常壓介質(zhì)阻擋放電控制技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、常壓非平衡等離子體因?yàn)槭遣恍枰婵窄h(huán)境就能產(chǎn)生的可控低溫高密度等離子體，所以無論是在材料處理、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，還是廢氣污水處理等，都表現(xiàn)出環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，因此最近成為了低溫等離子體方面的研究熱點(diǎn)之一。目前在常壓下通過氣體放電產(chǎn)生非平衡等離子體的最常用方法為介質(zhì)阻擋放電。其中介質(zhì)阻擋放電不需要苛刻的控制條件，其激發(fā)頻率可以由幾赫茲到幾十兆赫茲，能比較容易產(chǎn)生低溫等離子體。雖然許多學(xué)者做了大量常壓介質(zhì)阻擋放電的實(shí)驗(yàn)和模擬研究，但是由于等離子

2、體診斷手段比較有限，對(duì)放電的動(dòng)力學(xué)演化過程和放電空間的擊穿和熄滅機(jī)理缺乏深入的認(rèn)識(shí)，這也導(dǎo)致了很多常壓介質(zhì)阻擋放電的工業(yè)應(yīng)用問題不能得到解釋和解決。
　　 本文系統(tǒng)地對(duì)常壓介質(zhì)阻擋放電機(jī)理及控制技術(shù)進(jìn)行研究。首先設(shè)計(jì)和建立起針-板放電電極結(jié)構(gòu)的等離子體系統(tǒng)來研究常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的動(dòng)力學(xué)過程。通過光學(xué)和電學(xué)診斷，研究常壓氦氣條件下，利用信號(hào)發(fā)生器輸出20 kHz的激發(fā)頻率。電流電壓波形上發(fā)現(xiàn)等離子體放電主要發(fā)生在正弦電壓的

3、正半周期，利用ICCD捕捉的納秒級(jí)曝光圖像可以看出，首先是在針尖和平板電極之間擊穿，產(chǎn)生一條直徑為2 mm的流注，隨后流注消失，在平板電極覆蓋的介質(zhì)表面擴(kuò)張傳播，形成等離子體圓環(huán)。該等離子體圓環(huán)最大擴(kuò)張直徑為25 mm半徑，擴(kuò)張速度達(dá)到超音速(3.0 km/s)。據(jù)此推斷，電子擴(kuò)散形成的電離波陣面是介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牡入x子體圓環(huán)形成機(jī)理。
　　 為了研究放電空間的擊穿熄滅機(jī)理以及介質(zhì)層在該過程中的作用，本文利用常壓氦氣脈沖平行板放電

4、，分別對(duì)介質(zhì)阻擋和裸露電極放電開展了對(duì)比研究。利用時(shí)間分辨圖像和電學(xué)診斷對(duì)放電進(jìn)行了表征，結(jié)果表明介質(zhì)阻擋和裸露電極放電是兩種完全不同的放電機(jī)理。介質(zhì)阻擋情況下，會(huì)在電壓上升沿和下降沿分別形成放電，第一次放電的發(fā)生時(shí)刻和強(qiáng)度依賴于脈沖電壓的大小，當(dāng)電壓從1.5 kV增加到了3.4 kV時(shí)，第一次放電電流峰值從1.5A分別增加到了3.3A，然而當(dāng)電壓不夠高（低于2 kV）時(shí)，預(yù)電離過程在擊穿過程中扮演著重要的角色。當(dāng)電壓處于下降沿時(shí)候，介

5、質(zhì)表面的電荷形成的電場(chǎng)觸發(fā)了第二次放電。同時(shí)由于離子遷移和在介質(zhì)層表面的擴(kuò)散效應(yīng)，當(dāng)脈寬達(dá)到600ns時(shí)，第二次放電會(huì)達(dá)到電流峰最大值。然而，裸露電極放電，其電流沒有反向電場(chǎng)的制約，必須依靠電壓下降避免轉(zhuǎn)變成弧光放電，但是大小不能低于常壓氦氣的擊穿閾值。
　　 最后本文通過常壓脈沖介質(zhì)阻擋放電對(duì)PET材料表面進(jìn)行改性，利用接觸角測(cè)量和等離子體發(fā)射光譜等方法分析了表面發(fā)生的物理化學(xué)過程。2.25 kV、400 ns脈寬的等離子體放