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大气压均匀介质阻挡放电的实验研究及其对丙纶无纺布的表面改性

张燕  
【摘要】:大气压均匀介质阻挡放电(HDBD)由于其诸多的优异特点,例如:放电均匀、功率密度合适,可避免加热或损伤工件表面,低能耗,干式处理低污染,其设备不需要真空系统,造价低廉,可实现在线连续生产等,在近几年,已成为等离子体应用的研究热点。本论文实验研究了大气压HDBD的产生、机理和应用。主要研究结果如下: 1.系统地研究了带有多电流峰的大气压氦气HDBD的放电特性。研究结果表明:较窄的气体间隙、较高的外加电压和较低的驱动频率有利于多电流峰放电的形成。随着外加电压的增加、气体间隙或者驱动频率的减少,在外加电压每半个周期内,第一次击穿所需要的外加电压逐渐降低,电流脉冲的振幅呈准单调递减;且每个电流脉冲的击穿电压不同,后一个电流脉冲的击穿电压总是受前一个电流脉冲的影响。其次,辉光放电模式和汤森放电模式可以共存于一个多电流峰放电序列内,且随着外加电压的增加、气体间隙或者驱动频率的减少,放电脉冲逐渐从辉光放电模式过渡到汤森放电模式。另外,前半周期放电结束后介质板上的积累电荷是产生多电流峰放电的先决条件,而不均匀的径向电荷分布对多电流放电的产生起着促进作用。且由介质板上积累电荷引起的记忆电压,在一个多电流峰放电序列的早期促进放电,而在晚期抑制放电。再者,在维持大气压氦气HDBD不熄灭的条件下,随着充入的氮气、氧气或二氧化碳含量的增加,在外加电压每半个周期内电流峰的个数不断增加,并且均匀放电最终转化为丝状放电。 2.对于阻抗匹配和紫外灯辐射预电离对大气压氮气和空气介质阻挡放电(DBD)的作用进行了实验探索。实验结果表明:对于大气压氮气,在电源和等离子体反应器之间增加阻抗匹配网络或者使用紫外灯照射后,当气体间隙为3 mm时,放电从丝状放电转化为均匀放电。而对于大气压空气,当使用紫外灯照射后,即使气体间隙减小到1 mm,放电仍不能从丝状放电转化为均匀放电,但是,对于一定的气体间隙和驱动频率,使用紫外灯辐射预电离时,其外加电压的峰峰阈值有不同程度的降低。另外,在电源和等离子体反应器之间增加阻抗匹配使放电从丝状放电转化为均匀放电后,保持驱动频率和气体间隙不变,随外加电压峰峰值的增加,当放电面积没有铺满整个电极时,放电电流和放电功率的增加非常缓慢;但当放电面积铺满整个电极后,放电电流和放电功率则快速线性增加。而保持外加电压和气体间隙不变,实验所得到的最佳匹配频率和Chen给出的理论计算结果存在差异。所以,我们认为在应用Chen等人给出的匹配公式时,应根据实际的放电状况来确定匹配参数。 3.对大气压氦气和氩气多电流峰放电及大气压氮气HDBD的动力学行为进行了实验研究。研究结果表明:可根据放电电流增长阶段放电脉冲的伏安特性曲线的微分电导的正负来判断大气压HDBD的放电模式,如果放电脉冲的伏安特性曲线的微分电导呈现为负微分电导,则此电流脉冲为辉光放电模式,如果呈现为正微分电导,则为汤森放电模式。其次,大气压氦气多电流峰放电的三维动力学轨迹为带有回旋的有限周期,并且经历一系列分歧过程;而大气压氮气HDBD的三维动力学轨迹为没有回旋的有限周期,也没有经历任何分歧过程。再者,气体的第一电离系数在决定大气压HDBD的放电模式和模式转化上起着非常重要的作用。对于具有较高第一电离系数的气体,尤其是氦气,相对介电常数很高的介质板有可能使得大气压HDBD的动力学稳定性变差。 4.对大气压DBD对丙纶熔喷无纺布的表面处理进行了初步的实验研究。研究结果表明:丙纶无纺布经等离子体处理很短的时间(几秒)后,就可以较好的改善其表面亲水性。X射线光电子能谱,傅里叶变换红外反射光谱和扫描电子显微镜的进一步测试分析表明,丙纶无纺布经大气压氮气DBD等离子体处理后,表面出现脱氢现象的同时,在其表面引入大量的含氧和含氮官能团,主要为酰胺基、羧基羟基和铵盐基团,并且表面出现明显的粘连、刻蚀、断裂等物理过程,使得纤维表面粗糙度增加。这些物理化学过程使得丙纶无纺布表面的亲水性得到了改善,但是,在空气中放置后,其处理效果具有时效性。其次,当固定等离子体对丙纶无纺布的处理时间时,表面水接触角随外加电压峰峰值的增加,先是迅速减少,然后达到饱和,这说明丙纶无纺布经等离子体处理时,需要选择一个合适的外加电压。再者,在大气压氮气中充入少量氧气,在等离子体处理时间较短时,不利于改善丙纶无纺布表面的亲水性,而在等离子体处理时间较长时,有利于改善其亲水性。但是,在大气压氦气中充入少量氧气,在等离子体处理时间较短时,有利于改善其亲水性,而在等离子体处理时间较长时,不利于改善其亲水性。此外,在大气压氮气和氦气中充入少量的二氧化碳均不利于改善丙纶无纺布表面的亲水性。


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