道，空气被电弧加热成为等离子体，就是炫目的闪电。
还记得本杰明·弗兰克林和他的风筝么？他老先生在18世纪，甚至就明明白白地
告诉人们，雷雨云靠地面的一面往往是带负电的。
直流等离子体炬的原理实在与闪电相似，不过产生的等离子体却是连续的。在圆
锥形的阴极电极和圆筒形的阳极电极间打出电弧(电流约几十至几百安培)，由阴
极后方导入的气体(通常是惰性气体氩气，Ar), 立即被电弧的高温激发，变成等
离子体， 从圆筒形的阳极电极的远阴极的洞口喷出，形成等离子体火焰的射流
(plasma＿jet)。所以圆筒形的阳极电极有时也被叫作喷嘴。圆锥形的阴极通常
用难熔金属钨(搀少量钍(Th)以增强热电子发射率)制造，而阳极为铜。因为电弧
的根打在阳极上，阳极电极需要强制水冷。在直流等离子体炬操作时，弧根在电
路稳定原理和气体动力学的作用下，是沿着圆筒的内壁前后移动并高速旋转的。
这样，铜阳极不至立刻被电弧烧坏。为了进一步延长直流炬的使用寿命，较复杂
的直流等离子体炬还用加磁场控制的方法加速弧根旋转。直流等离子体炬体积小，
产生的等离子体能量密度高，是非常实用的等离子体源。在结构上，连接拖带的
只有两根电缆和气管水管，所以可以方便地装在机器手上，完成各种任务。如果
作简单的等离子体喷涂工作，有时工人就直接握在手里干了。
转移电弧枪产生等离子体的原理与直流等离子体炬相同，但当等离子体形成以后，
依靠电路控制，把阳极转移到炬外的导电基体上。这样电弧很稳定，而且对所处
理的(作为外电极使用)材料发出的热通量很大。由于可以拉长电弧，形成的等离
子体的功率可以很高。工业上有兆瓦级(1-10MW)的转移电弧装置。转移电弧枪多
用于切割，表面涂覆、金属冶炼、有害废料处理等方面。近年来，利用转移电弧，
以工业化规模制备金属纳米粉末，以及进一步合成碳化物、氮化物等纳米材料，
也取得了长足的进展。
基于电弧的热等离子体技术，要寻根得话，都有百年历史了。电弧等离子体技术
的主要缺点是要用金属电极材料，因此一般所能使用的等离子体气体只限于那些
惰性气体和还原性气体，比如Ar─He，Ar─H2, 或者N2等等。对于许多要求氧化
气氛或其它有腐蚀性的化学工艺，它们就无能为力了。某些工艺对产品纯度要求
很严，不能容忍电极材料的微量污染，直流电炬也不能用。再一个问题是电极的
使用寿命，虽有水冷，也就几百小时左右，增强维修成本。在某些应用项目上，
一旦电极烧穿漏水，还可能造成爆炸危险。另外由于等离子体火焰在高温下的黏
度很高，对于使用直流等离子体炬作喷涂来讲，如何把原料粉末从侧面送进等离
子体火焰内，也不是容易的事。
感应等离子体炬和微波等离子体炬都是无电极发生等离子体的装置。下图是常见
的感应等离子体炬实物和剖面原理图。
先复习一下中学的物理实验课。一根两头接到电池正负极上(当然带个开关)的电
线绷直了，下边摆个指南针。把开关迅速地接通再断开，发现指南针随着摆动了
一下。由此证明，电流的变化会产生磁(楞次定律)。到大学再学《电磁学》，知
道这还不算完，那产生的磁通量一变，还能产生电。所以热处理工业上，用个通
高频电流的螺旋线圈套住工件，产生的趋肤电流和工件本身电阻一起按欧姆定律
发出焦耳热，就把工件“烧”得红红的，达到热处理的目的。这技术也是百年历
史了。1961年，科学家瑞德(T。B。Reed)首次用石英管中流动的气体，代替工件
的位置，在射频电流的作用下，得到了稳定的等离子体。这就是现代感应等离子
体炬的滥觞。为了有效地离解气体分子，电流频率必须足够高。现在一般都是用
的2～4MHz的射频(Radio─Frenquency)源来激发感应等离子体。所以文献上比较
完整的称呼，往往是射频感应耦合等离子体。
感应等离子体炬有很多长处。首先它没有电极，等离子体是被气流和水冷的石英
管或陶瓷管约束在炬中并向外喷射的，因此它不仅可以使用惰性和还原性气氛，
还可以使用氧化性气氛，甚至有腐蚀性的气体作为等离子体气体，而且没有电极
材料沾污的忧虑。第二，由于这种空心圆筒构造，欲处理的粉末材料或液相原料
乃至气相原料，可以从轴向引入，这点对于充分促进高温等离子体和材料之间的
热传导是非常有利的。第三，感应热等离子体的体积比较大，温度梯度比直流电
弧等离子体小，即均匀性好。第四，感应热等离子体的速度比直流电弧等离子体
小一个数量级，材料在等离子体中滞留时间长，可以得到充分的加热。缺点是等
离子体的能量密度较低，整个装置的电力耦合效率也较低。不过最近使用全固体
电路的发生器(传统的是用大功率射频振荡电子管)可以大大改善这个参数。
最后说一下微波等离子体发生装置。微波的振荡频率比上述射频高得多，目前实
验室常用的微波源是2．45GHz。微波所携带的能量 (行进波放电，TWD)也可以电
离气体生产等离子体。但微波的传播必须在波导管中实现，所以微波等离子体炬
必须集成在微波回路里，这是一个在使用灵活性方面的先天缺陷。由于行进波与
等离子体相互制约，且行进波迅速衰减，等离子体的性质不够均匀。而且能见到
的微波等离子体发生装置的功率都比较小(小于30kW)。微波等离子体发生装置目
前在科研院校实验室作化学气相淀积的比较多，也有用来作纳米粉末的。但作为
工业大规模生产的装置，看来还有较长的路要走。
五．从实验室到工业应用
如果作个社会调查，问问老百姓对下述哪个“科学”最有印象？激光；超导；克
隆；同位素；超声波；红外线；等离子体；基因工程…我猜八成答“克隆”的居
多。当然这个“第一”未必反映该技术应用的普及程度，但答“等离子体”的肯
定不会太多。热等离子体技术的开发，一般讲是从二十世纪六十年代开始起步的，
但是在工业领域成功运用的例子，除开热喷涂和切割焊接(直流等离子体炬)；冶
金(转移电弧)；光纤、质谱分析(感应等离子体炬)等廖廖几个行业，实在不能说
是振奋人心。症结在于推广热等离子体技术目前仍确少坚实的工程基础，这点下
边还要谈到，先看一组数字：目前全世界的等离子体焊接装置大约是 20000台，
切割装置 150000台；普通的等离子体喷涂装置 2500台，真空等离子体喷涂装置
100台；用转移电弧进行表面硬化的装置 1000台；冶金行业各种用途的等离子体
设备约70台；感应等离子体用于质谱分析的10000台，用于光纤生产的约100台。
给你一个对比的数字概念，全球机器人的数量从1982年的 35000台增加到了2000
年的950000台！
从实验室到工业化的路途有多远呢？刚入门时读过一篇文章说热等离子体技术转
到工业应用比起一般化工工艺要容易得多，没有什么鸿沟，因为设备 (尤指等离
子体炬) 不需要成倍放大等等。现在想想，此说是太乐观了。且不说，等离子体
炬亦需放大(为了提高功率，而这就意味着许多基础研究和工程支持工作)，在连
续运转的工业应用上，如何保证设备的稳定和工艺的重现性，其难度不逊于任何
其它一种需要“放大”的工艺技术。何况还有降低工艺成本的问题 (水、电、气
的消耗)。这就是为什么热等离子体技术可以在诸如化学气相沉积，微细粉末制
造，高新材料合成等方面做出许多常规技术无法企及的实验室成果，但却在大规
模工业推广上鲜有作为的原因。
写到这儿，应该介绍一下我所在的 TEKNA等离子体系统公司了。这公司是我博士
导师的私人企业，十来年前，我读他博士时成立的。导师 M·Boulos在感应热等
离子体这一学科中的地位，不算祖师，也是教父吧。公司的使命有二：第一是把
众多富有前景的研究成果工业化；第二是为这种成果转化提供可使用的工业设备。
上图是 TEKNA制造的感应等离子体炬，不夸张地说，这是世界上最好，最耐使的
感应等离子体炬了。在各国申请了三十多项专利。三、四年前，公司向感应热等
离子体技术的工业应用迈出了重要的一步：生产按客户需求“量体裁衣”的“交
钥匙”系统设备。课堂上美好的展望，实验报告里诱人的前景，这会儿总算可以
一个一个去实现了。
举个例子吧，右边这个庞然大物是用作粉末球化的设备，产量达30公斤/小时。
作为工业设备，气体和冷却水都是回收循环使用的。电子显微镜照片给出两种粉
末材料等离子体球化前后的形貌。(什么材料？客户不让说?。知道经过等离子体
处理后，价值附加了不少就成了。)
再举个例子，等离子体烧石板(花岗岩、大理石)，切割，整形，涂覆，糙化，表
面雕刻，可热闹呢。直流炬很小，照片上你只见一个机器手。不过下一组照片里，
可以清清楚楚看见热等离子体处理能给建筑石料带来怎样的美学效果。
那么，都有哪些工业领域可以使用热等离子体技术呢？TEKNA 的客户大多都要求
我们为其保守商业机密。不能多举例了。说句套话吧，“种种可能仅止于我们的
想象力”！我想，但凡用得着几千度到一万度高温的地方，热等离子体技术都是
可以试试身手的吧。
