大气压等离子体射流装置及应用研究进展

大气压等离子体射流(APPJ)能够在开放空间而不是在狭窄放电间隙中产生高活性非平衡低温等离子体,APPJ已经成为国际上等离子体科学与技术领域的研究热点之一。本文首先介绍了4种典型的等离子体射流装置,包括单针、针-环、单双环以及微腔结构,并分析了各自的结构特点。然后介绍了APPJ近几年的研究进展,包括射流装置结构、活性粒子探测方法、射流与外界物质相互作用及应用等方面。最后对APPJ面临的一些关键问题和发展方向进行了展望。     

大气压氩气微等离子体射流加工聚合物薄膜北大核心CSCD

为研究实验衬底电导率对于大气压微等离子体射流特性的影响,在处理聚合物薄膜表面的过程中,铜片、硅片、石英玻璃片分别作为实验衬底,对针-环型射流装置产生的微等离子体射流特性进行了实验分析。电特性结果表明,三种条件下的放电电流波形特点相同,仅存在数值上的差异,放电功率均随电压增大而增大,在相同条件下使用铜片时射流放电强度最强。对等离子体射流发射光谱进行采集,并计算三者气体温度和电子温度,结果表明三种条件下的射流气体温度范围在310~365 K,均接近室温,电子温度分别为2118、1958和1380 K,使用铜片时射流电子温度最高,可认为其具有更多的高能电子和活性物质。利用射流对聚合物薄膜的处理效率对结论进一步验证,三种条件下射流分别处理PET薄膜表面15 s,表面静态接触角从初始78.1°分别降至22.2°、26.3°、28.3°,可见使用高电导率的衬底有助于提高微等离子体射流的处理效率。这些研究结果对大气压低温等离子体射流加工聚合物薄膜工艺具有重要意义。     

基于多孔阳极氧化铝的大气压毛细管等离子体电极放电研究北大核心CSCD

通过实验和模拟方式,对比分析了介质阻挡放电和基于多孔阳极氧化铝的毛细管等离子体电极放电。应用阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)作为介质层进行了毛细管等离子体电极放电。研究了多孔阳极氧化铝介质层对毛细管等离子体电极放电的影响,对比分析了相同几何参量的介质阻挡放电和毛细管等离子体电极放电的放电过程。结果表明:应用多孔阳极氧化铝介质的毛细管等离子体电极放电更稳定,放电中产生的更密的微放电有助于提高放电的稳定性;多孔阳极氧化铝介质层的毛细管等离子体电极放电具有相对于介质阻挡放电高出两个数量级的电子密度和更高的电子温度。等离子体参数具有与多孔阳极氧化铝的孔分布同步的周期性,产生了等离子体射流模式,提高了放电稳定性。     

楔形介质层对大气压介质阻挡放电的影响研究北大核心CSCD

为了研究楔形介质层对大气压介质阻挡放电的影响,加入楔形石英石作为附加介质层。通过实验和模拟分析的方法研究了楔形介质层对大气压介质阻挡放电的影响。结果表明:楔形介质层对介质阻挡放电有很大影响,放电在楔形介质层的尖端区域首先击穿,再沿介质层表面弥散。楔形介质层内部出现的场强“低谷区”,提高了其尖端附近的电场强度;楔形介质层提高了介质层表面积,介质表面积累的电荷改变了空间电场分布,对放电击穿、电子密度和电子温度有很大影响。介质层厚度引起的放电优先性问题为相关设计提供了更多的灵活性。     

多孔阳极氧化铝介质对大气压介质阻挡放电等离子体的影响北大核心CSCD

为了提高大气压下介质阻挡放电的稳定性,采用阳极氧化方式在铝板表面制备一层多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)。运用扫描电子显微镜、划痕仪、金相显微镜和台阶仪测试了阳极氧化铝的表面形貌、厚度等特性。比较分析了石英、陶瓷和PAA为介质的大气压下介质阻挡放电的放电过程图片和放电波形。实验表明:应用阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝具有规则的纳米级多孔结构,膜基结合力好;应用多孔阳极氧化铝作为介质的介质阻挡放电更稳定,放电中产生的更密的微放电有助于降低放电击穿电压和提高放电稳定性;更厚的多孔阳极氧化铝膜为介质的大气压介质阻挡放电具有更好的放电稳定性。     

大气压宽径向空气等离子体射流装置的设计、实验和仿真研究

大气压空气等离子体射流 (空气APPJ) 能够在开放的大气环境中产生高活性低温等离子体, 在细菌灭活、材料表面处理和生物医学应用等方面有广泛应用前景, 但是目前空气放电击穿电压高, 放电稳定性较差, 射流长度较短、径向尺寸小等限制了它的应用。为了降低放电电压及维持放电稳定性, 本文在高压电极上包裹一层介质, 设计出一种介质包覆的针-金属喷嘴结构的空气APPJ枪, 利用COMSOL的静电场模块对枪体的电学特性进行仿真, 研究针尖曲率半径、电极间距以及针电极直径等参数对电势和电场的空间分布的影响, 发现针尖曲率半径对于场强最大值有较大影响。据此, 选择合适的参数, 设计并制备了枪体。该枪在交流驱动下能够稳定放电, APPJ径向尺寸3 mm左右、长度达到17 mm。分析了射流长度、功率和气体温度随气流流速的变化, 并与氮气和氩气放电进行了比较, 其放电参数与氮气基本相当, 与氩气相比, 放电功率大, 温度高, 但射流长且径向尺寸宽, 更适合活性反应场合的应用。     

空气中大气压下低温等离子体对聚四氟乙烯进行表面改性的研究

建立了空气中产生大气压下辉光放电(APGD)和介质阻挡放电(DBD)的装置，通过放电的电气特性和发光特性测量，界定了APGD和DBD的放电特点。研究了空气中APGD和DBD对聚四氟乙烯(PTFE)表面进行改性的效果，用扫描电子显微镜(SEM)观察、接触角测量和X射线光电子能谱分析(XPS)等手段，研究APGD和DBD处理后PTFE的表面特性，并解释了两种放电形式处理效果不同的原因。结果表明：APGD的处理效果要优于DBD，即APGD可以对PTFE表面进行均匀处理，在其表面引入更多的O元素，使其接触角下降到更低值。     

大气压等离子体制备类二氧化硅薄膜的实验研究

本文利用六甲基二硅氧烷(HMDSO)作为硅的先驱粒子,氮或氩气为稀释气体,进行了大气压等离子体化学气相沉积类二氧化硅薄膜的实验研究.运用红外光谱(FTIR)、光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)对沉积的薄膜进行结构和表面分析.实验表明,当功率一定时,在低的HMDSO含量下,硅衬底上得到了一层平整、致密、连续的薄膜沉积.红外吸收谱分析呈现出明显的Si-O-Si吸收峰,表明了类二氧化硅结构,其中的[Si]/[O]含量比达到1∶1.56.当HMDSO含量增加时,薄膜中含碳键成分增加,薄膜表面的大颗粒增多.相对地氮气而言,氩气在大气压下更容易获得稳定均匀的等离子体和更大的生长速率/功率比.     

空气中大气压下低温等离子体对聚四氟乙烯进行表面改性的研究

建立了空气中产生大气压下辉光放电 (APGD)和介质阻挡放电 (DBD)的装置 ,通过放电的电气特性和发光特性测量 ,界定了APGD和DBD的放电特点。研究了空气中APGD和DBD对聚四氟乙烯 (PTFE)表面进行改性的效果 ,用扫描电子显微镜 (SEM)观察、接触角测量和X射线光电子能谱分析 (XPS)等手段 ,研究APGD和DBD处理后PTFE的表面特性 ,并解释了两种放电形式处理效果不同的原因。结果表明 :APGD的处理效果要优于DBD ,即APGD可以对PTFE表面进行均匀处理 ,在其表面引入更多的O元素 ,使其接触角下降到更低值。     

大气压等离子体射流改性船体钢表面亲水性研究

在室温下,采用大气压等离子体射流对船体钢进行表面改性,通过水接触角测量、扫描电镜、X射线光电子能谱等分析测试方法研究了等离子体射流处理前后船体钢表面润湿性、表面形貌及化学特性的变化。研究结果表明,船体钢经大气压空气等离子体射流处理后在其表面引入了大量含氧基团,处理2s表面的水接触角就可以降到30°以下;处理后材料表面的亲水性受处理时间及放电电流的影响且在空气中放置时会出现老化效应,处理时间越长,老化效应越弱。     

气体流速对等离子体射流长度的影响

为了研究气体流速对大气压低温氩等离子体射流长度的影响,确定实际应用中最佳射流条件,首先建立二维轴对称模型,进行数值仿真,然后根据仿真结果进行了实验研究.实验结果与仿真结果基本吻合.气体流动处于层流时,射流几乎不能被观察到;气体流动处于过渡态时,射流比较好,射流长度最长;气体流动处于湍流状态时,射流尖端变得不稳定,射流长度有所减小.     

从Ⅰ-Ⅴ曲线判断大气压射频介质阻挡放电模式

实验以氩气和氩气掺杂氮气作为放电气体, 在大气压条件下使用13.56 MHz射频电源进行双介质以及单介质阻挡放电。实验记录了气体击穿后随电源功率增大的Ⅰ-Ⅴ曲线, 同时使用ICCD照相机以及单反相机给出了相应的放电照片。研究发现氩气双介质放电在电源最大功率内均为均匀辉光放电, 并且可以从Ⅰ-Ⅴ曲线明显判断出放电从α模式到γ模式的转变。在氩气单介质放电以及氩气掺杂氮气的双介质和单介质放电中, 均出现了丝状放电, 在放电模式的转变过程中Ⅰ-Ⅴ曲线均呈现出明显的不同特点。本文分析认为, 从Ⅰ-Ⅴ曲线基本可以判断出大气压介质阻挡放电从α模式到γ模式的转变以及是否存在丝状放电。     

大气压双频容性耦合Ar/O_(2)等离子体特性研究北大核心CSCD

文章利用二维流体模型对双频调制大气压Ar/O_(2)放电特性进行了研究,着重讨论高低频电压、低频频率等不同匹配方式对等离子体参数的影响,并且通过对电子加热模式、电子密度、中性粒子密度、正离子能量以及正离子总通量等分析了大气压Ar/O_(2)放电双频调控机制。结果表明,低频源电压的改变使得电子加热模式由α模式转变为DA/α混合模式,且等离子体密度、正离子总通量及离子能量均随着低频电压的升高而增大,发生了解耦现象。与低频源电压不同,高频源电压和低频源频率对电子加热模式不产生影响。此外,高频源电压对等离子体密度及正离子总通量影响较大,对刻蚀工业中易对材料造成损伤的离子能量影响很小;而低频源频率对工业中影响影响较大的离子能量和离子总通量影响较大,对等离子体密度影响较小,实现了等离子体密度和离子能量的独立控制。     

大气压射频介质阻挡放电辉光放电和丝状放电的时空演化比较

目的 为研究大气压射频(13.56 MHz)介质阻挡放电(rf-DBD)在辉光放电和丝状放电2种模式下的电离形式,以及在一个放电周期(73.7 ns)内气体电离与时间和空间的关系。方法 实验使用氩气获得稳定的辉光放电,使用氩气掺杂氮气获得丝状放电。实验中使用电流正向过零点的信号触发ICCD相机获得一个放电周期内不同时间点的36张照片,得出放电间隙之间不同位置的发光强度在一个周期内随时间的变化关系。结果 在α模式下,每半个周期所产生的一次电子雪崩在空间和时间上都是从阴极到阳极的过程。在γ模式下存在负辉现象,并且在阴极电极的介质表面,负辉强度峰值的时间比体电离强度峰值时间晚约13 ns。在丝状放电中,等离子体的发光强度主要集中在阴极表面,介质表面积累的电荷之间的互相作用力使得放电形成单独的细小通道。结论 α模式以体电离为主,而γ模式下除了体电离,还有离子撞击阴极表面产生的大量二次电子,并且比体电离的产生更晚。在丝状放电中,电介质表面电荷作用明显,阴极介质表面的电离为放电的主要形式。     

大气压射频均匀辉光放电的条件

大气压放电应用在很多领域时,其放电的均匀性显得十分重要。本文通过实验得出影响大气压射频放电的均匀性的条件。实验中研究的影响因素有介质阻挡、放电电压、放电气体组成以及放电间隙。实验采用单反照相机以及ICCD照相机对放电进行拍照,观察不同参数放电下的放电模式。通过放电现象发现对维持大面积均匀辉光放电影响最大的因素是采用介质阻挡和放电气体的组成,影响较小的是放电电压。放电间隙在可维持放电的间隙范围内对放电模式影响很小。实验得出,改变这些条件会使均匀辉光放电中出现放电丝,或完全转变为丝状放电甚至熄灭。     

大气压双频Ar/O_(2)放电等离子体特性的数值模拟北大核心CSCD

文章采用等离子体流体理论模型,研究了双频容性耦合放电中高频源频率对大气压氩气与氧气混合气体放电等离子体的各类粒子密度与各项等离子体参数的影响。通过模拟不同高频源频率的放电,得到了放电空间中各类粒子的密度、电子温度、电场等参数的一维时空分布,进一步了解了双频放电中高频源频率对等离子体特性的影响作用。研究结果表明:当放电电压固定时,随高频源频率的升高,电子密度逐渐增大;电子温度、电场与电势有下降的趋势;各类氩离子密度与氩原子的亚稳态密度随高频源频率的升高而增大;随高频源频率的升高,各类氧离子密度增大,氧原子密度先减小后增大,氧分子的亚稳态密度先增大后减小。电子压力加热、电子欧姆加热、电子加热和能量损失受高频源频率的影响均逐步升高。此外,有效电流密度与有效功率密度随高频源频率的升高大体增加。     

介质阻挡放电材料表面改性研究进展

介质阻挡放电(DBD)是大气压下产生低温等离子体的主要手段之一,以其方便、有效和低运行造价在材料表面改性方面显示出广阔的应用前景.在介绍DBD材料表面改性的机理、方法及影响因素的基础上,综述了DBD等离子体用于聚合物材料、纤维材料以及木材、玻璃等其他类型材料表面改性的国内外研究进展;分析了研究中存在的主要问题及相应的解决方法,以期为相关领域的研究提供参考.     

常压N2+H2O气液DBD等离子体处理PP无纺布的超亲水性研究北大核心CSCD

采用接触式气液介质阻挡放电装置,采用常压N2和N2+去离子水(H2O)两种介质阻挡放电等离子体对PP无纺布的表面进行改性研究,实验结果表明PP无纺布经N2+H2O等离子体处理60 s后表面出现了超亲水,其表面水接触角降为0°。但是经N2等离子体处理60 s,表面接触角由未处理时的115.8°降低至62°,并未出现超亲水。通过扫描电镜、X射线光电子能谱的对比分析发现,PP经N2+H2O等离子体处理60 s后,表面出现粘连、刻蚀,表面C1s的含量由原来的96.7%下降到31.8%,同时表面O1s和N1s的含量分别增加到38.4%和29.8%,比PP经N2等离子体处理60 s后C1s多降低20.8%,而O1s和N1s的含量分别多增加了12.7%和8.1%,并且PP表面分子出现明显的交联;而FTIR-ATR的结果进一步表明,PP经N2+H2O等离子体处理60 s后表面接入更多的-OH,从而导致表面超亲水。     

大气压氮气介质阻挡放电等离子体对丙纶熔喷无纺布的表面改性

使用大气压氮气介质阻挡放电(DBD)等离子体对丙纶熔喷无纺布进行表面处理,通过水接触角测量、傅里叶变换红外反射光谱、扫描电镜和X射线光电子能谱等测试方法研究了等离子体处理前后丙纶熔喷无纺布表面物理和化学特性的变化。研究结果表明,丙纶熔喷无纺布经大气压氮气DBD等离子体处理很短的时间(几秒)后,表面亲水性就可以大大改善;表面出现脱氢现象,同时引入大量的含氧、含氮官能团。此外,还考察了不同外加电压对丙纶无纺布表面改性的影响。     

大气压射流等离子体引发PVC表面接枝聚合季铵盐及其抗菌性的研究

为了提高医用聚氯乙烯(PVC)抗菌性,采用大气压等离子体射流(APPJ)技术对PVC表面接枝并制备季铵盐(QAC)涂层。通过纹影仪和发射光谱仪诊断了等离子体射流的流动状态和活性组分,结合静态水接触角方法、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪表征和分析APPJ处理前后PVC表面的亲水性、微观形貌和化学组分,并测试了季铵盐/PVC对大肠杆菌的抗菌性能。结果表明,随着放电电压的增大,与PVC接触区域的等离子体射流流动状态从层流向湍流转变,PVC表面亲水性增强,改性后的PVC表面水接触角最低可达26°,含氧官能团含量高达31.02%(原子分数)。放电电压的增大,有助于PVC表面含氧官能团量的提升,并促进季铵盐在PVC表面的接枝和聚合形成致密涂层,提高其对大肠杆菌的抗菌性能。