物质的第四态——等离子态
2013/12/11 16:58:33 中国科普博览

     物质的第四态——等离子态

     董祥林(中科院金属所)

     等离子态像气态一样无定形，其区别在于等离子态的焓值(单位物质所含的热量)远高于气态，其原子全部或大部分已离化(即电离化)，故具有良好的导电性。因其在被离化的区域里，正离子和负离子或电子是相等的，所以称为“等离子体”，它在总体上是电中性的。

     等离子体在宇宙中很常见，很多恒星都是等离子体，太阳就是一个大等离子体，因内部连续热核反应，其原子已全部处于离化状态。等离子体在地球上也不罕见，分自然形成的和人造的两类，自然形成的如电离层、极光、闪电等都是；人造的如原子弹爆炸，炸药爆炸、辉光放电及电弧等。可见无论物理的或化学的方法，只要能量足够集中，就可产生等离子体。

     需要说明的是，有些物质虽然是等离子体，但其温度并不高(如极光，霓虹灯等)，这是什么原因呢？原来，是它们内部气体太稀薄，单位体积的物质太少，故不能产生宏观高温。

     由于等离子中单位物质所含热量高，因而能产生很高温度。据我所原测温组测定，电弧压缩产生的氩等离子体，其温度可达近15000℃，氮等离子体为12000℃以上。如此高温，用其它方法很难达到。于是人们利用其高温等特性为新技术和新材料服务。利用等离子体的高温和惰性气氛(等离子一般用氮、氩或氦作介质，所以不含氧)，金属研究所于上世纪五十年后期，在国内率先开始等离子喷涂研究，并取得成功。该技术能喷涂任何熔点的材料(如高达3370℃的钨)。我国已先后用其完成多项军用和民用重要任务，如多种型号的火箭喷管、头锥及回收卫星的天线，获得过国家和省部级多项奖励。

     在金属加工方面，我所先后研究过等离子切割、堆焊和焊接技术，均取得成功并应用推广。例如原来用氧-乙炔火焰切割金属，只能切割钢材，且厚度不能太大。对于铜、铝、不锈钢等则无能为力，因为这些材料的导热率高，切割时温度很快传开，切口处不能迅速熔化。电弧等离子体因其温度通常比氧-乙炔焰高近三倍，能在瞬间造成极高的温度梯度，形成切口，且切口光滑，切缝很窄。

     风洞是飞行器(飞机、火箭等)研究和试验过程中必不可少的，飞机的风洞一般在常温下进行，但火箭因其飞行时速度高，能与空气摩擦产生高温，对其头锥和蒙皮选材往往用火焰风洞。我们所就进行过用火焰冲刷的方法，研究试验新火箭材料。但从上世纪六十年代初开始，我国发展载入飞行器。因其返回时速度大，和空气摩擦产生更高的温度和冲刷力，经受的条件更为苛刻。而在研究头锥、蒙皮和喷管材料时，因要加速试验和保证可靠性，对风洞要求比实际条件更高。为配合材料研究，我们所于上世纪六十年代研制成功“等离子高温高速风洞”，它也是用一种特殊设计的等离子发生器，将其产生的高温高速等离子焰流，喷于一真空室中固定的试样上，对试样进行考验。因发生器原产生的焰流速度就很高，加之其突然冲入真空室中，大大加速。因而达到了近5个马赫数和8000℃以上的高温的冲刷条件。为我国发展航天和洲际导弹材料作出了贡献。

     这里应该说明的是，飞机设计时的风洞试验，主要是研究其空气动力特性，而上面沿袭以前所说的风洞，只是研究飞行器材料的抗高温高速气流冲刷性能，这种以研究材料为目的的试验和研究气动力学的风洞是不同的。因此这种叫法不太确切，所以叫等离子冲蚀试验更正确。

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     马赫数(Mach number)是为纪念奥地利学者马赫( Emst Mach,1838-1916)而命名的。1马赫即1倍的音速，因此马赫数大于1即为超音速，低于1为亚音速。因为声音传播速度与介质温度有关，温度越高，其速度越大，所以马赫数的速度是相对的。

     在医学手术中，等离子体也能发挥其作用，正在研究它代替现用的手术刀。这是一个只有钢笔大小的发生器，它产生一精致而形状不变的等离子矩，用于人体手术其优点是：1.因焰流温度高，能做到绝对无菌；2.当组织被切开时，边缘瞬间便因高温封闭了，可以做到基本无血手术。此外，其温度梯度大，切口附近的组织不受影响。

     总之等离子体在科学技术中前景广阔，很多方面都可利用。在未来的科学发展中，新发现的物质某些其它形态，同样可大显身手，造福人类。

     题图来源：flickr 作者：Pete Markham

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