TW200421487A - Plasma-assisted sintering - Google Patents

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200421487 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於燒結系統及方法。尤其，本：發明丨系_方々 使用fe電$§射於電發觸媒的存在中，用來點燃、調製及糸隹 持來自氣體的電漿之系統與方法，以及使用電漿於燒結過 程。 【先前技術】 已知有各種燒結方法。此些方法可涉及一粉末在其金 屬點下方的溫度的熱處理。此熱處理可結合粉末顆粒一起 ’以增加合成燒結材料的強度。 在某些燒結處理之前，例如，粉末（例如，金屬、陶 瓷或其它）可在大壓力下壓縮於一模中以形成一想要形狀 。粉末材料的緊緻化可產生熟知如緊緻件的物體。習知燒 結’此緊緻件一般稱爲未加工，且，其密度可依據諸如緊 緻化壓力的因素而定’緊緻件的尺寸及粉末硬度。緊緻件 一般具有低強度及高孔隙比，相較於它們燒結的類似物。 此緊緻件的燒結可藉由固態擴散及緊緻件的粉末顆粒間的 結合而促進晶粒成長。 雖然某些燒結方法已報導可接受結果，此些方法的幾 者包括一些缺點。例如，一些報導過的方法利用加熱將被 燒結的材料之傳統爐。然而，使用此些爐可能難以精確地 控制材料的溫度。例如，至於增加爐內溫度的特定速度， 材料的溫度中可能有一相應的遲滯。此遲滯可能是顯著的 -4 - (2) (2)200421487 ’且’於某些燒結處理，不是所有將被燒結的材料可達到 一想要加工溫度，或滿足一想要時間溫度輪廓。此可導致 材料的不完全燒結，且因此，燒結材料可能以預期或想要 的更不緊密。 再者，使用習知爐的某些燒結方法可能不適於燒結具 有非標準輪廓或形狀的物體，例如，凹角特徵、多厚度、 薄或較小特徵及可變橫截區。例如，較小或薄特徵可能比 物體的大部份加熱更快。結果’此些特徵可能顯示在燒結 後的物理特性（例如，多孔性、密度等），其不同自物fg 的大部份。其間，大氣燒結爐在加熱可以是慢的，且，.可 缺少精確地控制物體的溫度之能力。 電漿輔助燒結亦已被報導。雖然電漿燒結方法可提供 加熱速度的潛在增加超過傳統爐燒結方法，此些電漿燒結 方法通常涉及昂貴真空設備的使用。再者，燒結電漿的產 生亦可能依賴數百伏的大電位的使用。 【發明內容】 本發明的一個形態可提供燒結包括至少一粉末材料成 份的物體的電漿輔助方法。此方法可包括藉由使一氣體受 到磁電輻射（例如，微波輻射）於電漿觸媒的存在來起始 化一燒結電漿。此方法另包括使物體的至少一部曝露至電 漿達一段期間足以燒結此至少一個粉末材料成份的至少一 部。 本發明的另一形態提供一種用於物體的電漿輔助燒結 -5- (3) (3)200421487 之系統。此系統可包括電紫觸媒、槽，其中形成有第~腔 ，且，於電漿觸媒的存在中，一電漿可藉由使一氣體受到 具有小於3 3 3 G Η z的頻率之磁電輪射的量而起始化，其中 該槽具有致使該物體的至少一部曝露至該電獎之形狀。 許多的電漿觸媒亦可使用於依據本發明之電漿輔助燒 結。 【實施方式】 用於電漿輔助燒結之方法及裝置可依據本發明予以提 供。電漿可以依據本發明的電漿觸媒予以點燃、調製及維 持。 電漿輔助燒結系統 圖1解說依據本發明的一形態之示範性電漿燒結系統 1 〇。於此實施例中，腔1 2可形成於一槽中，此槽係定位 於輻室1 4 (亦即，符敷器）內側。於另一實施例中（未 顯示），槽1 2及輻室1 4係相同的，藉此免除兩分離組件 的需要。其中形成有腔12的槽可包括一或數個輻射傳輸 (例如，微波傳輸）絕緣層，以改善其熱絕緣特性，而不 會有效地遮蔽腔1 2免於輻射。 於一個實施例中，腔1 2可以陶瓷製成的槽而形成。 由於可以依據本發明的電漿達到之極高溫，能夠操作在大 於約華氏2 000度的溫度之陶瓷可被使用諸如約華氏3 000 度。陶瓷材料在重量上可包括29.8%矽土、68.2%鋁土、 -6 - (4) 200421487 0.4 %氧化鐵、1 %二氧化鈦、〇 . 1 %石灰、〇 · 1 %鎂 %驗金屬’此材料係由New Castle Pennsylvania

Castle Refractories公司以型號LW-30售出，熟習 藝者將領會到，然而，依據本發明諸如石英的其它 不同於上述材料的材料亦可被使用。應領會到，本 其它實施例可包括預期操作在約華氏2 0 0 0度以下 之材料。 於一個成功實驗，電漿係形成於一部份開口腔 於第一磚內且以第二磚而覆蓋。此腔具有約2英吋 英吋X約1 . 5英吋的尺寸。至少兩個孔亦設於此磚 此腔相通，一者用來觀察電漿，且，至少一孔用來 體，電漿可自此孔形成。腔的尺寸及形狀可依正實 結過程而定。且，此腔可架構來防止電漿自主要處 浮離。 腔12可藉由管線20及控制閥22而連接至一 個氣體源24 (例如，氬、氮、氫、氙、氪的氣體 管線20及控制.閥22可由電源供應28而起動。於 施例中，電漿可由氣體源24所供應的一個或數個 形成的。管線20可以是能夠輸送此氣體的任何管 而’可以是足夠狹窄以防止顯著的輻射洩漏。例如 2 〇可以是管類（例如，具有約1 /1 6英吋及約1 / 4 的直徑’諸如約1/8”）。且，若需要的話，一真空 接至此室，以移除任何可能產生於電漿處理期間之 煙霧。 土、0.4 的New 此項技 材料及 發明的 的溫度 ，其位 X約2 內而與 提供氣 施的燒 理區而 個或數 源）， 某些實 氣體而 道，然 ，管線 英吋間 泵可連 不要的 -7- (5) 200421487 一輻射檢漏器（未顯示）被安裝接近源2 6及 ，且連接至一安全互鎖系統，如果超過一預定安全 洩漏被檢測到，諸如FCC及/或OSHA指定的範 如，5 m W / c m 2 )，可自動地關閉輻射（例如，微波 供應。 輻射源2 6 ’其可由電力供應2 8而起動，可經 或數個波導3 0將輻射能量導入室1 4。熟習此些技 將領會到，源2 6可直接連接至室1 4，藉此免除波 進入腔1 2的輻射能量可使用來點燃腔內的電漿。 可以觸媒連接諸如微波輻射的附加輻射，調製或實 持並限制在腔內。 輻射能量可經由循環器3 2及微調器3 4而予以 例如，3棒式微調器）。尤其在電漿已形成之前， 3 4可使來最小化反射功率如改變點燃或處理條件 ，因爲微波功率將由電漿而強力地吸收。 如以下更詳細的解說，如果室1 4支持多種模 14中的輻射傳輸腔12的位置不一定是緊要的，且 當此些模式係持續地或週期性地混合時。例如，f 可連接至模式混合器3 8，用來致使平均時間的輻 分佈實質地均勻在整個室14中。更者，窗40(例 英窗）可配置於鄰接至腔1 2的室1 4的一個壁中， 度感測器42 (例如，光學高溫器）被使用來觀察E 側的過程。於一個實施例中，光學高溫器具有可隨 化之電壓輸出於一特定追蹤範圍內。 波導30 :範圍的 丨圍（例 )電源 由一個 藝者， 導30。 此電漿 質地維 供應（ 微調器 的函數 式，室 ，尤其 ㊂達3 6 射能量 如，石 允許溫 ? 12內 溫度變 -8 - (6) (6)200421487 感測器42可逐漸地產生輸出信號如溫度或與腔1 2內 一* I作件（未顯示）相關的任何其它可監視條件的函數， 且提供信號至控制器44。雙溫度感測及加熱，以及自動 化冷卻率及氣流控制，亦可被使用。控制器44可依次使 用來控制電源供應2 8的操作，電源供應2 8可具有一輸出 連接至如上述的輻射源26及另一輸出連接至閥22，以控 制進入輪射腔1 2的氣流。 本發明已利用由 CPI ( Communications and Power Industries)提供之915MHZ及2.45GHZ的微波源而成功地 實施，雖然具有小於約3 3 3 GHZ的任何頻率之輻射可被使 用。2.4 5 GHZ系統連續地提供約〇 · 5千瓦至約5.0千瓦的 可變微波功率。3棒式微調器致使最大功率轉移的阻抗匹 配，且，雙向耦合器（未顯示於圖1 )被使用來量測正向 及反射功率。 如上述，依據本發明，具有小於3 3 3 G Η z的任何頻率 之輻射可被使用。例如，諸如電源線頻率（約5 0 Η ζ至約 60Hz)的頻率可被使用，雖然形成的電漿的氣體壓力可被 降低以助於電漿點燃。且，依據本發明，任何射頻或微波 頻率可被使用，包括大於約1 〇〇kHz的頻率。於大部份的 例子中，此種相對高頻的氣壓不需降低來點燃、調製或維 持電漿，藉此致使許多電漿處理發生在大氣壓力及以上壓 力。 等效物係使用Lab Vie w6i染體來控制的電腦，其提供 即時溫度監測及微波功率控制。噪音係藉由使用適當數量 -9- (7) (7)200421487 的資料點的滑動平均。且，爲改善速度及計算效率，緩衝 陣列中之儲存資料點的數量係藉由移位暫存器及緩衝大小 而限制。高溫器量測約1 cm2的感應區的溫度，此溫度被 使用來計算一平均溫度。高溫器感知在兩波長的輻射強度 ’且使用浦朗克定律（Planck’s law)來調合此些強度以 決定溫度。 然而’將領會到，用來監視及控制溫度的其它裝置及 方法亦可取得，且可符合本發明而使用。可符合本發明而 使用的控制軟體被說明於美國專利案號1 8 3 7.0 0 3 3，此案 倂入本文中作爲參考。 室14可包括數個玻璃覆蓋觀察口，其具有微波遮蔽 及石英窗，用於高溫器的進入。數個連接至真空泵及氣體 源的口亦可被提供，雖然無需使用。 系統1 〇亦可包括一選擇性閉環去離子化水冷卻系統 (未顯示），其具有以自來水冷卻的外熱交換器。於操作 期間，去離子的水可經由焊接在室的外表面上的水道而冷 卻磁電管，然後循環器中的負載突降（使用來保護磁電管 )最後輻射室。 電漿觸媒 依據本發明之電漿觸媒可包括一個或數個不同材料， 且可以是被動或主動。電漿觸媒可被使用於其它用途，用 來點燃、調製及/或維持電漿在小於等於或大於大氣壓力 的氣體壓力。 -10- (8) (8)200421487 一種依據本發明的形成電漿的方法可包括使一腔中的 氣體受到磁電輻射，其具有小於3 3 3 G Η z的頻率，於被動 電漿觸媒的存在中。依據本發明的被動電漿觸媒可包括任 何物體’其能夠使依據本發明的局部電場（例如，電磁場 )變形而引出電漿，而無需經由觸媒增加附加能量，諸如 藉由施加一電壓來產生火花。 依據本發明的被動電漿觸媒可例如，奈米顆粒或奈米 管。本文中所使用的，用辭“奈米顆粒”（nano-particle ) 可包括具有小於約1 0 Onm的最大物理尺寸之任何顆粒， 此顆粒至少爲半導電的半導體。且，單壁及多壁碳奈米管 ，掺雜及未掺雜，可特別有效用來點燃符合本發明的電漿 ，因爲其特別的導電性及伸長形狀。奈米管可具有任何方 便的長度，且可以是固定至基底的粉末。如固定的話，奈 米管可隨意地定位在基底的表面上，或固定至基底（例如 ，在某些預定方位），當被點燃或維持時。 符合本發明的被動電漿觸媒亦可以是例如，粉末，且 不需包含奈米顆粒或奈米管。其可例如，以纖維、灰塵顆 粒、片狀、板狀等而形成。當係粉末狀時，觸媒可至少暫 時地懸浮於氣體中。藉由使粉末懸浮於氣體中，粉末可快 速分散在整個腔中，且，更容易且均勻地消耗，若需要的 話。 於一個實施例中，粉末觸媒可載入燒結腔中，且，至 少暫時地懸浮於一運載氣體。運載氣體可以是相同或不同 於形成電漿的氣體。且，粉末可在引至腔之前而加至氣體 -11 - 200421487 Ο) 。例如，如圖1A所示，輻射源5 2可供應輻射至腔5 5， 其包括電漿腔60 (例如，其中燒結可發生）。粉末源65 可提供觸媒粉末7 0進入氣流7 5。於一替代實施例中，粉 末7 〇可首先大量（例如，成堆）加至腔6 0，然後以任何 數量的方法分佈於腔中，包括將一氣體流動經過或在大量 粉末上。再者，粉末可加至氣體，用來點燃、調製或維持 一電漿，其藉由將粉末移動、輸送、滴入、噴洒、吹入或 饋送進入腔內。 於一個實施例中，電漿係藉由放置一堆的碳纖維粉末 於一銅管中而點燃於一腔中，銅管伸入腔中。雖然足夠的 輻射被導入腔中，銅管遮蔽粉末免受輻射，且，無電漿點 燃發生。然而，一旦運載氣體係流過此管時，其迫使粉末 自管中流出且進入腔中，且藉此使粉末受到輻射，電漿係 在大約大氣壓力幾乎同時點燃於腔中。 依據本發明的粉末電漿觸媒可以是實質不可燃的，因 此，不含有氧氣，或燃燒於氧氣的存在。因此，如上述， 觸媒可包括金屬、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚合 物、導電矽土彈性體、聚合物奈米複合物、有機/無機複 合物及其任何混合物。 且，粉末觸媒可實質地均勻分佈於電漿腔中（例如， 當懸浮於氣體中），且，電漿點燃可精確地控制於腔內。 均勻點燃於某些應用上係重要的，包括需要短暫電漿曝光 的應用，諸如一個或更多爆烈的形式。且，某些量的時間 需要用於粉末觸媒，以分佈其本身在整個腔中，尤其於複 -12 - (10) (10)200421487 合的多室腔中。因此，依據本發明的另一形態，粉末觸媒 可經由數個點燃口而引入腔中，以更快獲得更均勻觸媒分 佈於其中（看以下）。 除了粉末之外，依據本發明的被動電漿觸媒可包括， 例如，一或數個極細或肉眼可見的纖維、片、針、線、繩 、單絲、紗、麻繩、刮屑、裂片、碎片、織紗、帶、細絲 或其任何混合物。於此些例子中，電漿觸媒可具有至少一 個部，其具有一物理尺寸實質地大於另一物理尺寸。例如 ’至少兩直角尺寸間的比可以是至少約1 : 2，然而可大 於約1 : 5，或甚至大於約1 : 1 〇。 因此，被動電漿觸媒可至少一部的材料，其比較其長 度相對地薄。一束的觸媒（例如，纖維）亦可被使用，且 可包括例如，一段的石墨帶。於一個實施例中，一段具有 大約三萬股的石墨纖維的帶，每股約2 - 3毫米的直徑，被 成功地使用。一束中的纖維的數量及其長度對於點燃、調 製或維持電漿不是重要的。例如，滿意的結果已被獲得， 其使用一段約四分之一英吋長的石墨帶。一種碳纖維已被 成功地使用符合本發明，其由Anderson、South Car〇lina 的 Hexcel Corporation 以商標 Magnamite® 型號 AS4C- GP3K而售出。且，碳化矽纖維已被成功地使用。 依據本發明的另一形態之被動電漿觸媒可包括碳、碳 化矽、鉬、鉑、鉅、鎢及鋁，雖然其它導電無機材料被認 爲同樣地作用良好。 再者，一個或更多導電材料，依據本發明之被動電發 -13- (11) (11)200421487 觸媒可包括一個或更多添加物（其不需是導電）。如使用 於此，此添加物可包括使用者想要加至電漿的任何材料。 例如’於燒結半導體及其它材料’ 一個或多個捧雜劑可經 由觸媒而加至電漿。見美國專利案號1 8 3 7.0 0 3 3，此案併 入本文中作爲參考。觸媒可包括其本身的掺雜劑，或者， 其可包括一前導材料，在分解之後，此前導材料可形成此 掺雜。因此，電漿觸媒可以想要比率包括一個或多個添加 劑與一個或多個導電材料，依據電漿的最終想要合成物及 使用此電漿的過程而定。 導電成份對被動電漿觸媒中的添加劑的比可隨著正被 消耗的時間而改變。例如，於點燃期間，電漿觸媒可合意 地包括一相對大百分比的導電成份，爲改善點燃條件。另 一方面，如果使用在維持電漿的時候，觸媒可包括相對大 百分比的導電添加物。熟習此些技藝者而言將領會到，使 用來點燃及維持電漿的電漿觸媒的成份比可以是相同的。 於本發明的某些實施例中，一預定電漿觸媒比率曲線 可被使用。於某些習知電漿過程中，電漿內的成份係視需 要而加入，而此種添加通常需要可程式化儀器依據一預定 時間表來加入某些成份。然而，依據本發明，觸媒中的成 份的比可被改變，因此，其本身電漿中的成份的比可自動 地改變。亦即，在任何特別時間電漿中的成份的比可依據 觸媒的哪一部份目前正被電漿而消耗。因此，觸媒成份比 可以不同在觸媒內的不同位置。且，電漿中的成份的比可 依據觸媒目則及/或先前消耗的部，特別當氣體通過電發 •14- (12) 200421487 室的流率係相當慢時。 依據本發明的被動電漿觸媒可以是同質、異質或 的。且，電漿觸媒成份比可連續或不連續而改變通過 。例如，於圖2中，成份比可平順改變，其形成一比 度沿著觸媒1 0 0的長度。因此，觸媒1 0 0可包括一般 ’其包括一相當低濃度的一個或多個成份在段1 05， 向段1 1 0的連續增加濃度。 替代地，如圖3所示，此比可不連續地改變於 1 2 0的每一部，其包括例如，具有不同濃度的交替段 及1 3 0。將領會到，觸媒1 2 0可具有兩個以上的段型 此’正由電漿消耗的觸媒成份可以任何預定方式而改 於一個實施例中，當電漿被監視且一特別添加物被檢 時’進一步的處理可自動起始或終止。 改變調製或維持電漿中成份的比之另一方式係藉 入具有不同成份比之多觸媒在不同時間或不同速率。 ’多觸媒可被導入腔內的大約相同位置或不同位置。 入在不同位置時，形成於腔內的電漿可具有由各種觸 位置所決定之成份濃度梯度。因此，自動化系統可包 使可消耗電漿觸媒在點燃、調製及/或維持電漿之前 地插入之裝置。 依據本發明的被動電漿觸媒亦可被塗層。於一個 例中’觸媒可包括一實質地非導電塗層，其沉積在一 地導電材料的表面上。替代地，此觸媒可包括一實質 電塗層’其沉積在實質地非導電材料的表面上。圖4 分級 觸媒 率梯 材料 及朝 觸媒 125 。因 〇 測到 由導 例如 當導 媒的 括致 機械 實施 實質 地導 及5 -15- (13) 200421487 例如，顯示包括：底層1 4 5及塗層1 5 0的_ 個實施例中，包括一碳核心的電漿觸媒係以 防止碳的氧化。 單電漿觸媒亦可包括多塗層。如果塗層 的接觸期間內而消耗的，塗層可依序地自外 層而導入電漿內，藉此產生一延時釋放機構 層的電漿觸媒可包括任何數量的材料，只要 係至少半導電性。 依據本發明的另一實施例，電漿觸媒可 射腔內，以經由觸媒而實質地減少或防止輻 以此方式，電漿觸媒不會與含有此腔的槽而 連接，或連接至腔外側的任何導電物體。此 燃口，且，如果電漿被維持於點燃及可能在 輻射洩漏在腔外側。於一個實施例中，觸媒 地非導電延伸器的尖端，此延伸器延伸穿過 圖6例如，顯示輻射室1 60，其中電漿 。電漿觸媒170可被延長，且可延伸穿過點 圖7所示，且依據本發明，觸媒1 7 0可包 180 (其置於室160然而可延伸入室160) 1 8 5 (其實質地置於室1 60外側）。此架構 部1 80及室1 60間的電連接（例如，火花） 於另一實施例中，圖8顯示，觸媒可 190而形成，且機械地連接至數個非導電段 施例中，觸媒可延伸穿過腔內側的點及腔外 i維1 4 0。於一 鎳而塗覆，以 係於具有電漿 塗層至最內塗 。因此，一塗 觸媒的一部份 進入位於一輻 射能量洩漏。 電氣或磁性地 防止火花在點 其之後，防止 可位在一實質 一點燃口。 腔1 6 5被置入 燃口 1 7 5。如 括導電末端部 ，且非導電部 防止導電末端 〇 由數個導電段 1 9 5。於此實 側的另一點間 -16- (14) (14)200421487 之點燃口 ’然而不電連續的曲線顯著地防止火花及能量洩 漏。 作爲上述的被動電漿觸媒的替代例，主動的電漿觸媒 可被使用符合本發明。使用符合本發明的主動觸媒而形成 一燒結電漿的方法可包括，使腔中的氣體受到具有小於約 3 3 3 GHz的頻率之磁電輻射於主動電漿觸媒的存在中，此 主動電漿觸媒產生或包括至少一離子化顆粒或離子化輻射 。將領會到’被動及主動電漿觸媒兩者可被使用於相同燒 結過程。 依據本發明之主動電漿觸媒可以是任何特別或高能量 波包封’其能夠轉移一足夠量的能量至一氣態原子或分子 ’以自氣態原子或分子移除至少一個電子於磁電輻射的存 在中。依據來源而定，離子化輻射及/或顆粒可以聚焦或 平行光束的形式而導入腔中，或它們可被噴洒、噴出、濺 射或以不同方式導入。 例如，圖9顯示將輻射導入室20 5的輻射源200。電 漿腔2 1 0可位於室205的內側，且可允許氣體經由口 2 1 5 及216而流動穿過於其中。源220將離子化顆粒及/或輻 射225導入腔210。源220可保護免受由輻射源200所提 供的輻射，及例如，藉由一金屬（metallic )網自其形成 的電漿，此金屬網允許離子化顆粒通過，而遮蔽源220免 受輻射。如果需要的話，源220可被水卻。 依據本發明的離子化輻射及/或顆粒的實例可包括： X 射線、7 ( g a m m a )輻射、a ( a 1 p h a )粒子、石（b e t a -17- (15) (15)200421487 )粒子、中子、質子及其任何混合物。因此，離子化顆粒 觸媒可帶電（例如，來自離子源的離子）或不帶電，且可 以是放射分裂過程的產物。於一個實施例，其中形成有電 漿腔的槽可整個或部份傳輸至離子化顆粒觸媒。因此，當 一幅射分裂源位於腔外側時，此源可導引分裂產物通過槽 以點燃電漿。輻射分裂源可位於輻射室內側，以實質地防 止分裂產物（亦即，離子化顆粒觸媒）產生一安全顧慮。 於另一貫施例中’離子化顆粒可以是一自由電子，然 而需要被射出於一放射哀減過程。例如，電子可藉由激勵 一電子源而導入腔（諸如金屬），使得電子具有足夠能量 來脫離源。電子源可位於腔內側，鄰接此腔，或甚至於腔 壁。熟習此些技藝者將領會到，電子源的任何混合物係可 能的。產生電子的一般方法係加熱一金屬，且，此些電子 可藉由施加一電場而更加地加速。 除了電子之外，自由活躍質子亦可使用來催化電漿。 於一個實施例中，自由質子可藉由離子化氫而產生，且， 選擇性地，以電場加速。 多模式輻射觸媒 輻射波導、腔或室可設計來支持或促使至少一磁電輻 射模式的傳播。如在此使用的，用辭“模式”係關於任何不 動或傳播的磁電波的特定形式，滿意馬克士威方程式（ M a X w e 11 ’ s e q u a t i ο n s )及此腔的可應用邊界條件。於腔的 波導中，此模可以是傳播或不動磁電場的各種可能圖案的 -18- (16) 200421487 任何一者。每一模式的特徵在於其電場的頻率及 或磁場向量。一模式的磁電場圖案依據頻率、折 電常數及波導或腔幾何而定。 橫向電場（TE )模式係其電場向量垂直至 向的一種模式。同樣的，橫向磁場（TM )模式 向量垂直至傳播的方向的一種模式。橫向電及磁 )模式係其電及磁場向量兩者垂直至傳播的方向 式。中空金屬波導通常不會支持輻射傳播的正常 式。即使輻射表現出沿著波導的長度而行進，其 折射波導的內壁在某些角度。在此，依據傳播模 (例如，微波輻射）可具有一些電場成份或某些 沿著波導的軸（通常稱爲Z軸）。 腔或波導內側的實際場分佈係其中數模式的 一模式可以一個或多個下標而識別（例如，TE 10 通常表示在波導管有多少“半波，，容納於x及y方 此些技藝者將領會到，波導管可不同自自由空間 爲輻射藉由反射在距波導的內壁的某些角度而傳 側。於某些例子中，第三下標可被加入以界定沿 動波圖案中的半波的數量。 用於一指定輻射頻率，波導的尺寸可被選擇 使得其可支持一單傳播模式。於此種例子中，此 單模式系統（亦即，單模式操作器）。TEl()模式 導於一矩形單模式波導。 當波導（或連接波導的腔）的尺寸大時，波 偏振及/ 射率或介 傳播的方 係其磁場 場（TEM 的一種模 TEM模 可能不會 式，輻射 磁場成份 重疊。每 )。下標 向。熟習 導管，因 播導管內 著z _軸不 足夠小， 系統彳冉爲 通常係主 導或操作 -19- (17) (17)200421487 器有時可支持形成一多模式系統之附加更高階模式。當許 多模式能夠同時被支持時，此系統通常參考高度模式化。 簡單的，單模式系統具有一場分佈，其包括至少一者 最大値及/或最小値。最大値的大小非常依賴支持此系統 的輻射量。因此，單模式系統的場分佈係強力變化且實質 地不均勻。 不像單模式腔，多模式腔可同時支持數個傳播模式， 其在重疊時導致一混合場分佈圖案。以此種圖案，場傾向 空間污染，且，因此，場分佈通常不會顯示相同型的穩重 最小及最大場値於此腔內。再者，如以下更完全地說明， 一模式混合器可使用來“攪拌”或“重新分佈”模式（例如， 藉由一輻射反射器的機械移動）。此重新分佈合意地提供 一更均勻時間平均場分佈於此腔內。 依據本發明之多模式燒結處理腔可支持至少兩個模式 ，且可支持超過兩個模式以上。每一模式具有一最大電場 向量。雖然可能有兩個或更多模式，一個模式可被主導的 ，且可具有一最大電場向量大小，此向量大小大於其它模 式。如於此使用的，多模式腔可以是任何腔，其中第一及 第二模式大小間的比係小於1 : I 〇，或小於1 : 5，或甚至 小於約1 : 2。熟習此些技藝者將領會到，比率越小，模 式間的電場能量分佈越大，且因此，腔中的輻射能量分佈 越大。 燒結處理腔內的電漿分佈可能非常依賴所施加輻射的 分佈。例如，於一純粹單模式系統，可能只有電場爲最大 -20- (18) (18)200421487 値的單一位置。因此，強的電漿可能僅形成在此單一位置 。於許多應用中’此種強的局部化電漿可能不合意地導致 非均句電發處理或加熱（亦即，局部化過熱及不夠熱）。 單模式或多模式燒結處理腔是否被使用符合本發明， 熟習此些技藝者將領會到，其中形成有電漿的腔可完全關 閉或部份地開啓。例如，於某些應用中，諸如於電漿輔助 爐中’腔可完全關閉。例如，，見美國專利案號！ 8 3 7 . 〇 〇 2 〇 ’此案倂入本文中作爲參考。於其它應用中，然而，其可 合意地使一氣體流經此腔，因此，腔必須開啓至某些程度 。以此方式’流動氣體的流量、形式及壓力可隨時間而改 變。此可以是合意的，因爲促成電漿的形成的某些氣體， 諸如m ’係較容易點燃，然而於後續電漿處理可能不需要 模式混合 用於許多燒結應用，含有一實質地均勻電漿的腔係合 意的。因此，依據本發明的一個形態，輻射模式於多模式 腔中可被混合，或重新分佈，在一段期間內，以提供一更 均勻輻射場分佈。因爲腔內的場分佈必須滿足由腔的內表 面所設定的所有邊界條件，此些場分佈可藉由改變此內表 面的任何部的位置而變化。 於依據本發明的一個實施例中，一可移動反射表面可 位於燒結腔內側。反射表面的形狀及運動可整體地變化腔 的內表面的反射特性於運動期間。例如，一 L型金屬物體 -21 - (19) (19)200421487 (亦即，“模式混合器”）在繞著任何軸而旋轉時將改變腔 中反射表面的位置或方位，因此，改變其中輻射分佈。任 何其它不對稱形狀的物體亦可被使用（當旋轉時），然而 對稱形狀的物體亦可作用，只要相對運動（例如，旋轉、 平移或兩者的混合體）造成某些改變於反射表面的位置或 方位。於一個實施例中，模式混合器可以是一汽缸，其可 繞著不是汽缸的縱軸的軸而旋轉。 多模式燒結腔的每一模式可具有至少一者最大電場向 量，而此些向量的每一者可能週期性地發生超過腔的內尺 寸。通常，此些値被固定，假設輻射的頻率不會改變。然 而’藉由移動一模式混合器使得其與輻射相互作用，這是 可能移動最大値的位置。例如，模式混合器3 8可被使用 來最佳化燒結腔1 2內的場分佈，使得電漿點燃條件及/ 或電漿維持條件被最佳化。因此，一旦電漿被激勵，模式 混合器的位置可被改變以移動一均勻時間平均電漿處理的 最大値的位置（例如，燒結）。 因此’依據本發明，模式混合可有用的於電漿點燃。 例如’當導電纖維被使用作爲電漿觸媒，眾所周知地，纖 維的方位可強力地影響最小電漿點燃條件。當此種纖維係 定位在大於60度的角度相對於電場時，觸媒幾乎不會改 善或減輕此些條件。藉由移動一反射表面於或接近燒結腔 ’然而，電場分佈可以是顯著的改變。 模式混合亦可經由例如，一旋轉波導接頭而將輻射導 入操作器室而達到，旋轉波導接頭可安裝操作器室內側。 -22- (20) (20)200421487 旋轉接頭可機械地移動（例如，旋轉），以有效地於不同 方向將輻射導入輻射室內。 模式混合亦可經由一撓性波導而將輻射導入輻射室而 予以達到。於一個實施例中，波導可安裝於室內側。於另 一實施例中，波導可延伸入室中。撓性波導的端部的位置 可連續地或週期性地移動（例如，彎曲）以任何適當方式 ，以將輻射（例如，微波輻射）導入室中在不同方向及/ 或位置。此移動亦可導致模式混合，且促使更均勻電漿處 理（例如，燒結）在時間平均基礎上。替代地，此移動可 使用來最佳化電漿的位置用於點燃或其它電漿輔助處理。 如果撓性波導係矩形，例如，波導的開口端的簡單扭 曲將旋轉操作器室內側的輻射中之電及磁場向量的方位。 然後’波導的週期性扭曲可導致模式混合以及旋轉電場， 其可使用來輔助電漿的點燃、調製或維持。 因此’甚至於觸媒的起始方位係垂直至電場，電場向 量的更改方向可改變無效方位至一更有效方位。熟習此些 技藝者將領會到，模式混合可以是連續地、週期性或預先 規劃的。 除了電漿點燃之外，模式混合可使用於後續燒結過程 ’及其它類型的電漿處理，以減小或產生（例如，調整） 於室中的“熱點”。當一腔僅維持一小量的模式時（例如， 小於5 )’ 一個或多個局部化電場混合値可導致“熱點”（ 例如’於腔1 2內）。於一個實施例中，此些熱點可被架 構而與一個或更多分開然而同時的電漿點燃或燒結項目一 -23- (21) (21)200421487 致。因此，電漿觸媒可位於此些點燃或後續電漿處理位置 的一個或更多個。 多位置點燃 燒結電漿可在不同位置使用多電漿觸媒而點燃。於一 個實施例中，多纖維可在腔內的不同點而使用來點燃電漿 。當均勻電漿點燃被需要時，此種多點點燃可以是特別有 利。例如，當電漿係調製在一高頻（亦即，數十赫次或更 高）或點燃於一相當大容積中、或兩者時，電漿的實質均 勻的同時衝擊及再衝擊可被改善。替代地，當電漿觸媒係 使用在多點時，藉由在此些不同位置而選擇性地導入一觸 媒’它們可使用來連續地點燃一燒結電漿在電漿室內的不 同位置。以此方式，燒結電漿點燃梯度可控制形成於腔內 ，若需要的話。 而且，於多模式燒結腔中，在腔中的多模式位置之觸 媒的隨意分佈可增加以下的可能性，亦即，符合本發明之 纖維的至少一者或任何其它被動電漿觸媒係最佳地以電場 線而定位。且，甚致觸媒未最佳定位時（未此電場線實質 地對齊），點燃條件被改善。 更者，因爲觸媒粉末可懸浮於氣體中，其被認爲，每 一粉末顆粒可能具有係配置在腔內的不同物理位置的功效 ，藉此改善燒結腔內的點燃均勻性。 雙腔電漿點燃/維持 -24- (22) (22)200421487 雙腔配置可使用來點燃及維持浮合本發明的電漿。於 一個實施例中，一系統包括至少點燃腔及與此點燃腔液體 相通的燒結腔。爲點燃電漿，點燃腔中的氣體可受到具有 小於約3 3 3 GH z的頻率的磁電輻射，最佳地於電漿觸媒的 存在下。以此方式，點燃及燒結腔的鄰接可使形成於點燃 腔的電漿點燃燒結腔中的燒結電漿，其可以附加的磁電輻 射而調製或維持。 於本發明的一個實施例中，點燃腔可以是非常小的， 且主要或單獨地設計用於電漿點燃。以此方式，極少的微 波能量可被需要來點燃電漿，允許較容易的點燃，尤其當 電漿觸媒係使用符合本發明時。 於一個實施例中，點燃腔可以是一實質地單模式腔， 且’燒結腔可以是一多模式腔。當點燃腔僅維持單模式時 ’電場分佈可能強力地於腔內，其形成一個或多個精確定 位的電場最大値。此種最大値通常係電漿點燃的第一位置 ，致使它們成爲用來配置電漿觸媒的理想點。將領會到， 然而，當電漿觸媒被使用時，其不需置於最大値的電場， 且’在很多例子中，不需定位於任何特別方向。 示範性燒結處理 依據本發明，可提供一種燒結一物體（例如，緊密或 其它粉末金屬件）的方法，其包括至少一粉末材料成份。 於本發明的示範性實施例中，一燒結電漿可被起始於一腔 內’如上述，其藉由使圖1的氣體源24供應的氣體受到 -25- (23) (23)200421487 圖1的輻射源26供應的輻射於電漿觸媒的存在中。電漿 點燃可發生於腔1 2內，其可被形成於位於室內側（亦即 ，操作器）1 4的槽。電漿源氣體可經由使用來起始電漿 的輻射而實質地同時或在不同時間供應至腔。 因此，依據本發明的燒結電漿可使用一電漿觸媒而起 始。雖然燒結電漿可被起始而不需使用電漿觸媒，符合本 發明之被動或主動電漿觸媒的存在可降低點燃、調製或維 持燒結電漿所需的輻射能量密度。此降低致使以具有相當 低量的輻射能量的控制方式來產生電漿，當物體的敏感部 曝露至燒結電漿時，輻射能量可以是特別有效。於一個實 施例中，燒結電漿可使用約l〇W/cm3以下或約5W/cm3以 下的時間平均輻射能量而點燃。有利地，電漿點燃可被達 到在此些相當低能量密度而無需使用真空設備。 除了點燃之外，電漿觸媒的使用可促使在電漿輔助燒 結處理的任何部上之控制。特別地，因爲電漿可以是包括 微波輻射的磁電輻射的有效吸收器，使用來起始此燒結電 漿的任何輻射可由電漿大部份且立即吸收。因此，導入燒 結腔的輻射能量可較少受到反射在產生電漿的早期階段。 結果，電漿觸媒可被使用來增加控制在曝露至電漿的物體 的加熱速度、物體的溫度或任何其它電漿輔助處理上。 電漿觸媒的使用亦可致使燒結電漿的起始在包括小於 等於或大於大氣壓力的壓力之壓力的寬範圍上。因此，依 據本發明之燒結電漿可被點燃、調製及維持不僅於真空環 境，其中總壓力係小於大氣壓力，而且在等於或大於大氣 -26- (24) (24)200421487 壓力的壓力。 被彳隹化的電發溫度可精確控制以符合本發明。例如， 溫度可藉由變化供應至電漿的輻射量而控制的。因爲來自 電漿的熱可有效地轉移至物體，將被燒結的物體的溫度可 藉由控制電漿的溫度及物體與電漿間的曝露程度而準確地 改變。例如，於依據本發明之燒結處理，電漿可被使用來 鄰接物體的溫度至一預定燒結溫度，諸如藉由改變模式混 合器的位置，或改變氣體流經燒結腔的速度。 能量可在任何想要的速度自電漿轉移至一物體。例如 ’ 一物體的加熱速度可由降低供應至電漿的輻射及/或藉 由限制物體與電漿間的曝露量而降低（例如，經由模式混 合、調製等）。藉由增加輻射能量位準及/或電漿曝露量 ’然而，物體的溫度增加速度可被增加。例如，於某些實 施例中，曝露電漿的物體的至少一部可被加熱在至少每分 鐘攝氏400度的速度。 物體的溫度亦可藉由調整曝露至電獎的物體的總表面 積的百分比而控制。物體對電漿的曝露可被維持達任一期 間，此期間足以燒結物體的粉末材料成份的至少一部。曝 露時間可被改變以影響燒結物體的特性。例如，較長的曝 露時間可使更完全的燒結，且因此，更緊密的物體。 本發明的電漿輔助燒結亦可使用來燒結包括超過一粉 末材料成份的物體。此種物體藉由曝露物體燒結電漿而燒 結的，直到其溫度達到任一粉末材料成份的熔化溫度。於 某些實施例中，物體可以是液相，其藉由加熱此物體至此 -27- (25) (25)200421487 物體的粉末材料成份的至少一者的熔化溫度以上之溫度。 因此，來自金屬粉末材料成份之液相的存在可促使燒結在 某些實施例。將領會到，粉末材料成份可包括金屬、陶瓷 、礦石、鹽、合金、砂、銘、鎢、碳、鐵、含氧化合物、 含氮化合物及任何混合物等。 依據本發明的電漿輔助燒結方法，物體可被均勻燒結 ，或可受到一非均勻燒結圖案。於一個實施例中，燒結腔 可包括具有一個或更多表面形狀的內面。於曝露至電漿的 期間，一燒結圖案可基於此些表面形狀而形成在燒結物體 上。 例如，電漿燒結腔的內部上之表面形狀可藉由有效地 遮蔽物體的某些區免受燒結電漿而影響燒結。如先前所述 ，腔1 2中的輻射的模式的數量或階可依據腔的尺寸或架 構而定。腔1 2內將被燒結的物體的存在亦可影響腔內的 輻射的模式中的場分佈。磁電輻射在金屬物體上的法向入 射之邊界條件要求，在表面的電場爲零，且，第一最大値 發生在四分之波導距物體的表面的距離。因此，如果金屬 物體的表面及腔的內壁間的間隙係小於約輻射的梯度波導 ，極少或無燒結電漿可被維持於此些區域中，且，滿足此 條件之物體的區可受到極少或無燒結。此些“遮蔽”表面區 可經由物體的位置而設置於腔1 2內，其藉由架構腔1 2的 壁，或由任何其它適當方法用來控制物體的表面及腔壁間 的距離。 爲了產生或保持一實質均勻時間平均輻射場分佈於腔 -28- (26) (26)200421487 12內’模式混合器3 8可以提供如圖1所示。替代地，或 附代地，物體可在曝露至電漿的同時相對於電漿而移動。 此種運動可提供物體的所有表面區的更均勻曝露給電漿， 其可使物體的更均勻加熱，或可有助於比其它區更快速加 熱物體的某些區。 一電位偏振可被施加至物體於依據本發明之電漿輔助 燒結處理期間。此種電位偏振可藉由吸引電漿對物體的帶 電離子而促使物體的加熱。此種吸引可促進電漿在物體上 的均勻覆蓋，且有助於物體的更均勻加熱。施加至物體的 電位偏振可以是例如，AC偏振、DC偏振或脈衝DC偏振 。偏振的大小可依據特別應用而選擇。例如，電壓的大小 可在0.1伏至100伏特的範圍，或在數百伏特，依據離子 化種類的吸引的想要速度而定。再者，偏振可以是正或負 。除了電位偏振外，磁場源可相對於物體而定位，以施加 一磁場至物體於電漿輔助燒結期間。 熟習此些技藝者將領會到，依據本發明的電漿輔助燒 結方法不需發生在一腔內。更明確地，形成於腔的燒結電 漿可以電漿噴射的形式流經一孔，例如，且使用於腔外以 加熱定位鄰接此孔的物體。 圖1 〇顯示用於形成一燒結電漿噴射之簡說的裝置 6 5 0，用來燒結物體以符合本發明。裝置6 5 〇可包括其中 可形成有腔655的槽657，及用來導入氣體至腔655的氣 體源（未顯示）。腔655可包括形成於腔壁665的至少一 個孔660。用於導入磁電輻射至腔6 5 5之磁電輻射源及用 -29- (27) 200421487 於弛緩電漿點燃、調製及維持狀態之電漿觸媒亦可被 ’雖然它們不是需要，且未顯示於圖1 〇。用於形成 噴射之附加方法及裝置係說明於美國專利案號1 83 7. 依據本發明，腔65 5可包括可鄰接孔660之導電 質地防熱內表面670、面向表面670之導電表面675 施加一電位差在表面6 7 0及6 7 5間之電壓源6 8 0。磁 亦可藉由使一電流通過線圈繞組676而施加至電漿， 繞組676可外接或內接至槽65 7。 用於形成電漿噴射6 8 5在孔660之方法亦可被提 此方法可包括（1 )使氣體流入腔65 5，（ 2 )來自氣 電漿690形成於腔6 5 5，（ 3 )致使電漿690的至少 自腔6 5 5經由孔660而通過，使得電漿噴射6 8 5係形 接孔660的腔6 5 5外側，及（4 )施加一電位在表面 與6 7 5及/或使一電流通過線圈6 76。 表面670與675間的電位的應用可使電漿690接 電顆粒而移動朝向孔660。表面67 0與6 75可配置 657上或與其整體形成。替代地，表面670與675可 自槽65 7的內表面。於此例中，此些表面可以是板狀 狀，其係懸掛或安裝於腔65 5。替代地，表面6 7 0與 可以是碟狀或環狀或任何其它部件，其具有架構來使 電漿腔6 5 5的方便形狀。 磁場Η可藉由使一電流通過線圈676而產生的 施加電漿690。磁場可施加一撓曲力在帶電顆粒，帶 包括 電漿 .0025 且實 及可 場Η 線圈 供。 體的 一部 成鄰 670 達帶 在槽 分離 或網 675 用於 ，且 電顆 -30- (28) (28)200421487 粒試著垂直至磁場而移動。因此，電漿中的帶電顆粒將較 不能夠徑向向外移動（亦即，垂直至線圈6 7 6的縱軸）， 結果，接近線圈6 7 6的腔6 5 5的內表面將較少被加熱。再 者，因爲電漿將傾向沿著線圈676的縱軸而形成，一更熱 且更有效的電漿噴射可被形成。 電位可被施加在表面6 7 0與6 7 5之間於任何時間，包 括在電漿690形成之前、在電漿690形成時、及在電漿 690形成之後，雖然當電位被施加且電漿被形成於腔655 時，（亦即，當電漿正被調製或維持時）主要利益可產生 。且，磁場Η可被施加在任何時間，包括在電漿形成之 前、同時或之後。結果，一個或更多電漿特性（例如，物 理形狀、密度等）可藉由施加一電位在表面670與6 7 5及 一電流通過線圈6 7 6之間而變化。 電位差可使表面67 0比表面67 5更正或更負。於一個 實施例中，於電漿690內原子及分子的帶正電離子可藉由 施加一相對負電位至表面6 7 0而吸引朝向表面670。因爲 被負表面670吸引的正離子將轉移至少部份的動能至表面 6 7 0，表面6 7 0可以可承受相當高問（例如，華氏1 〇 〇 0度 以上）的材料而製成。於一個實施例中，此表面可包括導 電的鉬。 於另一實施例中，表面670可包括兩個或更多層。面 向或接觸電漿690的外層於操作期間可被選擇以承受非常 高溫（雖然不需導電）。最下層可以是導電’而不需能夠 承受非常高溫。附加層可同樣地使用來加強抗熱性及/或 -31 - (29) (29) 200421487 其導電性。 電位亦可施加在槽6 5 7上，且工作件6 8 1可位於腔 6 5 5外側，以接達電漿6 9 0通過孔6 6 0朝向工作件6 8 1的 表面。當一足夠電流流過工作件時，工作件的溫度可經由 電阻加熱以及衝擊工作件之帶電顆粒的動能而增加的。 除了燒結外’本發明的電漿可被使用於在燒結處理之 前、同時或之後所實施之處理。亦即，在燒結處理之前、 同時或之後，加工材料的源可被供應至電漿。由曝露物體 至電漿，物體可受到使用加工材料的處理。例如，於一個 實施例中，加工材料可包括碳，且，處理可包含碳化。於 碳化期間’部份供應至電漿的碳可滲入物體的表面。於另 一實施例中，加工材料可包括氮，且，處理可包含氮化。 於氮化期間’部份供應至電漿的氮可滲入物體的表面。碳 化及氮化兩者可致使一固化的表面層形成在物體上。 再者’依據本發明的電漿可被使用來在燒結的之前、 同時或之後而沉積一塗層在物體的表面上。於一個實施例 中，一塗覆材料可被供應至電漿。此材料可分離及/或散 佈於電漿內。由曝露此物體至含有此塗覆材料的電漿，部 份的塗覆材料可被沉積在物體的表面上。可被配置在物體 上的塗層可包括碳化鎢、氮化鎢、碳化氧、氮化鉅、氧化 鉅、氧化鈦、氮化鈦、氧化矽、碳化矽、氮化矽、氧化鋁 、氮化鋁、碳化鋁、氮化硼、碳化硼、氧化硼、磷化鎵、 磷化鋁、氧化鉻、氧化錫、氧化釔、氧化鉻、矽鍺、氧化 銦鍺、砷化銦鍺、鋁化銦鍺、硼、鉻、鎵、鍺、銦、磷、 - 32- (30) (30)200421487 鎂、矽、鉅、錫、鈦、鎢、釔及鉻的至少一者。 仍有其它過程可結合本發明的燒結處理而實施的。例 如’在燒結之後，電漿可被使用來熱處理物體。此種熱處 理可改變燒結部件的一個或多個特性（例如，硬度、延性 、粒子大小等）。 於前述的實施例中，爲了簡化本揭示的目的，各種特 徵係一起結合於單一實施例。在此所揭示的方法將不被解 釋爲，所主張的發明比各請求項目需要更多的特徵。更明 確地，如以下申請專利範圍，本發明形態在於少於單一前 述揭示的實施例的所有特徵。因此，以下申請專利範圍藉 此倂入此實施例的詳細說明，其中每一請求項依據本發明 的一分開的較佳實施例。 【圖式簡單說明】 圖1顯示依據本發明之電漿輔助燒結系統的示意圖； 圖1A顯示用來將一粉末電發觸媒加至一電獎腔之電 獎輔助燒結系統的一部份的解說實施例，用來點燃、調製 或維持電漿於依據本發明的腔中； 圖2顯示依據本發明之具有至少一成份的解說電漿觸 媒纖維，該成份具有一濃度梯度沿著其長度； 圖3顯示依據本發明之解說電漿觸媒纖維，其具有多 成份在沿著其長度而變化的比； 圖4顯示另一電漿觸媒纖維，其包括一核心底層及依 據本發明的塗層； -33- (31) (31)200421487 圖5顯示依據本發明之圖4的電漿觸媒纖維的橫截面 圖，其截取自圖4的線5 - 5 ; 圖6顯示依據本發明之電漿系統的另一部份的解說實 施例，其包括延伸穿過點燃口之伸長電漿觸媒； 圖7顯示依據本發明之伸長電漿觸媒的解說實施例’ 其可使用於圖6的系統中； 圖8顯示依據本發明之伸長電漿觸媒的另一解說實施 例’其可使用於圖6的系統； 圖9顯示依據本發明之電漿燒結系統的一部份的解說 實施例用來將輻射引入一電漿室中；及 圖1 〇顯示依據本發明的解說電漿噴射裝置。 主要元件對照表 TE 橫 向 電 場 TM 橫 向 磁 場 TEM 橫 向 電 及 磁 場 10 電 漿 燒 結 系 統 12 腔 14 輻 室 ( 塗 敷 器） 20 管 線 22 控 制 閥 24 氣 體 源 26 輻 射 源 28 電 源 供 應 -34- (32)200421487 3 0 32 34 3 6 3 8 40 42 44 52 55 60 65 70 7 5 100 105 110 120 125 、 130 140 145 150 160 165 波導 循環器 微調器 馬達 模式混合器 窗 溫度感測器 控制器 輻射源 腔 電漿腔 粉末源 觸媒粉末 氣流 觸媒 段 段 觸媒 交替段 纖維 底層 塗層 輻射室 電漿腔 -35- (33)200421487 1 70 175 180 1 85 190 195 200 205 2 10 2 1 5、2 1 6 220 225 650 655 657 660 665 670 675 676 680 68 1 685 690 電漿觸媒 點燃口 導電末端部 非導電部 導電段 非導電段 輻射源 室 電漿腔 □ 源 輻射 裝置 腔 槽 孔 腔壁 防熱內表面 導電表面 線圈繞組 電壓源 工作件 電漿噴射 電漿 -36-

Claims (1)

1. 200421487 (1) 拾、申請專利範圍 1 ·—種電漿輔助燒結的方法，用來燒結包括至少一粉 末材料成份的物體，該方法包含： 於電漿觸媒的存在中，使第一腔中的氣體受到具有小 於3 3 3 GHz的頻率之磁電輻射，以起動第一腔中的電漿； 及 使物體的至少一部份曝露至電漿，達足以燒結該至少 一粉末材料成份的至少一部份之一段時間。 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中電漿觸媒包括 :被動電漿觸媒及主動電漿觸媒的至少一者。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中電漿觸媒包括 :粉末碳、碳奈米管、碳奈米顆粒、碳纖維、石墨、固態 碳及其任何混合物的至少一者。 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中電漿觸媒包括 :X射線、7 射、α粒子、Θ粒子、中子、質子及其任 何混合物。 5 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中電漿觸媒包括 :電子及離子的至少一者。 6·如申請專利範圔第1項之方法，其中電漿觸媒包括 :金、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚合物 '導電矽 土彈性體、聚合物、奈米複合物、有機/無機複合物及其 任何混合物。 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，另包含··將物體的 該部份置於一位置，該位置選自第一腔內且鄰接第一腔中 -37- (2) (2)200421487 的孔。 8 ·如申請專利範圍第7項之方法，其中起始化發生於 胃一腔，於具有至少7 60陶爾（Torr)的起始壓力位準之 氣態環境。 9 ·如申請專利範圍第丨項之方法，其中·該曝露造成物 體的該至少一部份的加熱，該加熱進行在每分鐘至少攝氏 4 〇〇度的速度，直到物體的該部份達到不大於該至少一粉 末材料成份的金屬溫度之溫度。 1 〇 ·如申請專利範圍第1項之方法，貪中該物體包括 多粉末材料成份’且，其中該曝露使物體的該至少一部份 的加熱，該加熱進行在每分鐘至少4 〇 〇度的速度，直到物 體的該部達到高至該多粉末材料成份的任何一者的金屬溫 度之溫度。 1 1 .如申請專利範圍第1項之方法，另包含使氣體流 經第一腔。 1 2 .如申請專利範圍第1項之方法，另包含藉由使附 加的輻射導入第一腔而維持該電漿。 1 3 .如申請專利範圍第112項之方法，另包含模式混合 該附加的輻射。 1 4 ·如申請專利範圍第1項之方法，另包含於曝露期 間相對於電發而移動物體。 15.如申請專利範圍第1項之方法，其中該粉末材料 成份包含一材料選擇自一群組，其包括金屬、陶瓷、礦石 、鹽、合金、矽、鋁、鎢、碳、鐵、含氧化合物、含氮化 -38 - (3) (3)200421487 合物及其任何混合物等。 1 6 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一腔具 有至少一個表面特徵之內部表面，其中該曝露包含基於該 至少一個表面特徵而形成一燒結圖案在物體上。 1 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中第一腔係經 由一導管而連接至第二腔，該方法另包含： 將該物體置於第二腔； 於曝露期間將電漿維持於第一腔；及 形成一電漿噴射於位在導管的第二腔，藉此允許該曝 露發生於第二腔。 1 8 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一腔係 形成於具有一孔的槽，該方法另包含： 將該物體置於接近該孔的第一腔外側； 於曝露期間將電漿維持於第一腔；及 位在孔而形成一電漿噴射，藉此允許該曝露發生於第 一腔外側。 1 9 ·如申請專利範圍第1項之方法，另包含： 供應一加工材料源至電漿，及 使該物體受到使用該加工材料的處理。 2 〇 ·如申請專利範圍第1 9項之方法，其中該加工材料 包括碳，且，該處理包含碳化。 2 1 ·如申請專利範圍第1 9項之方法，其中該加工材料 包括氮，且，該處理包含氮化。 22·如申請專利範圍第19項之方法，另包含·· -39- (4) (4)200421487 供應一塗覆材料至電漿，及 沉積一塗層在物體上。 2 3 ·如申請專利範圍第2 2項之方法，其中該塗層包括 :碳化鎢、氣化鎢、碳化氧、氮化鉬、氧化鉬、氧化欽' 氮化鈦、氧化矽、碳化矽、氮化矽 '氧化鋁、氮化鋁、碳 化鋁、氮化硼、碳化硼、氧化硼、磷化鎵、磷化鋁、氧化 鉻、氧化錫、氧化釔、氧化鉻、矽鍺、氧化銦鍺、砷化銦 鍺、鋁化銦鍺、硼、鉻、鎵、鍺、銦、磷、鎂、矽、鉬、 錫、鈦、鎢、釔及锆的至少一者。 24·如申請專利範圍第22項之方法，其中使該物體受 到一處理及沉積一塗層在物體上的步驟的至少一者，係實 施於使該物體的至少一部曝露至電漿之位置。 2 5 · —種電漿輔助燒結的系統，用來燒結包括至少一 個©末材料成份之物體，該系統包含： 〜電漿觸媒； 〜槽，其中形成有第一腔，且，於電漿觸媒的存在中 ’一電漿可藉由使一氣體受到具有小於3 3 3 GHz的頻率之 磁電輻射的量而起始化，其中該槽具有致使該物體的至少 一部曝露至該電漿之形狀。 〜輻射源，連接至該腔使得該輻射源可輻射導入該腔 中；及 〜氣體源，連接至該腔使得一氣體可流入該腔於燒結 期間。 2 6 ·如申請專利範圍第2 5項之系統，其中該腔具有〜 •40- (5) 200421487 孔，一電漿噴射可形成在該孔。 2 7.如申請專利範圍第25項之系統，另包含： 一溫度感測器，用來監視物體的溫度；及 一控制器，調整輻射源的功率位準以回應物體的溫度

   2 8 .如申請專利範圍第2 7項之系統，其中該控制器被 程式化來控制輻射源的功率位準，使得物體的溫度實質地 符合一預定溫度輪廓。 2 9 ·如申請專利範圍第2 7項之系統，另包含一操作器 ，其包含該槽，其中該操作器係一多模式操作器。 3 0 ·如申請專利範圍第2 9項之系統，另包含模式混合 器，其可相對於該操作器而移動，致使該操作器的處理帶 中之時間平均輻射密度實質地均勻。 3 1 ·如申請專利範圍第2 7項之系統，另包含一電位偏 振源，架構來連接至該物體於燒結期間。

   3 2 ·如申請專利範圍第3 1項之系統，其中該電位偏振 源產生一 A C偏振。 3 3 ·如申請專利範圍第3 1項之系統，其中該電位偏振 源產生一 D C偏振。 34·如申請專利範圍第31項之系統，其中該電位偏振 源產生一脈衝D C偏振。 3 5.如申請專利範圍第27項之系統，另包含一磁場源 ，定位來施加一磁場至物體的該部於燒結期間。 3 6 .如申請專利範圍第2 9項之系統，其中該操作器包 -41 - (6) (6)200421487 括一外殼，其包含相對該輻射實質地不透明之材料。 3 7 .如申請專利範圍第3 6項之系統，其中操作势^ 該槽，其包含相對該輻射實質地透射之材料。 3 8 .如申請專利範圍第2 5項之系統，其中該簞將^ %〜職媒 包括被動電漿觸媒及主動電漿觸媒的至少一者。 3 9.如申請專利範圍第25項之系統，其中該電绩觸媒 包括粉末碳、碳奈米管、碳奈米顆粒、碳纖維、石墨、固 態碳及其任何混合物的至少一者。 4 〇 .如申請專利範圍第2 5項之系統，其中該電漿觸媒 包括：X射線、r輻射、α粒子、粒子、中子、質子及 其任何混合物。 4 1 ·如申請專利範圍第2 5項之系統，其中電漿觸媒包 括電子及離子的至少一者。 42·如申請專利範圍第25項之系統，其中該電漿觸媒 包括：金、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚合物、導 電砂土彈性體、聚合物、奈米複合物、有機/無機複合物 及其任何混合物。 -42 -