Geração de microplasmas à pressão atmosférica : domínio da tecnologia para aplicação em processamento de materiais

Abstract

Resumo: Os tratamentos termoquímicos assistidos por plasma à baixa pressão são bastante empregados devido aos benefícios obtidos, como por exemplo alteração de propriedades mecânicas (como dureza, resistência mecânica e comportamento em fadiga do componente tratado) além de atender às leis e normas em questões ambientais e de segurança. Entretanto, existem fatores limitantes nesses tratamentos à baixa pressão, como o alto custo dos equipamentos de vácuo e a necessidade de se realizar tratamentos em batelada. Então, torna-se interessante estudar tratamentos termoquímicos assistidos por plasma à pressão atmosférica, que podem contornar estes fatores. Neste contexto, para a realização deste trabalho, foi desenvolvido um reator DC de três eletrodos (tríodo), onde dois eletrodos são polarizados e um eletrodo é aterrado. Dois destes eletrodos são posicionados a uma distância na ordem de dezenas de micrometros, formam uma microdescarga, a qual é "expandida" para o terceiro eletrodo (amostra), que se encontra a alguns milímetros de distância do eletrodo mais próximo da microdescarga. Este trabalho tem por objetivo, contribuir para o entendimento do funcionamento deste reator e viabilizar a aplicação deste para tratamentos termoquímicos, com tensões de operação muito menores que as necessárias em um sistema de dois eletrodos operando à pressão atmosférica para distâncias entre eletrodos da ordem de milímetros. O trabalho consiste na construção e caracterização do reator de plasma. A caracterização foi realizada por espectroscopia de emissão óptica, medida de corrente e tensão, e análises de imagem de fotos do plasma formado. Os resultados demonstram que espécies de Ar influenciam no comportamento da descarga, e o aumento da concentração de N2 e H2 podem levar a choques inelásticos sem a formação de espécies excitadas. É também observado que o funcionamento na microdescarga e descarga "expandida" são interdependentes, onde ocorre a influência de uma descarga em outra.

Abstract: Low-pressure plasma-assisted thermochemical treatments are widely used due to the benefits of this technique, like improvement of mechanical properties, such as hardness, mechanical strength and fatigue behavior of the treated component. Additionally, through these processes it is easy to satisfy environmental and safety laws and regulations. However, there are limiting factors in low-pressure treatments, such as the high cost of vacuum equipment and the need for batch treatments. Therefore, it is interesting to study plasma-assisted thermochemical treatments at atmospheric pressure that can overcome these factors. In this context, for this work, a three-electrode DC (triode) plasma reactor will be designed and studied. It consists of two polarized electrodes and one grounded electrode. Two of these electrodes, placed with a distance in the range of tens of micrometers, form a micro-discharge, which is "expanded" to the third electrode (sample), which is some millimeters away from the nearest electrode of the micro-discharge. This design aims to enable application for thermochemical treatments, with operating voltages much lower than those required in a two-electrode system operating at atmospheric pressure for inter electrode distances on the order of millimeters. So, the work consisted in the construction and characterization of a new concept of plasma reactor operating at atmospheric pressure. The characterization of the plasma reactor operation regime and of the created plasma was carried out by optical emission spectroscopy, current and voltage measurements, and image analysis of the formed plasma. Results demonstrate that Ar species can influence discharge behavior, and an increase in concentration of N2 and H2 can lead to inelastic shocks without the formation of excited species. It is also observed that the operation in the micro discharge and "expanded" discharge are interdependent, where the behavior of one discharge influences the other.