(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）被加工物を処理するための入口及び出口と、プラズマを発生させるための非対称な電極組立体とを有する内部の処理容積と、（ｉｉ）前記内部の処理容積を加熱するための中間の加熱容積とを含む処理チャンバと、
前記内部の処理容積の中への、少なくとも１つの処理ガス入口と、を備え、
前記非対称な電極組立体は誘電体障壁の表面上の互いから分離された少なくとも２つのプラズマ発生電極を備え、前記プラズマ発生電極の非対称な形状を提供するために前記少なくとも２つのプラズマ発生電極が幅及び長手方向の寸法の少なくとも一つにおいて異なる、プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記中間の加熱容積が、前記内部の処理容積を加熱するための加熱要素を備える、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記中間の加熱容積が外殻を有し、前記内部の処理容積が、内殻によって前記中間の加熱容積から分離されている請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記外殻が、円筒状、長方形、楕円、または正方形の形状を備える請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
前記内殻が、円筒状、長方形、楕円、または正方形の形状を備える請求項３に記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】
前記誘電体障壁が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ホウケイ酸塩類のガラス、ソーダ石灰ガラス、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、アルミノケイ酸塩、ポリアルミノケイ酸塩セラミック（ポリコール）、雲母およびそれらの組合せから成るものである請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】
前記電極組立体が、前記誘電体障壁によって少なくとも一つの下部電極から分離された上部電極を備える請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項８】
前記上部電極の長手方向が、前記内部の処理容積内で前記入口から前記出口へと前記被加工物が進む進行方向と平行である請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項９】
前記上部電極の長手方向が、前記内部の処理容積内で前記入口から前記出口へと前記被加工物が進む進行方向に対して垂直である請求項７に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１０】
前記少なくとも２つのプラズマ発生電極が、誘電体障壁の第１の表面上の上部電極と、前記誘電体障壁の前記第１の表面の反対側の第２の表面上の下部電極とを含む請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１１】
前記上部電極の幅および長手方向の寸法のうち少なくとも１つが、前記下部電極の幅および長手方向の寸法のうち少なくとも１つと異なり、非対称の電極形状をもたらす請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１２】
前記上部電極および前記下部電極のそれぞれの中心に開口が配置されている請求項１０に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１３】
前記少なくとも２つのプラズマ発生電極が、平行板の構成で同一の長さを有する、請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項１４】
中間の加熱容積および内部の処理容積を含む処理チャンバを用意するステップであって、前記内部の処理容積がプラズマを発生するための電極組立体を含有し、前記中間の加熱容積が前記内部の処理容積を加熱するステップと、
被加工物を、前記被加工物が前記電極組立体から１〜３０ｃｍの近接近である条件で、前記内部の処理容積を通り抜けさせるステップと、
前記処理チャンバの前記内部の処理容積に処理ガスを導入するステップと、
前記内部の処理容積内で前記電極組立体を用いて前記処理ガスから前記プラズマを形成するステップであって、前記プラズマの反応種が、前記内部の処理容積に生成した流れ渦によって前記被加工物の方へ加速され、前記流れ渦は非対称の電極形状によって生成した非対称の電界勾配から生じるステップとを含むプラズマ処理方法。
【請求項１５】
前記中間の加熱容積が、前記内部の処理容積の温度を最大で５００℃まで上昇させる請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記電極組立体が、誘電体表面の第１の側の少なくとも１つの第１の電極と、反対側の第２の誘電体表面の少なくとも１つの第２の電極とを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記電極組立体が、前記被加工物から３０ｃｍ以下の寸法だけ分離される請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記被加工物が繊維トウを備える請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記被加工物がポリマー前駆物質を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記被加工物の処理された部分が、前記内部の処理容積の中に１分から３００分の範囲の期間存在する請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記内部の処理容積に導入される前記処理ガスが、空気、窒素、酸素、窒素酸化物、二酸化炭素、一酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、水素、水素含有ガス、酸素含有ガス、およびそれらの組合せから成る群から選択されたガスである請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
前記処理ガスが、窒素（Ｎ２）と２原子を持った分子酸素（Ｏ２）とのガス混合物であり、前記２原子を持った分子酸素（Ｏ２）の含有量が１０％から１００％の範囲であり得、前記窒素（Ｎ２）の含有量が０％から９５％の範囲であり得る請求項１４に記載の方法。
【請求項２３】
前記プラズマを形成する前記ステップが、前記電極組立体に３０Ｈｚから２０ＭＨｚの周波数範囲の交流電流（ＡＣ）を印加するステップを含む請求項１４に記載の方法。
【請求項２４】
前記プラズマの前記反応種が、Ｏ２、Ｏｘ、Ｏ、ＮｘＯｙ、ＨｘＯｙ、ならびに前記処理ガスのイオン、遊離基、励起状態および代謝安定から成る群から選択される請求項１４に記載の方法。
【請求項２５】
前記被加工物がポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）から成るものであり、前記反応種が酸素含有種から成るものであって前記被加工物を酸化させる請求項１４に記載の方法。
【請求項２６】
前記流れ渦が、前記非対称の電極形状によって生成された非対称の電界勾配によって前記内部の処理容積にもたらされる請求項１４に記載の方法。
【請求項２７】
前記プラズマを発生するための前記電極組立体が含んでいる複数のプラズマ形成電極組立体が、前記内部の処理容積の長手方向に沿った温度勾配をもたらすように、独立してエネルギーを与えられ得る請求項１４に記載の方法。
【請求項２８】
前記被加工物が前記電極組立体から１〜２０ｃｍの近接近である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２９】
前記被加工物が前記電極組立体から１〜１５ｃｍの近接近である、請求項１４に記載の方法。
【請求項３０】
前記中間の加熱容積が前記内部の処理容積を囲む外部の加熱容積であり、前記外部の加熱容積は外殻及び内殻によって画定されて前記内部の処理容積を加熱し、前記内殻は前記内部の処理容積から前記外部の加熱容積を分離して前記内部の処理容積の容積及び形状を画定する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府の委託研究または委託開発に関する声明
本発明は、米国エネルギー省とＵＴ−Ｂａｔｔｅｌｌｅ，ＬＬＣの間の契約番号第ＤＥ−ＡＣ０５−００ＯＲ２２７２５号の国庫補助を用いてなされたものである。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
【０００２】
本開示は、ポリマー材料の安定化および酸化のための装置および方法に関し、より詳細には、ポリマー材料のプラズマベースの安定化および酸化のための装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
たとえばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）といったサーモプラスチックベースの繊維からの炭素繊維の生産は、一般的には複数ステップの処理であって、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維が、最初に、大きな炉の内部で張力をかけたまま室温から約３００℃の範囲の酸化環境で処理される。酸化した繊維は、次に、不活性雰囲気の中で、約５００℃から始めて約１０００℃〜１２００℃までの連続した温度で炭化され（炭化ステップ）、次いで、任意選択で約３０００℃までさらに加熱される。従来、最初の酸化処理または安定化処理のステップが、通常の炭素繊維生産における最も時間のかかる律速段階である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示の一実施形態では、内部の処理容積および熱源を含むチャンバを備えるプラズマ処理装置が提供される。処理ガス入口が、内部の処理容積の中に延在する。被加工物は、内部の処理容積を通って引かれ、チャンバの第１の終端から内部の処理容積に入ってチャンバの第２の終端から内部の処理容積を出る。内部の処理容積の中に、電極組立体が被加工物に近接近で存在する。電極組立体は、誘電体障壁と、誘電体障壁の表面上の、互いから分離された少なくとも２つのプラズマ発生電極とを含む。
【０００５】
本開示の別の態様では、外殻を有するチャンバと、内部の処理容積と、中間の加熱容積とを含むプラズマ処理装置が提供され、内部の処理容積は、内殻によって中間の加熱容積から分離されている。少なくとも１つの処理ガス入口が、チャンバの内部の処理容積に、少なくとも１つの反応種を生成するガスを導入する。この、少なくとも１つの処理ガス入口は、外殻から、内部の処理容積および内殻を通って、内部の処理容積へと延在する。被加工物は、内部の処理容積を通って延在する。プラズマ処理装置は、チャンバ内部の処理容積の中に電極組立体も含み、被加工物は、チャンバの第１の終端からチャンバの第２の終端へ進むとき電極組立体を通る。電極組立体は、少なくとも１つの処理ガスからプラズマを生成し、プラズマからの反応種を被加工物の方へ加速するための流れ渦を誘起する。
【０００６】
別の態様では、プラズマ処理方法が提供される。一実施形態では、プラズマ処理は、中間の加熱容積および内部の処理容積を含んでいるチャンバを用意するステップを含む。内部の処理容積は、プラズマを生成するための電極組立体を含有する。中間の加熱容積が内部の処理容積を加熱する。被加工物が内部の処理容積を通り抜ける。内部の処理容積に処理ガスが導入される。電極組立体を用いて、処理ガスからプラズマが形成される。プラズマの反応種は、電極組立体によって生成された流れ渦によって被加工物の方へ加速される。
【０００７】
以下の詳細な説明は、例として示されており、本開示をもっぱらそれに限定するように意図されたものではなく、添付図面とともに最もよく理解されるはずであり、同様の参照数字は同様の要素および部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】被加工物に近接近の間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理工程を適用するための、本開示の一実施形態によるプラズマ処理装置の処理チャンバの等角図である。
【図２Ａ】被加工物に近接近の間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理を適用するための、本開示の一実施形態による処理チャンバであって、処理チャンバ内に存在する電極組立体が長方形に成形されたプラズマ発生電極を含み、該電極の長手方向が被加工物の長手方向に対して平行な処理チャンバの終端断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに表された本開示の一実施形態による処理チャンバの側断面図である。
【図３Ａ】被加工物に近接近の間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理をもたらすための、本開示による処理チャンバであって、処理チャンバ内に存在する電極組立体が長方形に成形されたプラズマ発生電極を含み、該電極の長手方向が被加工物の長手方向に対して垂直な処理チャンバの終端断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに表された本開示の一実施形態によるプラズマ処理装置の側断面図である。
【図３Ｃ】本開示の一実施形態によるプラズマ処理装置の別の実施形態の側断面図である。
【図４Ａ】誘電体障壁と、プラズマを生成し、かつ流れを誘起するように構成された少なくとも２つのプラズマ発生電極とを含んでいる電極組立体を含む、本開示の一実施形態による処理チャンバであって、周囲の体積拘束と組み合わせて、プラズマによって生成された反応種を加速するとともに処理チャンバの内部の処理容積内の熱的均一性を増進する流れ渦を生成する処理チャンバの終端断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに表された処理チャンバの切断線Ｂ−Ｂに沿った下向き図（ｔｏｐ  ｄｏｗｎ  ｖｉｅｗ）である。
【図５】本開示の一実施形態による、処理チャンバの内部の、被加工物が通る処理容積内に整列して配置された複数の誘電体障壁のプラズマ放電電極組立体であって、電極のそれぞれが、被加工物の長手方向に対して長手方向が平行な長方形の形状を有する電極組立体を表す下向き図である。
【図６】本開示の一実施形態による、プラズマ処理装置の処理チャンバの内部の処理容積内の複数のプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す下向き図である。
【図７】本開示の一実施形態による、多重パス構成の一実施形態を示す酸化モジュールの正面図である。
【図８】本開示の一実施形態による、プラズマ処理装置の処理チャンバの内部の、被加工物が通る処理容積内に整列して配置された複数の誘電体障壁のプラズマ放電電極組立体であって、電極が長方形の形状を有し、被加工物の長手方向に対して電極組立体の長手方向が垂直である電極組立体を表す下向き図である。
【図９】本開示による、プラズマ処理装置の処理チャンバの内部の処理容積内に配置された、電気流体力学的流れ効果を誘起しない複数のプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す正面図である。
【図１０】本開示による、プラズマ処理装置の処理チャンバの内部の処理容積内に配置された、電極の長さの差が電気流体力学的流れ効果を誘起する１つまたは複数のプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す正面図である。
【図１１Ａ】本開示による長方形の形状を有するプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す下向き図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに表されたプラズマ発生電極組立体の等角断面図である。
【図１２Ａ】本開示による長方形の形状を有するプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す下向き図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに表されたプラズマ発生電極組立体の等角断面図である。
【図１３Ａ】本開示による円形の形状を有するプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す下向き図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに表されたプラズマ発生電極組立体の等角断面図である。
【図１４Ａ】本開示による円形の形状を有するプラズマ発生電極組立体の別の実施形態を表す下向き図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに表された円形の形状を有するプラズマ発生電極組立体の等角断面図である。
【図１５】誘導プラズマトーチの透視図である。
【図１６】平坦な構成を有する誘導プラズマトーチの概略図である。
【図１７】マイクロ波プラズマ装置の概略図である。
【図１８】電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマ装置の概略図である。
【図１９Ａ】本開示の一実施形態による、複数の電極組立体を含んでいる近接近の間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理装置の終端断面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ａに表された近接近の間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理装置の側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の詳細な実施形態が本明細書で説明されるが、開示される実施形態は、様々な形態で実施され得る本開示の構成、構造および方法の単なる実例であることを理解されたい。それに加えて、様々な実施形態と関連して示されるそれぞれの例は、例示であって、限定することのないように意図されている。さらに、図は必ずしも原寸に比例するものではなく、特定の構成要素の詳細を示すために、いくつかの特徴が強調されていることがある。したがって、本明細書で開示される特定の構造上の詳細および機能上の詳細は、限定するものではなく、本明細書で開示される構成、構造および方法を様々に採用することを当業者に教示するための単なる代表的な基本と解釈されるべきである。明細書における「一実施形態」、「ある実施形態」、「例示的実施形態」などに対する参照は、説明される実施形態が、特定の特徴、構造または特性を含み得るが、すべての実施形態が必ずしも特定の特徴、構造または特性を含んでいるとは限らないことを示す。その上、そのような慣用句は、必ずしも同一の実施形態を表すわけではない。
【００１０】
本明細書で用いられる「プラズマ」という用語は、粒子の特定の部分がイオン化されている、ガスに類似の物質の状態を表す。プラズマ状態は、一般に第４の物質の状態と称される。純粋に熱的な見地からすると、固体を加熱すると融解し、または液体を加熱すると蒸発するのと同様に、ガスを十分に加熱するとプラズマ状態への相変化をもたらすことになる。そのため、ガスを十分に加熱すると、その分子または原子がイオン化し（それらの電子の数が減少するかまたは増加し）、したがって、荷電粒子と、プラスイオンと、マイナスの電子またはイオンとを含有しているプラズマへの相変化を誘起することになる。プラズマは完全にイオン化され得、または部分的にイオン化され得る。イオン化は、強力な電磁界などの非熱的メカニズムによって誘起することができ、存在する場合には、分子結合の解離を伴い得る。プラズマベースの工業処理技法は、「遠隔暴露」または「直接暴露」のいずれかを含み得る。直接暴露方法は、プラズマ容積の中に被加工物を直接浸漬するステップを包含している。ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維に関して、直接暴露プラズマ方法は、一般に、材料に対して過大な損傷を与える一方で、十分に有効な酸化を誘起することがない。遠隔暴露（ＲＥ）プラズマ方法は、プラズマ容積自体ではなく、プラズマによって生成された反応種のみを代わりに利用する。一般的には、プラズマ容積を処理容積に接続するのに、それだけではないが、一般的には（化学的純度のために）フルオロポリマーで製作された長い細管が用いられる。プラズマ容積からの処理領域の分離の長さの効果を調査したところ、遠隔暴露（ＲＥ）プラズマ処理への影響はほとんどなかった。これは、数分程度の半減期を有する反応種を数ミリ秒以下の半減期を有する反応種に対して分離する顕著な半減期閾値が存在するという事実によるものであった。直接暴露プラズマ方法に似て、遠隔暴露プラズマ方法も、処理されているポリマーの被加工物に損傷を与える可能性がある。直接暴露と遠隔暴露のどちらにおいても、ポリマーの被加工物に与えられる中程度の損傷によって、結果として得られる炭素繊維の炭化された機械的性質が制限される。
【００１１】
一実施形態では、本明細書で開示される方法および構造は、加熱処理チャンバとプラズマ放電チャンバの統合と、処理チャンバを通してポリマー繊維を引っ張るための繊維送出技法と、プラズマで生成された反応種をポリマーの繊維の方へ加速するプラズマ生成方法とを結合する方法および装置を用いて、直接暴露プラズマおよび間接暴露プラズマによる酸化などのプラズマベースの処理でポリマーの前駆物質を処理する際の前述の問題を克服することができる。
【００１２】
図１に表されるプラズマ処理装置の処理チャンバ１００の一実施形態が提供する近接近の間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理工程は、加熱処理チャンバの統合、すなわち中間の加熱容積１０、およびプラズマ放電チャンバすなわち内部の処理容積５を含み得る。一般的な遠隔暴露（ＲＥ）プラズマ方法に関する問題の１つには、処理チャンバ内の熱的均一性および効率が不足していることがある。いくつかの実施形態では、図１に表された処理チャンバ１００は、遠隔暴露（ＲＥ）プラズマ方法と比較して、向上した熱的均一性および効率を提供するものである。いくつかの実施形態では、処理チャンバ１００の全体にわたって熱をより均一に分布させるために、中間の加熱容積１０がもたらす対流加熱は、内部の処理容積５の中に存在する電極組立体２０によって生成された非対称の電界勾配から生じる処理容積５内の流れ渦によって分散される。
【００１３】
より具体的には、図１に表された処理チャンバ１００は、内殻９および外殻１１が内部の処理容積５すなわちプラズマ放電チャンバの熱源になる中間の加熱容積１０を画定する、対流加熱制御を利用するものである。この内部の処理容積５は、内殻９をもたらす材料によって、処理チャンバ１００の炉部すなわち中間の加熱容積１０から絶縁されている。熱エネルギーは、中間の加熱容積１０から内部の処理容積５へ拡散される。内部の処理容積５では、ポリマー前駆物質の繊維が、被加工物６として繊維トウの形で長手方向に引き抜かれる。
【００１４】
図１を参照すると、円筒状、長方形、楕円状、正方形、または他の一般的な閉じた断面の多種多様な筺体形状が処理チャンバ１００に適している。いくつかの実施形態では、熱的筺体と見ることができるあらゆるものが、処理チャンバ１００として実施され得る。さらに、図１に表されているのは、処理チャンバ１００の１つの形状のみである。たとえば、別の可能な構成では、単一の円筒状の断面内に多重パスゾーンが採用されてよい。
【００１５】
一実施形態では、図１を参照して、処理チャンバ１００の外殻１１は円筒状の形状を有する。処理チャンバ１００の外殻１１は任意の形状を有し得るので、処理チャンバ１００の外殻１１の円筒状の形状は、説明のためにのみ与えられたものであって、本開示をその形状だけに限定するようには意図されてないことが注意される。たとえば、外殻１１は、長方形の形状のものなど、複数の面を有する形状でよい。外殻１１は、ステンレス鋼などの金属から成るものでよい。一実施形態では、処理チャンバ１００の外殻１１は、ポリマーおよびセラミックなど、３００℃より高い温度に暴露され得る熱的絶縁材料から成るものでよい。別の実施形態では、処理チャンバ１００の外殻１１は金属から成るものでよく、外殻１１の外面のまわりには絶縁ブランケットが存在してもよい。絶縁ブランケットは、繊維ガラスベースの絶縁体、セラミックベースの絶縁体、またはポリマーから成るものでよい。外殻１１が円筒状の形状を有する一実施形態では、外殻１１は、２ｃｍから５０００ｃｍの範囲の長さＬ１と、２ｃｍから５００ｃｍの範囲の直径Ｄ１とを有してよい。
【００１６】
処理チャンバ１０の内殻９は、中間の加熱容積１０および内部の処理容積５の容積を画定する。図１に表された実施形態では、内殻９は、外殻１１の円筒状の形状に対応する円筒状の形状を有する。外殻１１に類似して、内殻９の形状は円筒に限定されない。たとえば、内殻９も、長方形の形状などの複数の面を有してよい。いくつかの実施形態では、内殻９は電気的絶縁材料から成り、内部の処理容積５を加熱するように、熱エネルギーが、内殻９の材料によって中間の加熱容積１０から内部の処理容積５へ拡散することが可能になる。内殻９が金属から成るものでよいため、内殻９が電気的絶縁材料である必要はない。内殻９の別の機能には、本来腐食性かつ爆発性であり得る処理ガスおよび処理排気を密封して、外部環境への漏洩を防止することがある。適切な排気によって安全動作が保証される。
【００１７】
いくつかの実施形態では、内殻９の材料は、ガラス、セラミック、雲母、金属、任意の高温複合材（金属、ポリマー、セラミックおよびそれらの組合せ）から成るものでよい。内殻９の寸法は、内殻９が外殻１１内に含有され、内殻９と外殻１１を分離する空間が中間の加熱容積１０をもたらすのに十分であるように選択される。一実施形態では、内殻９の寸法は、内殻９と外殻１１を分離する寸法Ｗ１が０．１ｃｍから１００ｃｍの範囲になり得るように選択される。別の実施形態では、内殻９と外殻１１を分離する寸法Ｗ１は、１ｃｍから１０ｃｍの範囲にあり得る。
【００１８】
いくつかの実施形態では、中間の加熱容積１０は、対流熱によって内部の処理容積５の温度を上昇させ、すなわち中間の加熱容積は対流加熱器の構成要素である。「対流加熱器」は、空気処理用加熱器など、加熱要素にわたって、次いで加熱される作業成果物まで循環する空気の対流によって動作する加熱器である。一実施形態では、中間の加熱容積１０向けに熱を生成する加熱要素は、抵抗加熱器（すなわち電気的加熱要素）である。一実施形態では、加熱要素は中間の加熱容積１０の中ではなく外部に存在し、加熱要素によって生成された熱は空気によって中間の加熱容積に運ばれる。次いで、熱は、内殻９を通って内部の処理容積５の中に拡散する。したがって、いくつかの例では、電気的加熱要素からの電気的入力が処理空気を加熱し、次に処理空気が中間の加熱容積１０を満たして内部の処理容積５の壁を加熱することによって内部の処理容積５を加熱し、すなわち内殻９を加熱することによって内部の処理容積５を加熱する。加熱要素は、カンタル（ＦｅＣｒＡｌ）、ニクロム８０／２０、銅ニッケル合金、珪化モリブデン（ＭｏＳｉ２）およびアルミニウム（Ａｌ）でドープされた珪化モリブデンから成る抵抗線またはリボンでよい。加熱要素も、チタン酸バリウムとチタン酸鉛の複合材など、抵抗の熱係数がプラス（ＰＴＣＲ）のセラミックから成るものでよい。加熱要素は、また、加熱ランプ、伝導加熱、マイクロ波加熱、抵抗加熱およびそれらの組合せによってもたらされ得る。加熱要素によって生成された熱を中間の加熱容積に移送するための空気は、注入ポート４１を通って配送され、圧縮ガス源、ファン、送風機、または煙突効果をもたらす管路系統によって供給されてよい。
【００１９】
本明細書で開示された方法および構造は、中間の加熱容積１０を加熱する対流加熱方法に限定されるものではない。たとえば、中間の加熱容積１０は、伝導加熱、赤外線加熱、誘導加熱、およびマイクロ波加熱のうち少なくとも１つを用いて加熱されてよい。いくつかの実施形態では、内部の処理容積５の伝導加熱のために、内部の処理容積５の壁（すなわち内殻９）に接触加熱器を取り付けて、内部の処理容積５の壁（すなわち内殻９）に熱を直接与えることができる。そのような接触加熱器は、一般に、接触加熱器自体の中間基板を通じて内部の処理容積５の壁を直接加熱する内部の電気的抵抗素子を有し得る。加熱器は、高温、熱伝導性接着剤、セメントまたはエポキシ樹脂によって壁に接合され得る。
【００２０】
いくつかの実施形態では、内部の処理容積５を赤外線で加熱するために、赤外線加熱器が、内部の処理容積５の壁すなわち内殻９のコーティングに対して熱を放射するように設置され、内殻９のコーティングは、赤外線領域において強く吸収し、したがって内部の処理容積５に熱エネルギーを伝達して加熱する。別の実施形態では、内部の処理容積５を赤外線で加熱するために、内部の処理容積５の壁すなわち内殻９が効率的に吸収する材料で構成されていて、赤外線エネルギーによってそれ自体が単独で加熱される。赤外線加熱器は、処理容積の外部に配置され、内部の処理容積の壁が赤外線のエネルギーを透過するように構築されていれば、被加工物６に赤外線のエネルギーを直接伝送することができる。赤外線加熱器は、赤外線のエネルギーを被加工物６に直接伝送するように、プラズマ電極から電気的かつ化学的に十分に絶縁されるようなやり方で中間の加熱容積１０の内部に設置され得、または内部の処理容積５に取り付けられてもよい。赤外線加熱器の代表例は電気的抵抗素子であり、電流が流れると、そのエネルギーを赤外線放射に効率的に変換するか、または熱エネルギーを赤外線放射に効率的に変換する基板を加熱する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、被加工物６またはチャンバ壁すなわち内殻９を加熱するのにマイクロ波エネルギーを利用することができる。いくつかの例では、マイクロ波エネルギーを効率的に役立てるために、被加工物６またはチャンバ壁すなわち内殻９は、ほとんどのマイクロ波エネルギーを効率的に吸収して熱エネルギーに変換することができる。したがって、赤外線構成のとき説明されたのと同様に、２つの可能な構成が存在する。最も一般的なマイクロ波エネルギー源は磁電管である。マイクロ波エネルギー源を導波管に結合すると、所望の加熱効果を達成することができるはずである。
【００２２】
一実施形態では、中間の加熱容積１０で生成された熱によって、内部の処理容積５の温度が、たとえば２０から２５℃といった室温から５００℃の範囲だけ上昇し得る。別の実施形態では、中間の加熱容積１０で生成された熱によって、内部の処理容積５の温度が、１００℃から３００℃の範囲だけ上昇し得る。
【００２３】
処理チャンバ１００は、被加工物６が処理チャンバ１００を通って被加工物６によって引き抜かれ得るように、それぞれの終端に開口を含み得る。処理チャンバ１００のそれぞれの終端における開口は、選択された数の被加工物６が処理チャンバ１００を通って引き抜かれ得るような寸法および任意の数でよい。処理チャンバ１００は開口も含んでよく、これを通って処理ガス入口３０が内部の処理容積５の中に延在する。処理ガス入口３０は、被加工物６および電極組立体２０の上に、処理チャンバ１００の上部面を通って配置されて表されているが、処理ガス入口３０の位置は、この配置のみに限定されるわけではない。処理ガス入口３０により、処理ガスが、これも電極組立体２０を含有している処理チャンバ１００の内部の処理容積５に導入される。
【００２４】
一実施形態では、本明細書で開示される方法および構造は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維または他のポリマー材料の酸化または化学的架橋を提供する。いくつかの実施形態は、ポリマーの中への拡散速度を高めるために、２原子を持った分子酸素（Ｏ２）の代わりに１原子から成る酸素（Ｏ）などの反応性酸化種（ＲＯＳ）を採用し、その結果、繊維の内部の未反応の酸化していない材料が、より効率的に処理され得る。拡散の総括速度を高めることにより、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ベースの炭素繊維の生産における熱硬化の段階である酸化の第２のサブ段階を完成するのに、より多くの酸素が有効になる。特定の反応性酸化種の１つである原子酸素は、質量が分子酸素の半分であるばかりでなく、より化学反応性が強く、繊維の、必要とされる未反応の内部の領域の中に拡散した後、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）と反応し得る以前に解離する必要がないはずである。
【００２５】
反応性酸化種（ＲＯＳ）は、処理ガスの存在下で生成されたプラズマの生成物でよい。空気はプラズマ装置向けの１つの処理ガスであるが、特定の用途向けには、いくらかの酸素混合物を含む処理ガスまたは酸素含有ガスの他の混合物が適していることがある。実例には、それだけではないが、乾燥した空気または湿った空気と、窒素と、酸素および酸素含有ガスと、窒素、窒素酸化物と、一酸化炭素、二酸化炭素と、ヘリウム、アルゴンまたは他の不活性ガスと、アンモニアを含む水素および水素含有ガスと、それらの混合物とが含まれる。
【００２６】
一実施形態では、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）から成る、たとえばポリマートウといった炭素繊維用のポリマー前駆物質の酸化に利用される処理ガスは、窒素（Ｎ２）と２原子を持った分子酸素（Ｏ２）のガス混合物を含み得る。窒素（Ｎ２）と２原子を持った分子酸素（Ｏ２）のガス混合物の、酸素含有量、すなわち２原子を持った分子酸素（Ｏ２）含有率は、１０％から１００％の範囲であり得、窒素（Ｎ２）含有率は０％から９５％の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、プラズマ源によって処理ガスから生成され得る反応性酸化種には、Ｏ２、Ｏｘ、Ｏ、ＮｘＯｙ、ＨｘＯｙ、および他の酸素含有種、ならびに任意の処理ガスのイオン、遊離基、励起状態および代謝安定が含まれる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、加熱空気を中間の加熱容積１０の中へ導入するための入口４１を含んでいる処理チャンバ１００は、処理チャンバ１００の内部の処理容積５の中に直接供給するように分流されたこの流れのすべてのうち一部分を有することができる。いくつかの実施形態では、中間の加熱容積５の温度は、加熱空気を内部の処理容積５および中間の加熱容積１０の中に直接導入するための入口４１によって制御される。入口４１によって内部の処理容積５に導入された加熱空気は、中間の加熱容積１０を加熱するのに採用された前述の従来の加熱法のうちいずれかを用いて加熱されてよい。
【００２８】
図１〜図１４Ｂを参照して、電極組立体２０は、処理チャンバ１００の内部の処理容積５の中にも存在し得る。電極組立体２０は、被加工物６が処理チャンバ１００の第１の終端から第２の終端へ進むとき電極組立体２０を通るように配置されてよい。いくつかの実施形態では、電極組立体２０は、１）熱を発生して中間の加熱容積１０に供給する加熱要素のエネルギー所要量を低減し、２）電気流体力学的流れ誘導によって内部の処理容積５内に熱を分散させて、３）処理ガス入口３０によって内部の処理容積５に導入された処理ガスから反応性の強い短命な種を生成する、といった３つの目的に役立ち得る表面プラズマ装置をもたらす。「電気流体力学的流れ誘導」という用語は、正味の可動電荷（ｎｅｔ  ｍｏｂｉｌｅ  ｃｈａｒｇｅ）を有する流体に働く電界によって生成された粒子または流体の移送である。いくつかの実施形態では、電気流体力学的流れ誘導によって、プラズマと、チャンバの形状と、プラズマ形成電極の配置との組合せに由来する、処理チャンバ１００の全体にわたる対流加熱がもたらされる。プラズマ４０への被加工物６の近接近のために、反応性の強い短命な種は、ポリマー材料の酸化率を能動的に加速することができる。電極組立体２０によって内部の加熱容積５の中に形成されたプラズマ４０が、処理ガス入口３０によって内部の加熱容積５に導入された処理ガスから反応種を生成して維持する。反応種と中間の加熱容積１０によって生成された温度との組合せが、酸化率の加速に関与する。
【００２９】
図１〜図８において、プラズマ生成方法は、誘電体障壁２４の向かい合った面に少なくとも２つの電極２１、２２、２３が存在する電極組立体２０からの表面放電である。一実施形態では、表面放電プラズマ生成は、放電空間に加えて金属電極間の電流通路に１つまたは複数の絶縁層が存在することによって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、電極２１、２２、２３が、電極組立体２０（パネルとも称される）を取り巻くガスの降伏電圧を超過する３０Ｈｚから６０ｋＨｚの周波数範囲の交流電流（ＡＣ）で電気的に励振されるとき、誘電体障壁２４の表面上にプラズマが形成される。いくつかの実施形態では、電極２１、２２、２３に印加される交流電流の周波数範囲は、無線周波数領域（すなわち数十ＭＨｚ）に及ぶものでよい。一実施形態では、電極２１、２２、２３は、４０Ｈｚから５０ｋＨｚの周波数範囲の交流電流（ＡＣ）で励振される。このプラズマの適切な生成は圧力に左右されるが、一般的には、それだけではないが１トル〜１５００トルという広い範囲にわたって適切に動作するはずである。いくつかの実施形態では、プラズマを生成するための圧力は２５０トルから８００トルの範囲でよい。一例では、現在の工業のポリマー繊維変換ラインへの理想的な統合のために、動作はおおよそ大気圧（７６０トル）で行われる。
【００３０】
プラズマ４０の反応種は、処理ガス入口３０を通って処理チャンバ１００の内部の処理容積５に導入された処理ガスの存在下で電極２１、２２、２３に電圧を印加することによって生成され、処理ガスが、プラスに帯電したイオンおよびマイナスに帯電したイオンならびに電子すなわち「反応種」成分にイオン化される。このタイプの放電のプラズマ物理学は、標準的な誘電体障壁放電のメカニズムに従うものであり、イオン化の主要なメカニズムは電子なだれである。もたらされるプラズマ放電は非熱様式のものであり、すなわち電界から印加されるエネルギーの大部分を電子集団が吸収し、イオンおよび中性密度は室温に近いままである。
【００３１】
生成される反応種のタイプおよび量を決定するのに、温度、圧力、プラズマ物理学、電気的特性、電極形状、および周囲ガスの化学的性質のすべてが寄与する。反応種生成の主要なメカニズムは粒子衝突である。プラズマにおいて生じ得る一般的な原理の反応ステップは、特定のプラズマの動作様式に限定されるものではなく、また、本発明が、表１に列挙された電子放出、解離およびイオン化、ならびに再結合であることにも限定されない。
【００３２】
【表１】
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【００３３】
反応は複雑であり、一般的には、プラズマ容積の外部で検出される反応種は、それら自体がプラズマ容積の外部では残存し得ない短命な反応種（反応中間体）の間の複数ステップの反応の結果である。たとえば、大半のイオン種は、第三体の存在によって触媒された再結合のために、通常はプラズマ容積の外部では残存し得ない。それにもかかわらず、プラズマ容積によって生成された紫外光子により、プラズマ容積の外部の励振状態の種および準安定分子の寿命が、処理条件に依拠して、異なる度合いで延長され得る。
【００３４】
いくつかの実施形態では、表面プラズマは、たとえばポリマーの前駆物質の酸化といった被加工物の化学的変換メカニズムを加速するために、室温から３００℃の範囲で加熱され得る内部の処理容積５の中の被加工物すなわち被加工物６の近接近で生成される。本明細書で用いられる「近接近」という用語は、たとえば繊維トウといった被加工物６と電極組立体２０の誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４が３０ｃｍ以下であることを意味する。たとえば、たとえば繊維トウといった被加工物６と電極組立体の誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、２０ｃｍ、１８ｃｍ、１６ｃｍ、１４ｃｍ、１２ｃｍ、１０ｃｍ、８ｃｍ、６ｃｍ、４ｃｍ、２ｃｍまたは１ｃｍである。前述の値のうち任意の２つからもたらされる範囲も、本明細書で企図されている。例として、たとえば繊維トウといった被加工物６と誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、１ｃｍから１５ｃｍの範囲でよい。別の実施形態では、たとえば繊維トウといった被加工物６と誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、５ｃｍから１０ｃｍの範囲でよい。
【００３５】
いくつかの実施形態では、被加工物６すなわち繊維トウに対する近接近Ｄ４にプラズマ容積４０を配置することにより、より短命な反応種が、被加工物６の化学処理において、より大きな役割を果たすことができる。たとえば、いくつかの実施形態では、プラズマ容積からの反応種が、約１０−４秒の時間で、被加工物６すなわち繊維トウに到達することができると推定される。それに比べて、遠隔暴露（ＲＥ）プラズマ処理方法は、プラズマからの反応種が被加工物すなわち繊維トウ６に到達するのに数秒程度かかる。いくつかの実施形態では、処理チャンバ１００の内部の処理容積５内の、電極組立体２０の電極２１、２２、２３の形状ならびに電極組立体２０の配置は、プラズマの反応種を被加工物６すなわち繊維トウの方へ加速する、内部の処理容積５内の電気流体力学的流れ誘導に影響を与え得る。電気流体力学的流れ誘導効果は、本開示のすべての実施形態に必要というわけではないことが注意される。
【００３６】
図１、図２Ａ、図４Ａおよび図４Ｂが示す一実施形態では、電極組立体２０は、誘電体障壁２４によって分離された２つの上部電極２１、２２と単一の下部電極２３とを含む。２つの上部電極２１、２２は誘電体障壁２４の第１の面に存在し、単一の下部電極２３は誘電体障壁２４の反対側の第２の面に存在する。２つの上部電極２１、２２は長方形の形状であって、それらの長手方向は被加工物６の進行方向に対して平行である。図３Ａおよび図３Ｃが表す本開示の別の実施形態は、これも、長方形の形状を有する２つの上部電極２１、２２を含み、それらの長手方向は被加工物６の進行方向に対して垂直である。図３Ｂが表す本開示のさらに別の実施形態では、誘電体障壁２４の一方の面すなわち上部面には単一の電極２２’のみが存在し、他方の面すなわち下部面には単一の下部電極２３が存在する。
【００３７】
図１〜図８を参照して、一実施形態では、反応種を生成するプラズマ４０をもたらす電極組立体２０の電極２１、２２、２３は、白金、アルミニウム、銅、金、銀、およびそれらの組合せなどの導電材料から成るものである。上部電極２１、２２は、長方形の形状であるとき、長さは２ｃｍから５０００ｃｍの範囲でよく、幅は０．０１ｃｍから１０ｃｍの範囲でよく、厚さは０．０１ｃｍから１０ｃｍの範囲でよい。図２Ａを参照して、一実施形態では、上部電極２１と２２を互いから分離している距離Ｄ３は、１ｃｍから５００ｃｍの範囲でよい。単一の下部電極２３は、上部電極２１、２２の第１の電極２１から第２の電極２２に及ぶ幅を有し得る。いくつかの例では、単一の下部電極２３の外縁は、第１の上部電極２１の外縁および第２の上部電極２２の外縁と実質的に整列してよい。たとえば、単一の下部電極２３は、０．０１ｃｍから５００ｃｍの範囲の幅を有し得る。単一の下部電極２３の厚さは０．０１ｃｍから１０ｃｍの範囲でよい。上記は固体電極の一般的な寸法である。これらの電極は、固体電極の構成に加えて、中空電極でもあり得る。
【００３８】
いくつかの実施形態では、上部電極２１、２２は高電圧電極と称されることがあり、単一の下部電極２３は接地電極と称されることがある。一実施形態では、誘電体障壁２４はセラミック材料から成るものである。たとえば、誘電体障壁２４は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、ホウケイ酸塩類のガラス（ｂｏｒｏｓｉｌｉｃａｔｅ  ｆａｍｉｌｙ  ｏｆ  ｇｌａｓｓｅｓ）、ソーダ石灰ガラス、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、アルミノケイ酸塩、ポリアルミノケイ酸塩セラミック（ポリコール）、すべての種類の雲母（たとえば黒雲母、白雲母、金雲母など）、温度的に最も安定した誘電体材料、任意の非導電セラミックポリマーおよび高温ポリマー、ならびにそれらの組合せから成るものであり得る。誘電体障壁２４の厚さは０．０１ｃｍから１０ｃｍの範囲でよい。
【００３９】
電極組立体２０はパネルと称されることもある。処理チャンバ１００の内部の処理容積５内には、任意数の電極組立体２０が存在し得る。一実施形態では、処理チャンバ１００の内部の処理容積５の中にある電極組立体２０の数は、被加工物６に対して遂行しようとする処理の数に対応するように選択されてよい。図５〜図８が表す本開示のいくつかの実施形態は、処理チャンバ１００の内部の処理容積５内の電極組立体２０の配置を示す。前述のように、図５〜図７に表された電極組立体２０のそれぞれには、誘電体表面２４上に存在し、互いから分離されている２つの上部電極２１、２２が含まれる。図５が表す本開示の一実施形態には、連続して、すなわち直線状に並んで配置された複数の電極組立体２０ａ、２０ｂ、２０ｃが含まれる。図５に表される電極組立体２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、電極組立体２０ａ、２０ｂ、２０ｃの上部電極２１、２２の長手方向が、被加工物６の進行方向（ｌｅｎｇｔｈ  ｏｆ  ｔｒａｖｅｌ）に対して平行になるように配置されている。図５に表された実施形態は電極組立体２０ａ、２０ｂ、２０ｃに関して個別のユニットを示すが、この構成は、内部では分割されているものの、装置の外部から観察すると１つの連続したユニットとして見えることもあり得る。加えて、外部で１つのオーブンに見えるモジュールが、実際には内部に温度勾配があるか、またはこれらの温度勾配を画定する内部の分割器を有することがある。
【００４０】
図６が表す本開示の一実施形態では、被加工物６が内部の処理容積５を何回も通過し、被加工物６は、内部の処理容積を通過するごとに、異なる電極組立体２０ｄ、２０ｅ、２０ｆを通過する。図６に表される電極組立体２０ｄ、２０ｅ、２０ｆは、電極組立体２０ｄ、２０ｅ、２０ｆの上部電極２１、２２の長手方向が、被加工物６の進行方向に対して平行になるように配置されている。
【００４１】
図７は、多重パス構成を示す酸化モジュールの正面図である。内部に×を有する円は紙面に入って行く方向を表し、内部に点を有する円は紙面から出て来る方向を表す。３つの破線６は、（サイズを問わず）個々の繊維トウの列を表す。電極組立体２０’は、それぞれの多重パスチャンバの頂部および底部に位置してよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、各チャンバの頂部および底部に電極組立体２０’を有する必要はなく、頂部および底部にそれぞれ１つだけあればよい。多重パスの数は２から５０の範囲であり得る。
【００４２】
図８が表す本開示の別の実施形態では、複数の電極組立体２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋが直線状に並んで配置されている。この実施形態では、電極組立体２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋの上部電極２１、２２の長手方向は、被加工物６の長手方向に対して垂直である。図１〜図８に表された電極組立体の例は、説明のためにのみ提供されたものであって、本開示を限定するようには意図されていない。本明細書で開示された方法および構造向けに多種多様な電極形状が可能であることが注意される。
【００４３】
たとえば、図９が表すプラズマ発生電極組立体５０の一実施形態は、反応種を生成するが電気流体力学的流れ効果は誘起しないＣＰＩＥプラズマ処理装置の内部の処理容積５内に配置するためのものである。プラズマ発生電極組立体５０は、第１の電極５１と第２の電極５２の間に少なくとも１つの誘電体層５３ａ、５３ｂを有する平行板の構成を含む。いくつかの実施形態では、第１の電極５１上に第１の誘電体層５３ａすなわち第１の誘電体障壁が存在し、第２の電極５２上に第２の誘電体層５３ｂすなわち第２の誘電体障壁が存在する。第１の電極５１と第２の電極５２の間には、第１の誘電体層５３ａと第２の誘電体層５３ｂのうち少なくとも１つが存在すればよく、両方が存在しなければならないわけではない。この実施形態の電極５１と５２の間に非対称性はなく、したがって電気流体力学的流れ誘導はない。この構成では、ガス入口５４からの処理ガスがプラズマ容積４０を通って噴射され、そこで生成された反応種を被加工物６に移送するのに十分な注入運動量がある。この実施形態では、図１〜図７に表された実施形態に似て、第１の電極５１、第２の電極５２と被加工物６の間の距離は、被加工物６が第１の電極５１、第２の電極５２に対して近接近Ｄ５であるように選択されている。たとえば、たとえば繊維トウといった被加工物６と電極組立体５０の第１の電極５１、第２の電極５２の間の距離Ｄ５は、２０ｃｍ、１８ｃｍ、１６ｃｍ、１４ｃｍ、１２ｃｍ、１０ｃｍ、８ｃｍ、６ｃｍ、４ｃｍ、２ｃｍまたは１ｃｍである。前述の値のうち任意の２つからもたらされる範囲も、本明細書で企図されている。例として、たとえば繊維トウといった被加工物６と電極組立体５０の第１の電極５１、第２の電極５２の間の距離Ｄ５は、１ｃｍから１５ｃｍの範囲でよい。別の実施形態では、たとえば繊維トウといった被加工物６と電極組立体５０の第１の電極５１、第２の電極５２の間の距離Ｄ５は、５ｃｍから１０ｃｍの範囲でよい。
【００４４】
図１０〜図１４Ｂは、本開示の実施形態の、反応種を生成し、かつ電気流体力学的流れ誘導をもたらすことができる追加の表面放電プラズマ発生電極を表す。上記で論じたように、電気流体力学的流れ誘導は、プラズマによって生成された反応種を被加工物６の方へ加速することができる。図１０は、表面障壁放電プラズマ発生電極組立体６０の一実施形態であり、電気流体力学的流れ誘導に寄与する、電極の非対称の形状を示す。いくつかの実施形態では、頂部電極６１の長さＬ１と底部電極６２の長さＬ２の間の長さの差Ｌｐから、電気流体力学的流れ誘導が生じ得、適切な励振により、プラズマ４０が、誘電体障壁６３の表面上およびその表面の近くで生成される。この長さ差Ｌｐによって、流れすなわち電気流体力学的流れ誘導を誘起するための非対称性がもたらされ、後に論じる流れ渦が形成され得る。図１０に表された電極組立体６０は、図１〜図４Ａに表された内部の処理容積５内に存在する電極組立体の代わりになり得、または図５〜図８に表された電極組立体に類似の配置をされてもよい。図１０に表される電極形状は、電気流体力学的流れ誘導をもたらすことができる電極形状のほんの一例である。この非対称性を利用することができる広範な電極形状が存在し得る。たとえば、図１１Ａ〜図１４Ｂが提供する非対称の電極形状のいくつかの例は、プラズマによって生成された反応種を被加工物６の方へ加速することができる電気流体力学的流れ誘導をもたらすことができる。
【００４５】
図１１Ａおよび図１１Ｂが表す電極組立体７０の一実施形態は、誘電体層７３によって分離された長方形の上部電極７１および下部電極７２を有する。下部電極７２の幅Ｗ５および長さＬ５は、上部電極７１の幅Ｗ６および長さＬ６よりも大きく、電気流体力学的流れ誘導をもたらす非対称の形状を与える。図１２Ａおよび図１２Ｂが表す電極組立体７５の別の実施形態は、長方形の上部電極７６と、誘電体層７８によって分離された長方形の下部電極７７とを有し、上部電極７６と下部電極７７はどちらも長方形の開口を有する。図１１Ａおよび図１１Ｂに表された電極組立体７０に似て、図１２Ａおよび図１２Ｂが表す電極組立体７５の上部電極７６と下部電極７７の寸法の差が、電極組立体７５が生成したプラズマによって生成された反応種の電気流体力学的流れ誘導をもたらす。図１１Ａ〜図１２Ｂに表された電極組立体７０、７５は、図１〜図４Ａに表された内部の処理容積５内に存在する電極組立体の代わりになり得、または図５〜図８に表された電極組立体に類似の配置をされてもよい。図１１Ａ〜図１２Ｂに表された矢印は、電極組立体７０、７５によって生成された電気流体力学的流れ誘導の方向を表す。図１２Ａおよび図１２Ｂが表す電極組立体７５を用いて、多方向の流れを互いに向けて導き、正味の上昇流をもたらすことにより、垂直の電気流体力学的流れ誘導が実現され得る。
【００４６】
図１３Ａおよび図１３Ｂが表すプラズマ発生電極組立体８０の一実施形態は、円形の形状を有し、上部の円形の電極８１が誘電体層８３によって下部の円形の電極８２から分離されており、上部電極８１の幅Ｗ７と下部電極８２の幅Ｗ８の間の差によってもたらされた非対称の電極組立体８０が、プラズマによって生成された反応種を加速することができる電気流体力学的流れ誘導効果をもたらす。図１４Ａおよび図１４Ｂが表す電極組立体８５の別の実施形態は、誘電体層８８によって分離された円形の上部電極８６および円形の下部電極８７を有し、上部電極８６および下部電極８７のそれぞれが円形の開口を有する。図１３Ａおよび図１３Ｂに表された電極組立体８０に似て、図１４Ａおよび図１４Ｂが表す電極組立体８５の上部電極８６と下部電極８７の寸法の差が、電極組立体８５が生成したプラズマによって生成された反応種の電気流体力学的流れ誘導をもたらす。図１３Ａ〜図１５Ｂに表された電極組立体８０、８５は、図１〜図４Ａに表された内部の処理容積５内に存在する電極組立体の代わりになり得、または図５〜図８に表された電極組立体に類似の配置をされてもよい。図１３Ａ〜図１４Ｂに表された矢印は、電極組立体８０、８５によって生成された電気流体力学的流れ誘導の方向を表す。図１４Ａおよび図１４Ｂが表す電極組立体８５を用いて、多方向の流れを互いに向けて導き、正味の上昇流をもたらすことにより、垂直の電気流体力学的流れ誘導が実現され得る。
【００４７】
図９〜図１４Ｂに表された例は、いずれかの平面方向にこれらの形状の配列を生成することにより、サイズまたは数をスケーリングすることができる。本開示では、ＣＰＩＥプラズマ処理装置の電極組立体のための、３角形、星形、楕円およびそれらの組合せなどのさらなる幾何学的図形を想像して実施することができる。
【００４８】
図１〜図８および図１０〜図１４Ｂを参照して、いくつかの実施形態では、電極組立体２０、６０、７０、７５、８０、８５によって生成されたプラズマ容積４０は、近接した周囲の中性ガスに、流れすなわち電気流体力学的流れ誘導を誘起することができ、プラズマによって生成された反応種の、容積からたとえば繊維トウといった被加工物６への直接的なバルク加速と、内部の処理容積５の中に熱の循環および分布とをもたらす。チャンバ壁と組み合わせた、内部の処理容積５の中のプラズマ形成から生じる熱および反応種の循環および分布は、「流れ渦」と称されることもある。いくつかの実施形態では、チャンバ壁すなわち内殻９が、内部の処理容積５の形状を画定し、流れ渦に関する境界条件をもたらす。
【００４９】
より具体的には、いくつかの実施形態では、電極組立体２０、６０、７０、７５、８０、８５（パネルとも称される）の適切な構造がもたらす非対称の電界勾配によって、プラズマ４０のイオン種の流れが加速され、主として弾性衝突によって、中性ガスに、流れ誘導すなわち電気流体力学的流れ誘導が、電極組立体２０、６０、７０、７５、８０、８５の正確な幾何学的配置、ならびに電極組立体に印加される電圧、電極組立体に印加される周期数、隣接電極間の間隔、電極の形状および電極の化学的性質に依拠して、１０メートル毎秒までの速度で特定方向にもたらされる。たとえば、一実施形態では、反応種は、流れ渦によって、被加工物６の方へ、反応性酸化種が１０−３秒以内に被加工物６に到達するような速度に加速され得る。別の実施形態では、反応種は、流れ渦によって、被加工物６の方へ、反応性酸化種が１０−４秒以内に被加工物６に到達するような速度に加速され得る。さらに別の実施形態では、反応種は、流れ渦によって、被加工物６の方へ、反応性酸化種が１０−５秒以内に被加工物６に到達するような速度に加速され得る。
【００５０】
また、中間の加熱容積１０と、加熱空気を内部の処理容積５の中に直接導入するための入口４１とによって内部の処理容積５内で生成された熱が、流れ渦により、内部の処理容積５の全体にわたって均一に分布する。いくつかの実施形態では、温度均一性には３つの主要な要因が寄与する。内部の処理容積５にガス流れが注入され、内部の処理容積５でプラズマ放電が生じて、内部の処理容積の壁９が熱的に均一になる。いくつかの実施形態では、プラズマ４０は熱源ももたらす。誘電体障壁電極組立体を利用するいくつかの実施形態では、プラズマ放電は、電気的励振からの粒子エネルギー変換のために熱源になる。プラズマ４０は、誘電加熱現象と、内部の処理容積５内のプラズマのイオンおよび中性密度ならびにガス大気へのエネルギー分与との両方によって熱をもたらすことができる。プラズマ４０によってもたらされた追加の熱源により、内部の処理容積５の温度を、前述の中間の加熱容積１０によって供給される熱以上に上昇させることができる。この特徴は、よりエネルギー効率の良い処理をもたらし、以前は不可能であった処理に対する熱制御の新規のメカニズムを提供するものである。独立して制御される複数の電極組立体が設置されている、スケーリングされる実装形態では、各組立体が、送られる電力の度合いに比例して、ある程度の熱を発生することができ、このことが、より正確で均一な加熱効果をもたらすように、または、反対に、連続した被加工物の経路に沿った正確な温度勾配を作り出して、処理に対する特化された効果をもたらすように、利用され得る。一般に、対流加熱に加えてプラズマを含み、処理ガス流れは含まないプラズマ条件を、プラズマがなく（完全オフとも称される）、処理ガス流れもない、対流加熱のみを含んでいる対流加熱条件と比較すると、このプラズマ条件は、プラズマ条件のない対流加熱よりも均一な縦の温度勾配をもたらす。たとえば、一実施形態では、プラズマ条件は、傾斜を半分近くまで引き下げる。言い換えれば、静的加熱処理チャンバでは、温度は、一般に、チャンバの底部から頂部まで低温から高温へと変化する。本明細書で開示された方法および構造に採用されているプラズマ条件は、その温度変化をほぼ半分に低減することができる。
【００５１】
内部の処理容積５の全体にわたる温度均一性は本開示の一実施形態であるが、本開示のすべての実施形態の必要条件とは限らない。たとえば、図１９Ａおよび図１９Ｂに示されるように、内部の処理容積５の温度が、その長手方向すなわちｙ方向に沿って一様でない実施形態が企図されている。図１９Ａを参照すると、内部の処理容積５内のｘ方向およびｚ方向は、温度均一性を維持するための、典型的に最も重要な方向である。図１９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、プラズマを形成する電極組立体９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄのそれぞれによってもたらされる熱を調節することにより、内部の処理容積５の長手方向すなわちｙ方向に沿って温度勾配または均一の温度をもたらすことができる。たとえば、温度勾配をもたらすには、ｙ方向に沿った正確な熱制御を可能にするために、それぞれのプラズマ生成電極組立体９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄに独立してエネルギーを与えることができる。
【００５２】
図２Ａ、図２Ｂおよび図７を参照すると、電極組立体２０が含んでいる上部電極２１、２２が被加工物６の進行方向に対して平行な長手方向を有する一実施形態では、上部電極２１、２２のそれぞれの上で、流れ渦２５ａ、２５ｂが循環する。図２Ａ、図２Ｂおよび図６では、上部電極２１、２２の長手方向は、処理チャンバ１００の長手方向に対して平行である。したがって、流れ渦２５ａ、２５ｂが一周する軸は、処理チャンバ１００の長手方向に対して平行である。各流れ渦２５ａ、２５ｂの各軸は、上部電極２１、２２のうち１つの上に存在する。
【００５３】
図２Ａ、図２Ｂおよび図６を参照すると、一実施形態では、第１の上部電極２１の上に存在する第１の流れ渦２５ａは、実質的に円形であって、第１の電極２１から、たとえば反時計回りの第１の回転で、第１の電極２１と第２の電極２２の間の被加工物６に向かって上方へ延び、また、第２の上部電極２２の上に存在する第２の流れ渦２５ｂは、実質的に円形であって、第２の電極２２から、たとえば時計回りの第２の回転で、被加工物６に向かって上方へ延びる。第２の渦２５ｂの第２の回転は、第１の渦２５ａの第１の回転と反対方向である。
【００５４】
いくつかの実施形態では、プラズマ容積から通常は極低速で拡散するプラズマ４０の反応種が、代わりに、流れ渦２５ａ、２５ｂによって、たとえば繊維トウといった被加工物６の方へ直接加速されることになり、被加工物６が反応種に暴露する速度が劇的に上昇して、所望の化学変換の速さが向上する。それに加えて、流れ渦２５ａ、２５ｂによってもたらされるこの流れ誘導は、内部の処理容積５内の温度すなわち熱の内部循環を起こすのにも役立ち、均一性および化学反応の速度にとって大きな支援となる。
【００５５】
図２Ａ、図２Ｂおよび図４Ａに表された流れ渦２５ａ、２５ｂは、処理チャンバ１００の内部の処理容積５内に形成され得る流れ渦２５ａ、２５ｂの単なる一例である。たとえば、図３Ａ〜図３Ｃに表された本開示の別の実施形態では、上部電極２１、２２、２２’は、処理チャンバ１００の内部の処理容積５内に、上部電極２１、２２、２２’の長手方向が被加工物６の進行方向に対して実質的に垂直になるように配置されている。図３Ａ〜図３Ｃに表された電極組立体２０は、図２Ａ、図２Ｂおよび図４Ａに表された電極組立体２０の構成に似て、非対称の電界勾配を生成する。非対称の電界は、チャンバ１００の内部の処理容積５の壁の寸法形状と組み合わせて、プラズマ４０のイオン種すなわち反応種を加速する機械的流れを誘起し、このことが、中性ガスに、主として弾性衝突によって、特定の方向に数十メートル毎秒までの速度で流れ誘導すなわち電気流体力学的流れ誘導をもたらす。図３Ａ〜図３Ｃでは、上部電極２１、２２、２２’の長手方向は繊維トウ６の進行方向に対して垂直であり、上部電極２１、２２、２２’のそれぞれの上で流れ渦２５ｃ、２５ｄが循環する。
【００５６】
図３Ａ〜図３Ｃでは、上部電極２１、２２、２２’の長手方向は、処理チャンバ１００の長手方向に対して垂直である。したがって、流れ渦２５ｃ、２５ｄが一周する軸は、処理チャンバ１００の長手方向に対して垂直である。各流れ渦２５ｃ、２５ｄの各軸は、上部電極２１、２２、２２’のうち１つの上に存在する。図３Ａ〜図３Ｃを参照すると、一実施形態では、第１の流れ渦２５ｃ、２５ｄは実質的に円形であり得る。流れ渦２５ｃ、２５ｄは、図２Ａ、図２Ｂおよび図４Ａに表された流れ渦２５ａ、２５ｂに似て、プラズマ４０の反応種を、たとえば繊維トウ６といった被加工物の方へ直接加速し、被加工物が反応種に暴露する速度が上昇して、所望の化学変換の速さが向上する。さらに、いくつかの実施形態では、流れ渦２５ｃ、２５ｄによってもたらされる流れ誘導は、内部の処理容積５内の温度すなわち熱の内部循環を起こすのに役立ち、均一性および化学反応の速度にとって大きな支援となる。
【００５７】
図１〜図７に表された、誘電体障壁放電プラズマのための電極組立体２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ、２０ｉ、２０ｊ、２０ｋは、被加工物６の処理のためのプラズマ４０および反応種を形成するための電極組立体のほんの数例でしかないことが注意される。たとえば、コロナ放電、ホロー陰極放電、低圧放電（この分野のいくつかは、アークまたは低圧放電などのダイオード放電として、ＤＣの放電を分離する）およびそれらの組合せなどの誘電体障壁放電に加えての他の容量結合技法も、本明細書で開示された方法および構造に採用され得る。容量放電に加えて、被加工物６を処理するためのプラズマおよび反応種は、誘導結合方法および電磁波結合方法も含み得る。さらに、誘導結合方法および電磁波結合方法と容量結合を組み合わせたいくつかの実装形態が存在している。一般に、本明細書で採用されたプラズマ方法は、非熱的物理的様式の範囲内のものである。
【００５８】
誘導結合は、熱的物理的様式および非熱的物理的様式に関して、広範囲の圧力においてプラズマ放電を生成し、かつ閉じ込めるために、磁界を利用することを包含している。ヘリコン、トーチ、およびジェットなどの様々な実装形態が存在する。誘導結合の手法では、一般的には、様々な材料のコイルが、大電流を通すとプラズマ放電を発生し、かつ／または含有するように構築される。誘導プラズマトーチの一般的な構成が図１５に示されており、平坦な構成が図１６に示されている。一般に、誘導プラズマを維持するのに必要な放電エネルギーは、３つの主要な種の個体群（電子、イオン、および中性粒子）がすべて同一温度において存在する熱的様式でプラズマを動作させるのに十分なほど大きいものである。しかしながら、いくつかの実施形態では、誘導結合技法を利用する最適な構成は、非熱的様式の動作を必要とする可能性がある。ここで、ポリマー材料すなわち被加工物６に対する近接近の磁気励起と電気励起の組合せは、所望の結果をもたらし得る。
【００５９】
プラズマ放電に対する励起エネルギーの電磁波結合も、反応種を、被加工物すなわち繊維トウ６の方へ加速するために、流れ渦をもたらす非対称の電界勾配を形成するための別の可能な実装形態である。電磁波結合を採用する可能な手法には、図１７に示されるような表面波形プラズマ、マイクロ波プラズマと、図１８に示されるような電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマとが含まれる。電磁波結合は、適切な周期数および圧力（通常、低圧が必要とされる）でガスをプラズマに分解するために高エネルギー伝送波を利用することを包含している。この手法を開示された処理とともに利用するために、所望の効果を達成するのに、波形および近接が、最も感度のよいパラメータである。プラズマシースの厚さ、材料への反応種送出、および温度を決定論的に制御するために、プラズマとポリマー材料の間の領域には、追加の電磁界操作が必要となる可能性が高い。
【００６０】
別の態様では、処理チャンバ１００の中に、たとえばポリマー前駆物質といった被加工物を移送するための配送方法が提供される。一実施形態では、図１〜図７および図９に表されるように、配送方法は被加工物６によってもたらされる。一実施形態では、被加工物６は、リールツーリールのトウによって供給されてよい。一実施形態では、リールツーリールのトウは、処理チャンバ１００の入口の開口に存在する送りリールと、反対側の、処理チャンバ１００の出口の開口に存在する引上げリールとを含む。本明細書で用いられる「被加工物」という用語は、フィラメントの集合を表す。いくつかの実施形態では、被加工物６は、グループ化されたポリマーのフィラメントの長い直線状の全長から成り、繊維トウと称されることがある。被加工物６はマットで供給されてもよく、繊維マットには、単一指向性など指向性の、またはランダムな配向の、緩くまとめられた、様々な長さのポリマーのフィラメントのグループが含まれ得る。被加工物６は、短繊維も含んでよく、または編んだ材料から成り得る。たとえば、編んである／織ってある材料の被加工物６は、織物状の材料を生成する織り込まれたポリマーのフィラメントを含み得る。被加工物６および開示されたプラズマベースの処理は、あらかじめ酸化された材料の難燃性を高めるのに用いられ得る。さらに別の実施形態では、被加工物６には、数インチからミクロンまでの様々な長さにカットされ、相互に積重ねられたフィラメントが含まれ得る。
【００６１】
トウは、含有している繊維の数によって示される。たとえば、１２ｋのトウは約１２，０００の繊維を含有している。他のトウサイズには、０．５ｋ、１ｋ、３ｋ、６ｋ、２４Ｋ、２６Ｋ、４８Ｋ、５０Ｋ、６２Ｋおよび８０ｋが含まれ得る。ｋ値は、トウ内の個々のフィラメントの数を１０００で示す。いくつかのさらなる例では、被加工物６は、５００，０００までのフィラメントを含んでよく、バンドと称され得る。炭素繊維の生産において、処理チャンバ１００内で、たとえば繊維トウといった被加工物６が酸化処理を用いて処理される実施形態では、被加工物６は、レーヨン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）または石油ピッチなどのポリマー前駆物質から成るものでよい。ポリマー前駆物質がポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）から成る一例では、前駆物質の構成はアクリロニトリルモノマーから開始してよく、これが、反応器の中で、アクリル酸メチルまたは酢酸ビニルなどの可塑化アクリルのコモノマー、およびイタコン酸、二酸化硫黄酸、硫酸またはメチルアクリル酸などの触媒と組み合わされる。連続した攪拌により、原料が混合され、均一性および純度が保証され、アクリロニトリルの分子構造の内部で遊離基の形成が始まる。この変化が、アクリル繊維を形成することができる長い原子連鎖のポリマーを生成する化学処理である重合をもたらす。
【００６２】
レーヨンまたはポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）などの合成ポリマーについては、前駆物質が、完成した炭素繊維の最終的な物理的特性が向上するように、最初にポリマー原子を整列させるために、化学的処理および機械的処理を用いて最初にフィラメントへと紡がれる。湿式紡糸と称される処理によってポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維が形成され得る。一実施形態では、液体の凝固浴槽に浸漬されたドープが、貴金属から製作された紡糸口金の孔を通って押し出される。紡糸口金の孔は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維の所望のフィラメント数と一致する。比較的ゼラチン状で壊れやすいこの湿式紡糸繊維は、過剰な凝固剤を除去するために、ローラーによって、洗浄液（ｗａｓｈ）を通って引き抜かれ、次いで、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）ポリマーの配向を持続するように、乾燥され、かつ引き伸ばされる。ここで、フィラメントの外部形状および内部断面は、選択された溶剤および凝固剤が前駆物質繊維に侵入している度合いと、印加された張力の合計と、フィラメントの伸びの割合とによって決定される。湿式紡糸の代替には、乾燥ジェット／湿式紡糸と称されるハイブリッド処理があり、これは繊維と凝固槽の間の垂直の空隙を用いるものである。これは、複合材料における繊維／母体樹脂の境界面を増強することができる滑らかで丸いポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）繊維を生成する。ポリマー繊維は、引抜きまたは紡糸の後に、次いで、非炭素原子を追い出すために加熱されてよい（炭化）。粘着性のフィラメントが一緒に凝集するのを防止するために、前駆体物質に仕上げオイルを塗布してよい。前駆体物質はボビンに巻きつけられてよい。このボビンは、繊維トウの、リールツーリールの装置の送りリールをもたらし得る。
【００６３】
たとえば電極組立体２０といったプラズマ発生システムが、処理チャンバ１００の内部の処理容積５の中に組み込まれているので、たとえば繊維トウといった被加工物６の位置、広がり、および張力は、被加工物６が電極組立体２０の電極２１、２２に十分接近することを保証するように選択されてよく、その結果、プラズマによって生成された反応種は、たとえば繊維トウといった被加工物６の方へ加速され得る。たとえば、被加工物６と電極組立体２０の誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、３０ｃｍ以下でよい。他の例では、被加工物６と電極組立体２０の誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、２０ｃｍ、１８ｃｍ、１６ｃｍ、１４ｃｍ、１２ｃｍ、１０ｃｍ、８ｃｍ、６ｃｍ、４ｃｍ、２ｃｍまたは１ｃｍである。前述の値のうち任意の２つからもたらされる範囲も、本明細書で企図されている。例として、たとえば繊維トウといった被加工物６と誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、１ｃｍから１５ｃｍの範囲でよい。別の実施形態では、たとえば繊維トウ６といった被加工物と誘電体障壁２４の間の距離Ｄ４は、５ｃｍから１０ｃｍへ範囲でよい。最後に、繊維は、処理の過程において、分子緩和（熱によるもの）と分子配向（張力によるもの）の間の適切なバランスを達成することができるように張力を与えておく必要がある。必要な最小の張力は、チャンバの全長に沿って被加工物６のたるみがないようにするものである。繊維トウから成る被加工物６については、この範囲は、主としてトウのサイズ（１つのトウ当りのフィラメント数）に依拠して、より大きくなる。張力は、１つのトウ当りのフィラメント数に依拠して、１０ｇから５０ｋｇの範囲であり得る。
【００６４】
一実施形態では、リール速度は、反応種によって処理されている被加工物６の部分が、１分から３００分の範囲の期間、プラズマ処理装置の内部の処理容積５内に存在するように選択される。別の実施形態では、リール速度は、反応種によって処理されている被加工物６の部分が、２０分から８０分の範囲の期間、プラズマ処理装置の内部の処理容積５内に存在するように選択される。さらに別の実施形態では、リール速度は、反応種によって処理されている被加工物６の部分が、１分から６０分の範囲の期間、プラズマ処理装置の内部の処理容積５内に存在するように選択される。さらなる実施形態では、リール速度は、反応種によって処理されている被加工物６の部分が、５分から１０分の範囲の期間、プラズマ処理装置の内部の処理容積５内に存在するように選択される。被加工物６に反応種を印加する期間は、上記で示された範囲の間の任意の値を含み得る。前述の期間は説明のためにのみ与えられたものであり、本開示を限定するようには意図されていないことが注意される。
【００６５】
処理チャンバ１００を通り抜ける被加工物６は、図１、図２Ａ、図４Ａ、図４Ｂおよび図５に示されるように前駆体物質の単一のトウでよく、または図３Ａおよび図７に示されるように前駆体物質の複数の被加工物６を含み得る。被加工物６は、任意数の前駆体物質のトウを含み得て、与えられた図に表される数のみに限定されるわけではない。
【００６６】
図１〜図７に表された処理チャンバ１００は、炭素繊維を合成するのに採用されてよい。具体的には、たとえばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）といったサーモプラスチックベースの繊維からの炭素繊維の生産は、一般的には、酸化または安定化の処理ステップと、それに続く炭化ステップと、任意選択の黒鉛化ステップとを含み得る複数ステップの処理である。酸化または安定化の処理ステップは、前述の処理チャンバ１００と、電極組立体および処理ガスによって発生されたプラズマによって生成される酸素含有反応種とを用いてもたらされ得る。この反応種が、電極組立体２０が生成する非対称の電界勾配から生じる流れ渦によって、たとえばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）といったポリマー前駆物質の被加工物６の方へ加速されて、被加工物６を酸化させる。
【００６７】
酸化に続いて、酸化した被加工物６に、炭化ステップおよび任意選択の黒鉛化ステップを適用してよい。炭化は、処理温度を徐々に高くする一連の炉の内部の不活性（無酸素）雰囲気中で起こり得る。たとえば、被加工物６が繊維トウであるとき、炭化ステップ中に、酸化した繊維すなわち酸化した繊維トウが、不活性雰囲気の中で、約５００℃から始まって約１２００℃まで続く温度で炭化されてよい。黒鉛化の期間中、炉の温度は約３０００℃まで到達し得る。
【００６８】
各炉の入口と出口には、酸素の侵入を防止するためにパージチャンバが存在してよい。酸素がない状態で、水素、シアン化物の成分、他のＶＯＣ（安定化中に発生されたもの）、および粒子（局部的な繊維デブリの形成など）を含む非炭素分子のみが、炉から除去されて排出される。
【００６９】
９０パーセントを超える炭素の完成した繊維を作製するために、酸化した繊維トウの炭素分子の結晶化を最適化することができる。「炭素」および「黒鉛」という用語は、しばしば互換性があるように用いられるが、「炭素」という用語は、約１０００℃から１２００℃、たとえば１３５０℃で炭化され、９３％から９５％の炭素を含有している繊維を表す。「黒鉛」という用語は、１９００℃から３０００℃の範囲の温度、たとえば２４８０℃で黒鉛化され、９９パーセントを超える元素状炭素を含有している炭素繊維を表す。いくつかの実施形態では、１５００〜２０００℃の範囲で加熱（炭化）された炭素が最大の引張強さを示し、一方、２３００〜３０００℃で加熱（黒鉛化）された炭素繊維は、より大きい弾性率を示す。
【００７０】
本明細書で開示された方法および構造を用いるプラズマ処理からもたらされる材料の用途には、炭素繊維などの構造的な用途が含まれる。本明細書で開示された方法および構造を用いて処理された材料は、難燃性材料などの熱的用途にも適用可能であり得る。たとえば、酸化したＰＡＮは、周知の難燃性材料である。本明細書で開示された方法および構造は、サーモセッティングなどの材料処理用途にも適用可能であり得る。いくつかの例では、本明細書で開示された方法は、近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ装置によって処理されている被加工物の密度を高めるために、繰り返されてもよい。
【００７１】
以下の実施例は、本開示の方法および構造をさらに説明し、そこから生じるいくつかの利点を実証するために提供されるものである。本開示が本明細書で説明された特定の実施例に限定されることは意図されていない。
【００７２】
（実施例）
［ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆物質の品質］
表２は、遠隔暴露（ＲＥ）酸化プラズマ方法と近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ方法の両方を用いた、航空宇宙等級ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆物質の酸化からの結果を列挙するものである。近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）方法は、図１〜図７に表された処理チャンバ１００を参照しながら上記で説明されている。滞留時間は、前駆物質すなわち繊維トウ６を処理するのにかかった時間である。品質の数値は、処理後に被加工物が受けている損傷の量の１〜１０の範囲の定性的格付けであって、１０は損傷なしである。１０は、４００〜５００倍の光学顕微鏡法によって検出可能な欠陥がまったくない繊維を表す。ＤＤ格付けは、品質および密度の正規化された乗数と定義される。構造的な用途の航空宇宙等級炭素繊維に関する最適な密度は、一般に１．３７５ｇ／ｃｃである。以下で用いられる品質目盛は１〜１０からであり、１０は損傷なしを示す。したがって、１０の品質および１．３７５ｇ／ｃｃの密度を有する、申し分なく処理された炭素繊維は、１．０のＤＤ格付けを有することになる。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
表２に含まれるデータは、同一の処理時間で、近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）酸化プラズマ方法が、比較対象の遠隔暴露（ＲＥ）酸化方法よりも、より高密度かつより高品質の繊維を作製したことを示す。
【００７５】
［遠隔暴露（ＲＥ）方法および近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）方法を用いて酸化され、かつ炭化されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆物質の機械的性質］
表３および表４は、酸化され、かつ炭化されたポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）前駆物質の機械的性質を示す。表３には、典型的な７７分の滞留時間を有する酸化ステップのための遠隔暴露（ＲＥ）方法からの結果が含まれる。酸化した炭素繊維は、次いで、ファイバ径、最大応力、弾性率および破断時の％歪みに関して特徴付けられた。結果は表３に記録された。酸化した炭素繊維は、次いで炭化されて、ファイバ径、最大応力、弾性率および破断時の％歪みに関して再び特徴付けられた。遠隔暴露（ＲＥ）方法を用いて作製された炭化繊維に関する特徴付けの結果が、表３に記録された。
【００７６】
【表３】
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【００７７】
表４は、２０分から４５分の範囲の滞留時間を有する酸化ステップの近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）方法からの結果を示すものである。酸化に続いて、繊維トウ６は、ファイバ径、最大応力、弾性率および破断時の％歪みに関して特徴付けられた。その後、酸化した繊維トウ６は、炭化されて再び特徴付けられた。近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）方法に関する特徴付けの結果が、表４に記録された。
【００７８】
【表４】
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【００７９】
表３と表４に含まれるデータを比較すると、近接近間接暴露（ＣＰＩＥ）プラズマ処理方法によれば、処理された炭素繊維の総合的な機械的性質が改善され、同時に、遠隔暴露プラズマ処理方法と比較して、酸化に必要な時間が劇的に短縮されることが示されている。
【００８０】
本発明は、本明細書の教示の利益を有する当業者にとって明らかな、様々であるが同等のやり方で変更され、かつ実施され得るので、上記で開示された特定の実施形態は単なる例示である。さらに、本明細書で示された構造または設計の詳細に対して、以下に記述される特許請求の範囲以外の制限は意図されていない。したがって、上記で開示された特定の実施形態は、改造または変更が可能なことは明らかであり、すべてのそのような変形形態は本発明の範囲および精神の範囲内にあると考えられる。したがって、本明細書で要求される保護は、以下の特許請求の範囲で説明される通りである。
【符号の説明】
【００８１】
５  内部の処理容積
６  被加工物
９  内殻
１０  中間の加熱容積
１１  外殻
２０  電極組立体
２０ａ〜２０ｋ  電極組立体
２１  電極
２２  電極
２２’  電極
２３  電極
２４  誘電体障壁
２５ａ〜２５ｄ  流れ渦
３０  処理ガス入口
４０  プラズマ
４１  入口
５０  プラズマ発生電極組立体
５１  電極
５２  電極
５３ａ、５３ｂ  誘電体層
５４  ガス入口
６０  表面障壁放電プラズマ発生電極組立体
６１  頂部電極
６２  底部電極
６３  誘電体障壁
７０  電極組立体
７１  上部電極
７２  下部電極
７３  誘電体層
７５  電極組立体
７６  上部電極
７７  下部電極
７８  誘電体層
８０  プラズマ発生電極組立体
８１  電極
８２  電極
８３  誘電体層
８５  電極組立体
８６  上部電極
８７  下部電極
８８  誘電体層
９０ａ〜９０ｄ  電極組立体
１００  処理チャンバ
【図１】
0006257639.tif 000006
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0006257639.tif 000017
【図９】
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【図１０】
0006257639.tif 000019
【図１１Ａ】
0006257639.tif 000020
【図１１Ｂ】
0006257639.tif 000021
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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