CN106954332B - 一种辉光放电等离子体生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辉光放电等离子体生成装置，包括接地电极，阻挡介质，高压电极、悬浮电极和气体间隙。其中，高压电极与悬浮电极的间距小于500μm并与阻挡介质和接地电极保持平行。该电极结构接通电源后，高压电极和悬浮电极之间的微小间隙先放电，放电产生的电子为气体间隙提供初始放电电子，使存在一定电场强度的气体间隙在足够多的初始电子的作用下产生均匀的辉光放电等离子体。本发明在相同的技术条件下能够产生均匀的空气辉光放电等离子体或者等离子体射流，降低了生产成本，简化了处理装置的结构，提高了生产效率。

Description

一种辉光放电等离子体生成装置

技术领域

本发明属于气体放电等离子体生成技术领域，更具体地，涉及一种辉光放电等离子体生成装置。

背景技术

近年来，材料工程与科学领域在工业应用中呈现出空前的发展前景。而材料表面改性作为一种改善材料表面属性的新技术在材料科学与科学领域的发展中扮演着不可或缺的重要角色。所谓的表面改性技术(surface modified technique) 是采用化学的、物理的方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性能的一类热处理技术。它包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等);表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)和非金属涂层技术等。这些用以强化零件或材料表面的技术，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射、导电、导磁等各种新的特性。使原来在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质环境下工作的零件，提高了可靠性、延长了使用寿命，具有很大的经济意义和推广价值。

而低温等离子体技术作为一种新的表面改性手段，能快速、高效、无污染地改善材料的表面性能，赋予新的特征，同时又不改变材料的本体特点，已经越来越被世界各国的研究人员所重视，等离子体表面处理是利用气体放电产生的等离子体对材料表面进行物理和化学反应。参与反应的有激发态粒子、自由基和离子，也包括等离子体辐射紫外线的作用。通过表面反应有可能在表面引入特定官能团，产生表面活化和刻蚀，形成交联结构或生成表面自由基。这些作用一般不是单一的，往往某种作用为主，几种作用并存。正是这些作用决定了等离子体表面处理的有效性。

应用于材料表面处理的等离子体放电形式主要有电晕放电等离子体、低气压辉光放电等离子体、常规介质阻挡间隙放电以及大气压辉光放电等离子体。其中，电晕放电等离子体放电极不均匀，放电功率低，导致对材料表面的改性不够均匀，改性效果不佳；低气压辉光放电虽然放电均匀，对材料表面改性效果良好，但是必须配备必要的低气压设备，处理工序复杂，生产成本高，难以实现大规模工业化应用；常规的板-板电极结构、或者线-板电极结构的介质阻挡放电虽然具有足够的能量且可以在大气压空气环境下对材料表面进行连续处理，但放电不够均匀，容易产生细丝状的流注放电，从而引起放电处温度局部过高，导致被处理材料局部灼伤或穿孔；而大气压辉光放电则可以避免上述问题，放电均匀，功率适中，容易实现工业化应用，是进行材料表面处理的最佳放电形式。但是，在大气压空气条件下很难形成均匀稳定的辉光放电等离子体。

目前，存在一些利用等离子体对材料进行表面处理的发明专利。其中，公开号为CN1932132A、名称为纺织品和无纺布等离子体表面处理装置的中国专利申请，公开了一种使用大气压空气等离子体对纤维织物进行表面处理的装置，该专利采用的放电形式是一般意义上的介质阻挡放电，高压电极和接地电极间存在空气间隙，且不含任何提供初始电子的结构或者方法，放电电压偏高，放电成细丝状的流注放电，因而，在处理效果方面，由于放电为不均匀的流注放电，造成对材料表面的处理不够均匀，且容易引起放电处温度局部过高，导致被处理材料局部灼伤或穿孔。

公开号CN203128919U、名称为纺织品表面处理机的中国实用新型专利，采用的结构与前述发明专利申请类似，也是采用丝状放电的形式对表面织物进行处理，CN02151228.0中国发明专利申请，也是采用类似的间隔开的电极，且不含任何提供初始电子的结构或者方法，这种放电容易转化为丝状放电，造成对材料表面的处理不够均匀，且容易引起放电处温度局部过高，导致被处理材料局部灼伤或穿孔。

另外，单纯从气体放电领域来讲，在现有的使用高频电源和介质阻挡放电方式生成大气压空气均匀或者辉光放电等离子体的装置中，其放电间隙一般不超过3mm,例如清华大学罗海云等在他们的论文“Luo H, Liu K, Ran J, et al. Study of DielectricBarrier Townsend Discharge in 3-mm Air Gap at Atmospheric Pressure[J]. PlasmaScience IEEE Transactions on, 2014, 42(5):1211-1215.”使用特殊的铝板作为阻挡介质实现了3mm的大气压空气均匀放电，并宣称在他们之前没有文献报道过“使用高频电源实现气隙宽度超过2mm的大气压空气弥散介质阻挡放电”的相应研究。显然，产生较宽气隙的大气压均匀空气放电对材料表面处理领域具有重要意义。

而对于现有的大气压等离子体射流生成装置，其大多数采用惰性气体来作为工作气体。且为数不多的使用氮气或者空气等非惰性气体的大气压等离子体射流装置的放电形式为局部电晕放电、丝状放电或者电弧放电，很少有均匀的辉光放电，且其生成的射流直径在亚毫米级别。

针对现有技术的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于在大气压空气条件下产生较宽间隙的辉光放电等离子体，或者生成尺度较大的大气压非惰性气体辉光放电等离子体射流，进而对材料进行表面处理。因此，提出一种在放电间隙提供均匀分布的初始电子来抑制丝状放电的方法和基于此方法的一系列的带有悬浮电极的电极结构。这一系列的电极结构的高压电极和悬浮电极能够跟随处理物自由旋转，可以在大气压空气条件下产生较宽间隙的辉光放电等离子体或者大气压非惰性气体辉光放电等离子体射流并能对材料表面进行大面积连续处理的装置。该装置无需真空和密封设备，放电电压低，放电均匀，并且拥有良好的改性效果。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种辉光放电等离子体生成装置，可以用于材料表面处理，包括高压电极103和悬浮电极104，所述高压电极103与悬浮电极104的间距小于500μm；所述辉光放电等离子体生成装置还包括接地电极101，高压电极103和接地电极101之间设有气体间隙105；接通电源后，高压电极103和悬浮电极104之间的微小间隙放电，放电产生的电子为气体间隙105提供初始放电电子，使存在一定电场强度的气体间隙105在足够多的初始电子的作用下产生均匀的辉光放电等离子体；将待处理的材料从气体间隙105穿过，气体间隙内生成的辉光放电等离子体即对其进行处理。

进一步的改进，所述待处理的材料为金属材料、高分子材料或无机非金属材料。

本发明还公开了另一种辉光放电等离子体生成装置，可以用于生成辉光放电等离子体射流，包括高压电极103和悬浮电极104，所述高压电极103与悬浮电极104的间距小于500μm；所述辉光放电等离子体生成装置还包括接地电极101，高压电极103和接地电极101之间设有气体间隙105气体间隙105形状为圆形、椭圆形、多边形或者不规则图形；所述辉光放电等离子体生成装置还包括喷气装置，喷气装置向气体间隙105喷出气流；接通电源后，高压电极103和悬浮电极104之间的微小间隙放电，放电产生的电子为气体间隙105提供初始放电电子，使存在一定电场强度的气体间隙105在足够多的初始电子的作用下产生均匀的辉光放电等离子体；气流通过时，由气体间隙内生成的辉光放电等离子体在气流的作用下，外侧可以生成辉光放电等离子体射流。

进一步的改进，所述辉光放电等离子体生成装置包括多组高压电极103和悬浮电极104。

进一步的改进，所述电等离子体生成装置包括多个高压电极103和悬浮电极104，各个高压电极103和悬浮电极104的间距小于500μm。

进一步的改进，所述悬浮电极104被连接到另外一个电源的高压端，通过2个电源进行供电，通过匹配高压电极103和悬浮电极104之间的电压差别来实现气体间隙的辉光放电。

进一步的改进，所述接地电极101的形状为矩形状、薄片状、圆柱状或者不规则形状，材料为导电性能好的金属材料或者碳纤维。

进一步的改进，所述辉光放电等离子体生成装置还包括阻挡介质102，所述阻挡介质102位于接地电极101周围或者包裹住接地电极101，外形为球状、椭球状、方形状或者不规则形状，阻挡介质102的材料为聚四氟乙烯、硅橡胶、石英玻璃、玻璃、陶瓷或环氧乙烯的一种。

进一步的改进，所述高压电极103为导电性能好的金属材料或碳纤维制成的裸导体，或者为带有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料为聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯。

进一步的改进，所述悬浮电极104为导电性能好的金属材料或者碳纤维制成的裸导体，或者为带有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料为聚四氟乙烯、硅橡胶，石英玻璃，玻璃，陶瓷或环氧乙烯。

进一步的改进，工作电源为交流电源、脉冲电源或射频电源；所述气体间隙105内的工作气体为氦气、氩气、氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物、气态有机物和气态无机物。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一系列带有悬浮电极的电极结构，通过高压电极与悬浮电极之间的电压差所产生的强电场，在二者之间的亚毫米间隙内首先放电产生足够多的初始电子，这些均匀分布的初始电子在存在于高压电极、悬浮电极和外侧的接地电极间的较弱的电场作用下，在气体间隙内发生大量的电子雪崩，当大量的电子雪崩连成一片时，放电变得均匀，从而在大气压空气条件下形成了均匀的辉光放电。这种放电形式相较于一般的平行板电极或者线-板电极结构的介质阻挡间隙放电，放电电压更低，处理更加均匀，避免了丝状放电对被处理物产生烧蚀的现象；相较于传统低气压辉光放电，省去了放电所需的真空设备，简化了处理装置的结构，降低了生产成本；通过采用旋转电极结构，实现了对材料的连续改性处理，提高了生产效率；在等离子体射流领域，相较于现有的大气压等离子体射流生成装置，其采用氮气或者空气等非惰性气体，生产成本较低。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的实验照片示意图，其中图2a为大气压空气辉光放电等离子体照片，图2b为图2a中所对应的电压电流波形；

图3为本发明实施例2的横剖面图；

图4为本发明实施例3的结构示意图；

图5为本发明实施例4的结构示意图；

图6为本发明其余实施例的结构示意图；

图7为本发明实施例5的结构示意图，其中图7（a）为大气压辉光放电等离子体射流生成装置的三维结构图，图7（b）为图7（a）中所对应的侧视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

图1是本发明的实施例1的结构示意图；本发明的一种辉光放电等离子体生成装置，包括接地电极101，阻挡介质102，高压电极103、悬浮电极104和气体间隙105。其中，高压电极103与悬浮电极104紧密接触（或者有小于500μm的间隙）并与阻挡介质102和接地电极101保持平行。该电极结构接通电源后，高压电极和悬浮电极之间的微小间隙先放电，放电产生的电子为气体间隙105提供初始放电电子，使存在一定电场强度的气体间隙105在足够多的初始电子的作用下产生均匀的辉光放电等离子体。待处理的材料经过此装置的气体间隙时，气体间隙105内生成的辉光放电等离子体就可以对其进行有效地处理。

其中接地电极101为水平放置于阻挡介质102上表面的铜片，接地电极也可以为2个，分别位于高压电极的两侧，也可以根据需求设置更多的接地电极。阻挡介质102 为厚度为0.3mm的聚四氟乙烯板；高压电极103为带有聚四氟乙烯材料包裹的铜导线，其中聚四氟材料厚为0.065毫米，铜导线直径为0.17毫米；悬浮电极104为带有聚四氟乙烯材料包裹的铜导线，聚四氟材料厚为0.2毫米，铜导线直径为0.6毫米；高压电极103与悬浮电极104紧密接触并与阻挡介质102和接地电极101保持平行；气体间隙105为2毫米。

图2中，工作时，将本实例中所描述的高压电极103和接地电极101分别接于电压为0到10千伏可调，频率为0到50千赫兹可调的交流电源的高压端和接地端，将装置放置在工作气体环境中，在气体间隙105内产生较大面积的辉光放电等离子体，待处理的材料经过此装置的气体间隙时，气体间隙105内生成的空气辉光放电等离子体就可以对其进行有效地处理。所述工作气体可为氦气、氩气、氮气、氧气、空气、混合气体、气态化合物、气态有机物和气态无机物。

以大气压空气为例，当气体间隙为2mm时，当交流电源频率为20千赫兹，电压为4.4千伏时，在气体间隙内生成了均匀的空气辉光放电等离子体，另外，其活性高，密度大，温度略高于室温，有利于对材料进行表面改性。

图2a是本实施例1在大气压空气条件下，放电电压为4.4千伏，频率为20千赫兹条件下产生的大气压空气辉光放电等离子体的照片。从图中可以看出，气体间隙内的等离子体放电均匀，发光呈发散状，属于典型的辉光放电射流等离子体状态。

图2b是本实施例1在大气压空气条件下，放电电压为4.4千伏，频率为20千赫兹条件下的放电电压电流波形图，图中包括电压波形图和电流波形图。从图中可以看出，电压为4.4千伏时，瞬时脉冲放电电流只有20毫安。本发明利用所述高压电极与悬浮高压电极交界处所形成的最大电场强度为整个放电空间提供初始电子，进而降低起始放电电压，实现辉光放电；悬浮电极在高压电极的作用下会被感应出一个略低于高压电极，却高于地电位的电位，从而在高压电极、悬浮电极和接地电极之间形成了三种不同的电位，在气体间隙内形成了有利于辉光放电产生的电场分布；在外加电压的作用下，高压电极与悬浮电极之间的毫米间隙率先实现了辉光放电，其放电产生的带电粒子可以作为气体间隙的放电初始电电子，使其在较低电压下产生均匀的辉光放电。通过图2可以看出，气体间隙内的放电现象均匀稳定，每次放电的电流脉冲数量极少，瞬时最大脉冲幅值为mA级别。这一种放电现象符合辉光放电电流的主要特征，可以认为是辉光放电。工作电源为交流电源、脉冲电源或射频电源。

实施例2：

如图3所示，图3位本发明结构的侧视图。与实施例1区别在于高压电极103与悬浮电极104均布设置2组以上，本实施例均布设置有3组，每组之间相隔一定的间距或者没有间距；图3中每组高压电极与悬浮电极均相隔一定的间距。

工作过程与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例3：

如图4所示，本实施例其余结构与实施例1相同，区别在于悬浮电极被连接到另外一个电源的高压端。其通过2个电源对放电电极进行供电，通过匹配高压电极103和悬浮电极104之间的电压差别来实现气体间隙的辉光放电，工作过程与实施例1相同，此处不再赘述。

实施例4：

如图5所示，本实施例其余结构与实施例1相同，区别在于接地电极101和阻挡介质103为不规则形状，接地电极101埋于阻挡介质103内部，悬浮电极104与高压电极103交替出现，工作过程与实施例1相同，此处不再赘述。

另外，所述接地电极101和阻挡介质102在气体间隙105周围，接地电极101形状为薄片状、圆柱状或者不规则形状（如图6所示）。

实施例5：

如图7所示，本实施例是一种生成辉光放电等离子体射流的装置。本实施例结构与实施例1类似，区别在于气体间隙被做成能够通气的通孔，喷气装置向通孔喷射气流。当气流通过通孔时，由气体间隙内生成的辉光放电等离子体在气流的作用下，通孔外侧可以生成辉光放电等离子体射流。以上其他实施例中阐述的辉光放电结构也可以用于生成辉光放电等离子体射流，不再赘述。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，包括高压电极（103）和悬浮电极（104），所述悬浮电极与高压电极平行设置，高压电极（103）与悬浮电极（104）的间距小于500μm；所述辉光放电等离子体生成装置还包括接地电极（101），高压电极（103）和接地电极（101）之间设有气体间隙（105）；接通电源后，高压电极（103）和悬浮电极（104）之间的微小间隙放电，放电产生的电子为气体间隙（105）提供初始放电电子，使存在一定电场强度的气体间隙（105）在足够多的初始电子的作用下产生均匀的辉光放电等离子体；将待处理的材料从气体间隙（105）穿过，气体间隙内生成的辉光放电等离子体即对其进行处理。

2.一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，包括高压电极（103）和悬浮电极（104），所述悬浮电极与高压电极平行设置，高压电极（103）与悬浮电极（104）的间距小于500μm；所述辉光放电等离子体生成装置还包括接地电极（101），高压电极（103）和接地电极（101）之间设有气体间隙（105），气体间隙（105）形状为圆形、多边形或者不规则图形；所述辉光放电等离子体生成装置还包括喷气装置，喷气装置向气体间隙（105）喷出气流；接通电源后，高压电极（103）和悬浮电极（104）之间的微小间隙放电，放电产生的电子为气体间隙（105）提供初始放电电子，使存在一定电场强度的气体间隙（105）在足够多的初始电子的作用下产生均匀的辉光放电等离子体；气流通过时，由气体间隙内生成的辉光放电等离子体在气流的作用下，外侧生成辉光放电等离子体射流。

3.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述辉光放电等离子体生成装置包括多组高压电极（103）和悬浮电极（104）。

4.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述辉光放电等离子体生成装置包括多个交替排列高压电极（103）和悬浮电极（104），各个高压电极（103）和悬浮电极（104）的间距小于500μm。

5.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述悬浮电极（104）被连接到另外一个电源的高压端，通过2个电源进行供电，通过匹配高压电极（103）和悬浮电极（104）之间的电压差别来实现气体间隙的辉光放电。

6.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述接地电极（101）的形状为矩形状、薄片状、圆柱状或者不规则形状，材料为导电性能好的金属材料或者碳纤维。

7.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述辉光放电等离子体生成装置还包括阻挡介质（102），所述阻挡介质（102）位于接地电极（101）周围或者包裹住接地电极（101），外形为球状、方形状或者不规则形状，阻挡介质（102）的材料为聚四氟乙烯、硅橡胶、玻璃、陶瓷或环氧乙烯的一种。

8.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述高压电极（103）为导电性能好的金属材料或碳纤维制成的裸导体，或者为带有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料为聚四氟乙烯、硅橡胶、玻璃、陶瓷或环氧乙烯。

9.根据权利要求1或2所述的一种辉光放电等离子体生成装置，其特征在于，所述悬浮电极（104）为导电性能好的金属材料或者碳纤维制成的裸导体，或者为带有绝缘层包裹的导线，所述绝缘层材料为聚四氟乙烯、硅橡胶、玻璃、陶瓷或环氧乙烯。