《等离子体化学》教学大纲
适用专业：应用化学等各专业
拟 订 人： 崔锦华
拟订日期：2010年9月
修订日期：2020年8月
第一部分 使用说明
一、 课程性质特点
《等离子体化学》是近几十年来新兴的物理和化学交叉的国际学术前沿学科，是现代催化反应技术,其内容涉及等离子体物理学、高等数学、线性代数、无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、电子学、真空技术等多学科。许多在常温常压下传统催化难以完成的化学反应在等离子体条件下却很容易进行，而且低能耗、无污染。本课程主要是为大学本科应用化学、物理化学以及化学工程等专业开设的一门拓展型或研究型必修课，其它理工科各专业学生也可以选修。本课程的多学科涉及且理论性较强的特点要求学生具有多门数理化高等教育基础课程的广泛知识。因本课程涵盖了高等数学、普通物理和化学专业各分支学科内容，故应排在学生先行修完所有必要的基础课程之后。
二、 在专业教学中的地位和作用
《等离子体化学》在高等教育中具有不可或缺的重要地位。等离子体化学工艺现已成为应用于化学、材料学、高分子科学、环境科学、生物学、医学、电子学等多领域的绿色高新技术。专家预言，《等离子体化学》是实现低碳经济最具希望的学科。因此本课程是人类社会可持续发展最急需的新学科。在化学专业教学中，其既具有多学科基础知识的世界科技前沿应用技能的后续课程地位，又具有可使本科生适应广泛领域继续深造的先修课程的作用。
创新是国家和民族发展之魂，也是科技发展之魂。我们应该建立激励与保障机制，为各类人才的成长搭建发展平台。这是近年来各级领导多次反复强调的，也是高等教育各专业教学计划的指导方针。本课程设置应尽快纳入高校教学计划，则其必将担负起培养社会急需人才的重要作用。
三、 教学目的
《等离子体化学》课程设置的教学目标是：首先使本科生对等离子体化学的理论基础即等离子体物理原理有所了解，主要包括使学生掌握等离子体作为物质第四态的特征判据以及相关的气体放电理论和重要的计算方法，使学生对等离子体物理原理有基本的理解和掌握；在此基础上，认识和掌握等离子体化学的研究方法和技术原理以及在多种技术领域的应用，为日后继续深造、科研或就业、创业打基础。
四、 先修课程
高等数学，线性代数，普通物理，无机化学，有机化学，物理化学，分析化学。
五、 学时与学分
课程总计40学时，3学分，每周4学时。
六、 教学方法
多媒体课堂讲授。
七、 考核方式及成绩评定
考核方式：考试。
成绩评定：平时考查成绩占总成绩的40％，期末考试占总成绩的60％。
八、教材及主要参考书目
（一）教材：自编《等离子体化学》（2010初稿，2020修订）
（二）主要参考资料
1. 赵华侨. 《等离子体化学与工艺》，北京：中国科技大学出版社，1993
2. [美] J.Reece Roth著. 吴坚强 等译. 《工业等离子体工程》（第I卷 基本原理）, 北京：科学出版社, 1998
3. [美] Michacl A. Lieberman, Alian J. Lichtenberg，蒲以康等译.《等离子体放电原理与材料处理》，科学出版社，2007
4. 徐学基, 褚定昌. 《气体放电物理》，上海：复旦大学出版社, 1996
5. 李定, 陈银华 等. 《等离子体物理学》，北京：高等教育出版社, 2006
6. 陈杰瑢.《低温等离子体化学及其应用》，北京：科学出版社, 2004
7. 杨津基. 《气体放电》, 科学出版社，1983
8. [美] Nicholas A. Krall, Alvin W. Trivelpiece. 郭书印, 黄林, 邱孝明译. 《等离子体物理学原理》, 北京：原子能出版社, 1983
9. 高树香, 陈宗柱. 《气体导电》（上、下册）, 南京工学院出版社, 1988
10. 姚宗熙, 郑德修, 封学民. 《物理电子学》，西安交通大学出版社, 1991
11. 江剑平, 翁甲辉, 杨泮棠等. 《阴极电子学与气体放电原理》，北京：国防工业出版社，1980
12. 过增元，赵文华.《电弧和热等离子体》，科学出版社, 1986
13. 崔锦华. 非平衡等离子体甲烷偶联研究. 天津大学博士学位论文, 2002
14.崔锦华，徐振锋，张家良等. 大气压CH4+H2放电等离子体电子激发温度在线光谱诊断，中国科学(G辑)，2008, 38 (8):1053-1057
第二部分 课程内容
第一章 绪论
一、教学目的与要求：了解等离子体存在的基本形式，了解《等离子体化学》学科发展史及其应用领域和发展前景，了解低温等离子体的类型及其形成方法，了解低温等离子体的应用领域。
二、教学重点与难点：学科的意义、特征及重要性，低温等离子体的形成方法和应用领域。
三、教学时数：2学时
四、主要教学内容：
第一节 等离子体化学概述
一、等离子体的存在
二、等离子体化学现象
三、低温等离子体
第二节 等离子体化学发展史
第三节 等离子体化学的应用前景
一、等离子体化学的应用领域
二、等离子体化学的发展前景
第二章 等离子体物理基础
一、教学目的与要求：掌握低温等离子体物理基础理论中的气体放电原理及相关计算方法。
二、教学重点与难点：等离子体分类；典型气体放电形式及其伏安特性；汤生理论的几个重要电离过程、帕邢定律、潘宁电离；等离子体的粒子数密度和粒子温度的计算方法；利用沙哈方程计算准平衡等离子体电离度；等离子体的准电中性特征，德拜屏蔽和德拜长计算，朗格谬尔振荡与振荡频率计算，等离子体振荡周期计算，浮置电位计算，等离子体生成联合判据，离子鞘，电子鞘等概念；离子鞘理论；带电粒子在均匀稳恒磁场中的拉莫尔回旋运动规律及相关计算；带电粒子在均匀恒定的正交电磁场中的电漂移运动规律及相关计算；带电粒子在常数力场包括重力场中的电漂移速度；等离子体的主要辐射过程如激发辐射、复合辐射、轫致辐射和回旋辐射；低温放电等离子体的基本过程包括粒子的碰撞过程、激发过程、电离过程和复合过程等；等离子体表面处理按过程始终态物质分类以及离子、电子和中性粒子对材料基体表面的主要作用；无外加磁场存在的定常状态下只考虑一维方向电场和体系存在密度梯度时带电粒子的扩散、迁移原理以及双极扩散和相关计算方法；电晕、辉光（包括直流、高频和高气压辉光）、弧光、介质阻挡等气体放电基本原理。
三、教学时数：10学时
四、主要教学内容：
第一节 等离子体系与典型放电伏安特性
第二节 等离子体放电机制
一、汤生放电理论
二、帕邢定律
三、空间粒子的激发转移和消电离
第三节 等离子体的粒子数密度和粒子温度
一、粒子数密度和电离度
二、电子温度和重粒子温度
三、沙哈方程
第四节 等离子体生成判据
一、等离子体的准电中性
二、德拜屏蔽与德拜长
三、朗格谬尔振荡与振荡频率
四、等离子体生成判据
第五节 等离子体鞘
一、等离子体鞘的形成
二、离子鞘理论
三、浮置电位
第六节 外场对带电粒子运动的影响
一、均匀稳恒磁场中的拉莫尔运动
二、均匀恒定正交电磁场中的电漂移
三、任意常数力场中的电漂移
第七节 等离子体辐射
一、等离子体辐射及其应用意义
二、几种主要辐射过程
第八节 低温放电等离子体的基本过程
一、粒子碰撞过程
二、基元过程
三、空间粒子与固体表面的作用
四、带电粒子的扩散与迁移
五、基本放电形式及其物理过程
第三章 等离子体反应系统及其原子矩阵约束
一、教学目的与要求：熟记典型的等离子体化学反应装置流程图；熟记主要放电反应装置类型流通管型和钟罩型的功能与用途；了解电感耦合型与电容耦合型装置中的电位分布；理解氢等离子体消积炭化学反应机理；掌握氢等离子体消积炭定量实验与数据处理方法；了解等离子体化学反应体系及其常见反应类型；熟悉几种基本类型的等离子体化学反应机理；了解原子矩阵约束化学反应方程组原理；掌握等离子体独立反应方程组原子矩阵解的计算方法。
二、教学重点与难点：等离子体化学反应装置流程图；主要放电反应装置类型流通管型和钟罩型的功能与用途；电感耦合型与电容耦合型装置中的电位分布；氢等离子体消积炭化学反应机理；氢等离子体消积炭定量实验操作与数据处理；消积炭宏观动力学；几种基本类型的等离子体化学反应机理包括等离子体有机化学反应、无机化学反应、等离子体增强化学气相沉积、化学催化剂协同等离子体催化；等离子体独立反应方程组的原子矩阵解的计算方法。
三、教学时数：8学时
四、主要教学内容：
第一节 等离子体反应操作系统
一、放电等离子体激发频率
二、等离子体电位
三、等离子体反应装置
第二节 等离子体独立反应方程组的原子矩阵约束
一、原子矩阵约束化学反应方程组原理
二、等离子体独立反应方程组的原子矩阵解
第三节 等离子体化学基本反应
一、等离子体有机化学反应
二、等离子体无机化学反应
三、等离子体与固体的非均相反应
第四节 等离子体反应系统纯氢气消积炭
一、氢气等离子体消积炭机理
二、消积炭实验
三、消积炭宏观动力学
第四章 等离子体系的物质测定与参量诊断
一、教学目的与要求：熟练书写气体放电过程中以分子的电子状态表达的解离与电离基元反应式；掌握用分子轨道理论的选择定则分析等离子体系中的分子反应和物种状态；掌握等离子体系发射光谱诊断技术原理和应用。
二、教学重点与难点：等离子体系的物质测定与参量诊断概念；气体放电过程中以分子的电子状态表达的解离与电离基元反应式；利用分子轨道理论的选择定则分析等离子体系中的分子反应和物种状态；电子束法测定碰撞截面；电泳法测定速率常数；等离子体系粒子温度和粒子数密度的发射光谱诊断实验操作与数据处理；等离子体发射光谱诊断技术应用。
三、教学时数：4学时
四、主要教学内容：
第一节 等离子体状态与基元过程测定
一、 等离子体状态
二、 等离子体基元过程及其测定
第二节 等离子体诊断
一、概述
二、发射光谱诊断实验装置
三、发射光谱诊断实验解析
一、教学目的与要求：了解等离子体聚合反应的特征、装置、操作条件及聚合控制方法；了解等离子体聚合反应机理及基本过程；了解等离子体引发聚合装置以及烯类单体的等离子体引发聚合特例。
二、教学重点与难点：等离子体聚合反应的特征、装置、操作条件及聚合控制方法；等离子体聚合反应机理及基本过程；等离子体引发聚合装置；烯类单体的等离子体引发聚合包括超高分子量聚合；水溶性烯类单体的溶液聚合；等离子体引发的嵌段共聚；等离子体引发的接枝共聚。
三、教学时数：4学时
四、主要教学内容：
第一节 等离子体聚合概述
一、等离子体聚合进展
二、等离子体聚合的特征
三、等离子体聚合的操作条件
四．等离子体聚合的控制
第二节 等离子体聚合装置
一、等离子体聚合装置设计基础
二、等离子体聚合装置
第三节 等离子体聚合反应机理
一、等离子空间聚合理论与固体表面聚合理论
二、离子聚合理论与自由基聚合理论
三、CAP机理与原子聚合观点
第四节 等离子体聚合的基本过程
一、苯乙烯等离子体聚合
二、乙烯和乙炔等离子体聚合
三、甲烷等离子体聚合
四、单体结构与聚合基本过程的关系
第五节 等离子体引发聚合
一、等离子体引发聚合装置
二、烯类单体的等离子体引发聚合
(一) 超高分子量聚合
(二) 水溶性烯类单体的溶液聚合
(三) 等离子体引发的嵌段共聚
(四) 等离子体引发的接枝共聚
(五) 环醚的固相开环聚合
第六章 等离子体表面处理
一、教学目的与要求：了解等离子体表面处理的特征、装置及条件；了解等离子体表面处理活化层的生成与作用；了解表面引入特定官能团、交联层的形成以及刻蚀及粗化面的形成过程；了解电晕放电对高聚物表面的作用；了解等离子体表面处理的重要应用技术。
二、教学重点与难点：等离子体表面处理的特征、装置及条件；等离子体表面处理活化层的生成与作用；表面引入特定官能团、交联层的形成以及刻蚀及粗化面的形成过程；电晕放电对高聚物表面的作用；等离子体表面处理的重要应用包括表面保护膜、离子注入、表面交联和接枝改性、医用材料表面处理。
三、教学时数：4学时
四、主要教学内容：
第一节 等离子体表面处理基本过程
一、表面吸附
二、离子注入
三、原子级联运动
四、 溅射现象
五、二次电子发射
第二节 等离子体表面处理活化层的生成
一、表面层自由基的生成与光能的作用
二、表面自由能的变化及润湿性与粘接性
三、表面引入特定官能团
四、表面交联层的形成
五、刻蚀及粗化面的形成
六、等离子体炬表面处理
第三节 电晕放电表面处理
一、概述
二、电晕放电对高聚物表面的作用
三、电晕表面处理应用及存在的问题
第四节 等离子体表面膜
一、等离子体物理气相沉积
二、等离子体增强化学气相沉积
三、等离子体聚合膜
第五节 等离子体表面处理的应用
一、印刷、涂层、粘接加工
二、表面接枝改性
三、医用材料
四、纺织品加工
第七章 氧等离子体化学及其应用
一、教学目的与要求：了解原子态氧的生成机理；掌握重要的氧等离子体应用技术。
二、教学重点与难点：原子态氧的重要基元反应；重要的氧等离子体应用技术包括低温灰化及其应用；超大规模集成精密电路图形加工干式工艺。
三、教学时数：2学时
四、主要教学内容：
第一节 氧等离子体化学概述
一、原子态氧的生成机理
二、等离子体氧化反应
第二节 氧等离子体的应用
一、氧等离子体在分析化学中的应用
二、用氧等离子体保存无机物质的精细结构
三、氧等离子体在电子工业中的应用
第八章 远程等离子体技术
一、教学目的与要求：了解PCVD氮化硅膜和氧化硅膜的特性与用途；生成参数与膜特性的关系；膜的组成和电学性能。
二、教学重点与难点：PCVD技术的特点与装置；PCVD氮化硅膜和氧化硅膜的特性与用途；生成参数与膜特性的关系；膜的组成和电学性能。
三、教学时数：2学时
四、主要教学内容：
第一节 远程等离子体原理与优势
二、远程等离子体的特征
第二节 远程等离子体研究与应用
一、灭菌
二、改善材料表面亲水性
三、改善材料的其它性能
第三节 远程等离子体研究现状与展望
一、远程等离子体气相沉积
二、远程等离子体对材料表面的直接处理
第九章 等离子体应用技术新进展
一、教学目的与要求：了解等离子体技术在现代社会各领域的新研究与应用进展。
二、教学重点与难点：旋转电极下大气压等离子体甲烷偶联；大气压冷等离子体杀菌消毒技术；热等离子体超高温化学转化；氢冷等离子体的应用；低温等离子体消融术。
三、教学时数：4学时
四、主要教学内容：
第一节 旋转电极下常压冷等离子体甲烷偶联新技术
一、大气压冷等离子体甲烷偶联反应器研究史
二、新型旋转电极下常压冷等离子体甲烷偶联
第二节 大气压冷等离子体杀菌消毒技术
一、等离子体灭菌机理
二、等离子体灭菌步骤
第三节 热等离子体超高温化学转化
一、温室气体转化
二、等离子体法制乙炔
三、固态废物处理
四、纳米材料制备
第四节 氢冷等离子体的应用
一、金属基体脱碳
二、还原金属盐
三、金属表面除氧
第五节 低温等离子体消融术
一、工作原理
二、技术特点
三、治疗应用
附录
以下提供现有已出版的《等离子体技术与应用实验教程》(作者：马志斌、付秋明、郑志荣.化学工业出版社,2014），可作为等离子体化学实验相关参考，具有以下实验设备条件的化学院系可从中选择合适内容纳入《等离子体化学教学大纲》:
实验一 直流低气压放电现象观察及伏安曲线的测量
实验二 气体击穿电压的测定及帕邢定律验证
实验三 汤森第一电离系数α及比值α/p的测定
第二部分 等离子体在材料工程中的应用
实验十九 空心微珠表面磁控溅射镀金属铜膜
第三部分 等离子体在微电子中的应用
实验二十三 电子束蒸发镀膜与薄膜光学特性分析
第四部分 等离子体在环境工程中的应用
