Numéro
Rev. Phys. Appl. (Paris)
Volume 15, Numéro 8, août 1980
Page(s) 1281 - 1301
DOI https://doi.org/10.1051/rphysap:019800015080128100
Rev. Phys. Appl. (Paris) 15, 1281-1301 (1980)
DOI: 10.1051/rphysap:019800015080128100

Utilisation industrielle actuelle et potentielle des plasmas : synthèses, traitement des poudres, traitements métallurgiques, traitements de surface

P. Fauchais

f Laboratoire de Thermodynamique, U.E.R. des Sciences, Université de Limoges, France


Abstract
After a brief historical description of the evolution of the uses of plasma during the last 20 years, we propose to recall summarily what is a plasma stating particularly the equilibrium concept and to describe briefly the different types of plasma used : arcs, high frequency, microwaves, corona discharges, glow discharges, ionic discharges and to indicate their main characteristics, their cost and the mass flow rates of products that can be treated. We will present then the problems that occur for the chemical reactions under plasma conditions : mixing of the reactants, quenching... either for the homogenous or heterogenous reactions. The surface treatments in plasma will be next treated : carburizing and nitriding, reactions with polymers, plasma etching, deposition and growth of organic and inorganic films, surface treatment by cathodic pulverization and ion plating. The last part of this paper, the most important, will be devoted to the industrial applications either actual or potential of plasma chemistry. We will start with the energetic problem before reviewing the applications that we will classify in function of the added value and of the quantity produced. About the actual industrial uses we will see successively for the mean added value products : spheroidization, remelting (batch or ingot melting), production of ultradispersed powders, spraying of various materials (oxides, carbides, borides, silicides, cermets, composites...) and for the high added value products : electronic circuits, surface treatment of organic and of inorganic substances, the application for metrology. At last we will examine the processes that are potentially usable in industry : first the products with a low or a mean added value : acetylene, nitric oxide, ferroalloys production, solar grade silicon production, complex ores processing and then the products with a mean or a high added value : spraying, surface treatments, treatments on natural materials (modification of adhesive properties, shrink proofing of wool and mohair...), optical fibers manufacture, selective synthesis.


Résumé
Après un bref historique de l'évolution de l'utilisation des plasmas au cours des 20 dernières années, nous nous proposons de rappeler sommairement ce qu'est un plasma en précisant notamment la notion d'équilibre et de décrire rapidement les différents types de plasmas utilisés ; arc électrique, haute fréquence, micro-ondes, décharges couronnes, décharges luminescentes, décharges ioniques en indiquant leurs caractéristiques principales, leurs coûts et les quantités de produits que l'on peut traiter. Nous présenterons alors les problèmes posés par les réactions chimiques en plasma en insistant sur le mélange des réactifs et sur la trempe, puis nous caractériserons les réactions en phase gazeuse et les réactions en phase hétérogène. Nous aborderons ensuite les traitements de surface en plasma : carburation et nitruration, traitement des surfaces polymériques, gravure par plasma, dépots de films organiques et inorganiques, traitements de surface par pulvérisation cathodique et ion plating. La dernière partie de cet exposé, de loin la plus importante, sera consacrée aux applications industrielles actuelles et potentielles de la chimie des plasmas. Nous commencerons par situer le problème énergétique dans la conjoncture actuelle avant de passer aux applications que nous classerons en fonction de la valeur ajoutée et du tonnage produit. Dans les applications déjà industrialisées, nous verrons successivement pour les produits à moyenne valeur ajoutée : la sphéroïdisation, la refusion (fours à sole et à lingots), la production des particules ultrafines (pigments en particulier), la projection de divers matériaux (oxydes, carbures, borures, siliciures, cermets, composites...) et pour les produits à forte valeur ajoutée : les circuits électroniques, les traitements de surfaces organiques et inorganiques, les applications dans le domaine de la métrologie. Enfin nous examinerons les procédés potentiellement industrialisables : tout d'abord les produits à moyenne valeur ajoutée : acétylène, oxydes d'azote, production des ferroalliages et du silicium solaire, valorisation des minerais, puis les produits à moyenne ou forte valeur ajoutée : projections, traitements de surface, amélioration de la qualité des fibres naturelles, fabrication des fibres optiques, synthèses sélectives.

PACS
0130R - Reviews and tutorial papers: resource letters.
5275 - Plasma devices and applications.
8115 - Methods of thin film deposition.
8120E - Powder techniques, compaction and sintering.
8140G - Other heat and thermomechanical treatments.
8160 - Corrosion, oxidation, etching, and other surface treatments.

Key words
etching -- plasma applications -- powder metallurgy -- quenching thermal -- reviews -- spray coating techniques -- surface treatment -- industrial utilisation -- powder treatment -- metallurgical treatments -- surface treatments -- chemical reactions -- plasma conditions -- quenching -- carburizing -- nitriding -- plasma etching -- inorganic films -- cathodic pulverization -- ion plating -- spheroidization -- remelting -- ingot melting -- ultradispersed powders -- spraying -- electronic circuits -- ferroalloys production -- complex ores processing -- selective synthesis -- plasma types -- reactant mixing -- polymer reaction -- organic film -- film deposition -- film growth -- optical fibre -- batch melting -- powder production -- NO production -- acetylene production -- solar grade Si production