Dispositivo de pulverización de plasma y un método para la introducción de un precursor líquido en un sistema de gas de plasma.

Dispositivo de pulverización de plasma para pulverizar un revestimiento (2) sobre un sustrato (3) por un proceso de pulverización térmica,

incluyendo dicho dispositivo de pulverización de plasma un soplete de plasma (4) para calentar un gas de plasma (5) en una zona de calentamiento (6), en el que el soplete de plasma (4) incluye un cuerpo de tobera (7) para formar una corriente de gas de plasma (8), teniendo dicho soplete de plasma (4) una abertura (9) que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central (10) a través de dicho cuerpo de tobera (7), cuya abertura (9) tiene una sección convergente (11) con una entrada (12) para el gas de plasma (5), una sección de garganta (13) que incluye un área de sección transversal mínima de la abertura, y una sección divergente (14) con una salida (15) para la corriente de gas de plasma (8), en el que está previsto un conducto de introducción (16) para introducir un precursor líquido (17) de la corriente de gas de plasma (8), y un medio de penetración (18, 161, 181, 182) está previsto para penetrar el precursor líquido (17) dentro de la corriente de gas de plasma (8), caracterizado porque el medio de penetración (18) es una muesca de penetración (181) que tiene una forma triangular.

Dispositivo de pulverización de plasma y un método para la introducción de un precursor líquido en un sistema de gas de plasma

La invención se refiere a un dispositivo de pulverización de plasma para pulverizar un revestimiento sobre un sustrato, así como a un método para introducir un precursor líquido en una corriente de gas de plasma y al uso de tal dispositivo de pulverización de plasma y/o tal método de pulverización de plasma para revestir un sustrato de acuerdo con la parte de pre-caracterización de la reivindicación independiente en la categoría respectiva.

El soplete de plasma es una de las fuentes de plasma más robustas, potentes y bien controladas utilizadas en tecnologías industriales. En tecnología de revestimiento de la superficie, su aplicación principal es en el campo de pulverización térmica por inyección de partículas sólidas (pulverización de plasma).

Una gran variedad de aparatos de pulverización de plasma para revestimiento de una superficie de una pieza de trabajo con un polvo de pulverización son bien conocidos en la técnica anterior, y se utilizan ampliamente en campos técnicos completamente diferentes. Los aparatos de pulverización de plasma conocidos comprenden con frecuencia una pistola de pulverización de plasma, una fuente de corriente continua de alta potencia, un equipo de refrigeración y también un transportador para transportar una sustancia que debe ser pulverizada en la llama de plasma de la pistola de pulverización de plasma. Con respecto a las técnicas clásicas de pulverización de polvo, la sustancia a pulverizar es, naturalmente, un polvo de pulverización.

En la pulverización de plasma atmosférica, se dispara un arco en un soplete de plasma entre un ánodo refrigerado por agua y un cátodo de volframio refrigerado de la misma manera por agua. Un gas de proceso, normalmente argón, nitrógeno o helio o una mezcla de un gas inerte con nitrógeno o hidrógeno se convierten en el estado de plasma en el arco y se desarrolla un haz de plasma con una temperatura de hasta 20.000 K. Se consiguen velocidades de las partículas de 200 a 900 m/s a través de la expansión térmica de los gases. La sustancia que debe pulverizarse entra en el haz de plasma con la ayuda de un gas portador o bien axial o radialmente dentro o fuera de la región del ánodo.

Los procesos nuevos basados en elementos con éxito de la tecnología de pulverización de plasma conocida están siendo actualmente más o menos investigados con el fin de abrir nuevos mercados para tratamiento avanzado de la superficie. Una de las vías consiste en utilizar precursores líquidos o gaseosos (en lugar de sólidos) para permitir la deposición de película fina vaporizando y disociando los precursores (Deposición de Vapor Química, CVD).

El documento US 2003/0077398 describe un método para utilizar suspensiones de nanopartículas en deposición de pulverización térmica convencional para la fabricación de revestimientos nanoestructurados. Este método tiene el inconveniente de que debe utilizarse ultrasonido para la dispersión de las nanopartículas en un medio líquido antes de la inyección en una corriente de gas de plasma.

El documento WO 2005/043006 describe un método para revestimiento de una superficie con nanopartículas así como un dispositivo para la realización de este método, en el que el método se caracteriza porque implica un inyector de una solución coloidal de estas nanopartículas en un chorro de plasma fuera del soplete de plasma.

El documento US 6.447.848 describe un soplete de plasma modificado Metco 9MB, en el que el orificio de inyección del polvo ha sido retirado y sustituido por una tobera de inyección múltiple para Inyectar diferentes precursores líquidos y suspensiones al mismo tiempo en la llama de plasma. Es decir, que el precursor líquido es alimentado también fuera del soplete de plasma en la corriente de gas de plasma.

El documento US B1 6 800 336 describe un dispositivo de pulverización de plasma, en el que está previsto un medio de penetración para penetrar un precursor líquido dentro de una corriente de gas de plasma.

En particular, la Inyección de líquidos en chorros de plasma es una tarea compleja, que difiere notablemente de la Inyección de partículas sólidas transportadas por gas como se utiliza en las tecnologías de pulverización de polvo de plasma bien desarrolladas descritas. Por lo tanto, esto requiere desarrollos específicos mediante la adaptación de los parámetros de generación del soplete de plasma, por una parte, y la invención y el diseño de técnicas nuevas, por otra parte.

Un problema principal es que por la Inyección de líquidos en una tobera de plasma de geometría regular conocida a partir de la técnica anterior, es difícil obtener una distribución por decirlo así homogénea del líquido y/o presión en la corriente de gas de plasma. El líquido no puede penetrar suficientemente en la corriente de gas de plasma y se puede congelar por la expansión dejando un conducto de introducción respectivo a través del cual el líquido es introducido en la corriente de gas de plasma.

Es decir, que la vaporización espontánea del líquido a baja presión y la liberación consecutiva del calor latente conducen a menudo a una congelación del fluido remanente en la salida del conducto de Introducción utilizado

dispositivos de pulverización de plasma de la técnica anterior.

Otro problema importante es debido a la naturaleza supersónica del flujo de chorro de plasma, con choques de barral u ondas de compresión circundantes que dispersan el chorro o pulverización de líquido inyectado o perturban su penetración dentro del núcleo del chorro. Esto descalifica la inyección de líquidos fuera de la tobera del soplete de plasma /a presión normal) para la mayoría de la presión de funcionamiento prevista para CVD de plasma térmico (por debajo de 100 mbares).

Por otra parte, el momento del chorro de líquido inyectado ha de ser suficientemente alto o el tubo de inyección debería penetrar en el chorro de plasma más allá de los choques de barril para evitar la dispersión. Esto requiere o bien una alta velocidad de inyección, o da como resultado una carga térmica excesiva sobre el conducto de introducción. Debido a todas estas limitaciones y complicaciones, la inyección del líquido fuera de la tobera del soplete conocida a partir de la técnica anterior ha llegado a ser inadecuada para conseguir una penetración suficiente del líquido en la corriente de gas de plasma.

No obstante, una inyección del fluido dentro del soplete de plasma no ha sido considerada hasta ahora debido a las dificultades que resultan del diseño de pistolas de pulverización de plasma conocidas, en particular debido al sistema de refrigeración complejo que incluye el ánodo y el cátodo refrigerados por agua, como se ha mencionado anteriormente.

Por lo tanto, un objeto de la invención es proporcionar un dispositivo de pulverización de plasma mejorado que evita los inconvenientes conocidos a partir de la técnica anterior y que permite penetrar un precursor líquido, es decir, penetrar un fluido de pulverización o fluido de revestimiento más o menos completamente en una corriente de gas de plasma de un soplete de plasma. También un objeto de la invención es proporcionar un método nuevo y mejorado respectivo para introducir un precursor líquido, que es un fluido de pulverización o un fluido de revestimiento en una corriente de gas de plasma.

Los asuntos objetos de la invención que cumplen estos objetivos se caracterizan por las características de las reivindicaciones independientes de las categorías respectivas.

Las reivindicaciones dependientes se refieren a formas de realización particularmente ventajosas de la invención.

La invención se refiere, por lo tanto, a un dispositivo de pulverización de plasma para pulverizar un revestimiento sobre un sustrato por un proceso de pulverización térmica. Dicho dispositivo de pulverización de plasma incluye un soplete de plasma para calentar un gas de plasma en una zona de calentamiento, en el que el soplete de plasma incluye un cuerpo de tobera para formar una corriente de gas de plasma, y dicho soplete de plasma tiene una abertura que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central a través de dicho cuerpo de tobera. La abertura tiene una sección convergente con una entrada para el gas de pasma, una sección de garganta, que incluye un área de la sección transversal mínima de la abertura, y una sección divergente con una salida para la corriente de gas de plasma, en el que un conducto de introducción está previsto para introducir un precursor líquido en la corriente de gas de plasma. De acuerdo con la... [Seguir leyendo]

1.- Dispositivo de pulverización de plasma para pulverizar un revestimiento (2) sobre un sustrato (3) por un proceso de pulverización térmica, incluyendo dicho dispositivo de pulverización de plasma un soplete de plasma (4) para calentar un gas de plasma (5) en una zona de calentamiento (6), en el que el soplete de plasma (4) incluye un cuerpo de tobera (7) para formar una corriente de gas de plasma (8), teniendo dicho soplete de plasma (4) una abertura (9) que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central (10) a través de dicho cuerpo de tobera (7), cuya abertura (9) tiene una sección convergente (11) con una entrada (12) para el gas de plasma (5), una sección de garganta (13) que incluye un área de sección transversal mínima de la abertura, y una sección divergente (14) con una salida (15) para la corriente de gas de plasma (8), en el que está previsto un conducto de introducción (16) para introducir un precursor líquido (17) de la corriente de gas de plasma (8), y un medio de penetración (18, 161, 181, 182) está previsto para penetrar el precursor líquido (17) dentro de la corriente de gas de plasma (8), caracterizado porque el medio de penetración (18) es una muesca de penetración (181) que tiene una forma triangular.

2.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el conducto de introducción (16) está previsto entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el conducto de introducción (16) está previsto entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el conducto de introducción (16) está previsto entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

3.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que la muesca de penetración (181) está prevista en una pared interior (19) del cuerpo de tobera (7), en particular una muesca de penetración circunferencial (181).

4.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la muesca de penetración (181) está prevista entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que la muesca de penetración (181) está prevista entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que la muesca de penetración (181) está prevista entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la muesca de penetración (181) tiene un anchura (1811) de 0,5 mm a 3 mm, en particular entre 1 mm y 2 mm, especialmente 1,5 mm y/o tiene una profundidad (1812) de 0,05 a 2 mm, en particular entre 0,75 mm y 1,5 mm, con

preferencia 1 mm.

6 - Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de penetración (18) son proporcionados introduciendo el conducto (16) que está diseñado como un nebulizador(181).

7.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el nebulizador (181) está previsto entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el nebulizador (181) está previsto entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el nebulizador (181) está previsto entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

8.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de penetración (18) están previstos introduciendo el conducto (16) que está diseñado como un capilar (182) que tiene un taladro de inyección (183) con diámetro reducido.

9.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el capilar (182) está previsto entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14), en particular en el área de la sección trasversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el capilar (182) está previsto entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el capilar (182) está previsto entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

10.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ángulo de introducción (a) del conducto de introducción (16) está entre 20° y 150°, en particular entre 45° y 135°, con preferencia entre 70° y 110°, especialmente aproximadamente 90°.

11.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el conducto de introducción (16) y/o los medios de penetración (18), en particular el nebulizador (181) están fabricados de PFA y/o de otros materiales.

12.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una unidad de suministro (19) para suministrar el precursor líquido (17).

13.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la unidad de suministro (19) incluye un depósito para el precursor líquido (17)y/o un depósito para un gas portadory/o una presurización del depósito para presurizar el precursor de líquido (17) por el gas portador y/o un dispositivo de dosificación, en particular un medidor de flujo de líquido y/o gas, especialmente un medidor de flujo de masa, para dosificar el flujo del precursor de líquido y/o el gas portador.

14.- Dispositivo de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el precursor de líquido (17) es un lodo líquido y/o una suspensión y/o el fluido es agua, y/o un ácido, y/o un fluido alcalino y/o un fluido orgánico, en particular metanol, y/o una solución salina, y/o una órgano silicona y/u otro fluido de revestimiento (17), y/o el precursor de líquido (17) es una suspensión o un lodo líquido, en particular un precursor líquido (17) que comprende nanopartículas y/o una solución o mezcla del precursor líquido (17) mencionado anteriormente.

15.- Método para introducir un precursor líquido (17) en una corriente de gas de plasma (8) utilizando un dispositivo de pulverización de plasma (1) que comprende las etapas siguientes:

proporcionar un dispositivo de pulverización de plasma (1), que incluye un soplete de plasma (4), con un cuerpo de tobera (7), teniendo dicho soplete de plasma (4) una abertura (9) que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central (10) a través de dicho cuerpo de tobera (7), y teniendo la abertura (9) una sección convergente (11) con una entrada (12) para el gas de plasma (5), incluyendo una sección de garganta (13) un área de la sección transversal de la abertura (9), y una sección divergente (14) con una salida (15) para el gas de plasma (5), en el que un conducto de introducción (16) está previsto para la introducción de un precursor líquido (17) en una corriente de gas de plasma (8);

introducir un gas de plasma (5) en la entrada (12) de la sección convergente (11) de la abertura (9), y alimentar el gas de plasma (5) a través de la sección convergente (11), la sección de garganta (13) y la sección divergente (14) a la salida (15) de la sección divergente (14);

encender y estabilizar una llama de plasma dentro del soplete de plasma (4) en una zona de calentamiento (6), calentando el gas de plasma (5) y formando la corriente de gas de plasma (8);

revestir una superficie de un sustrato (3) alimentando la corriente de gas de plasma (9) a través de la salida (15) de la sección divergente (14) de la abertura (9) sobre la superficie del sustrato (3);

caracterizado porque está previsto un medio de penetración (18, 161, 181, 182), en el que el medio de penetración (18) es una muesca de penetración (181) que tiene una forma triangular y el precursor líquido (17) está penetrado a través del conducto de introducción (16) dentro de la corriente de gas de plasma (8) con la ayuda de los medios de penetración (8, 181).

16 - Método de acuerdo con la reivindicación 15, en el que el conducto de introducción (16) está previsto entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el conducto de introducción (16) está previsto entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el conducto de introducción (16) está previsto entre el área de la sección trasversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

17 - Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 ó 16, en el que el medio de penetración (18) está previsto en una pared interior (19) del cuerpo de tobera (7) y es en particular una muesca de penetración circunferencial (181).

18 - Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en el que la muesca de penetración (181) está prevista entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que la muesca de penetración (181) está prevista entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que la muesca de penetración (181) está prevista entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

19 - Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 18, en el que la muesca de penetración (181) tiene una anchura (1811) de 0,5 mm a 3 mm, en particular entre 1 mm y 2 mm, especialmente 1,5 mm y/o tiene una profundidad (1812) de 0,05 mm a 2 mm, en particular entre 1 mm y 1,5 mm.

20.- Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, en el que el medio de penetración (18) es proporcionado introduciendo el conducto (16) que está diseñado como un nebulizador (161).

21.- Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 20, en el que el nebullzador (161) está previsto entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el nebullzador (161) está previsto entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el nebullzador (181) está previsto entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

22.- Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 21, en el que el medio de penetración (18) es proporcionado por el conducto de introducción (16) que está diseñado como un capilar (182) que tiene un taladro de inyección (183) con diámetro reducido.

23.- Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 1 22, en el que el capilar (182) está previsto entre la sección convergente (11) y la sección divergente (14) de la abertura (9), en particular en el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el capilar (182) está previsto entre la entrada (12) de la sección convergente (11) y el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y/o en el que el capilar (182) está previsto entre el área de la sección transversal mínima de la abertura (9) y la salida (15) de la sección divergente (14).

24.- Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 23, en el que el precursor líquido (17) se introduce en un ángulo de introducción (a) entre 20° y 150°, en particular entre 45° y 135°, con preferencia entre 70° y 110°, especialmente aproximadamente 90°.

25.- Método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 24, en el que el precursor líquido (17) es un lodo líquido y/o una suspensión y/o el fluido es agua y/o un ácido, y/o un fluido alcalino y/o un fluido orgánico, en particular metanol, y/o una solución salina, y/o una órgano silicona y/u otro fluido de revestimiento, y/o el precursor líquido (17) es una suspensión o un lodo líquido, en particular un precursor líquido que comprende nanopartículas y/o una solución o mezcla del precursor líquido mencionado anteriormente.

26.- Utilización de un dispositivo de pulverización de plasma (1) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 y/o un método de pulverización de plasma de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 25 para revestir una superficie de un sustrato (3) o un dispositivo (3), un revestimiento de carbono, especialmente un Revestimiento de Carbono similar a Diamante y/o un revestimiento de carburo y/o un revestimiento de nitruro y/o un revestimiento compuesto y lo un revestimiento nanoestructurado, en particular una superficie de un dispositivo fotovoltaico (3), especialmente una célula solar y/o para proporcionar un revestimiento, en particular un revestimiento funcional sobre un sustrato (3), en particular sobre un sustrato de vidrio o sobre un semiconductor, especialmente sobre un sustrato de silicio (3), en particular sobre una oblea que comprende elementos electrónicos y/o para proporcionar un revestimiento funcional sobre textiles.