常壓介質(zhì)阻擋放電的特性研究及應(yīng)用前景

陳龍溪 ，吳 斌

（1.山東青年政治學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103；2.山東省信息安全與智能控制高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250103；3.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，安徽 合肥 230031）

現(xiàn)階段，由于常壓低溫等離子體在材料加工、環(huán)境工程、食品加工等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，常壓低溫等離子體得到了越來越多的重視和研究?，F(xiàn)在常壓低溫等離子體可通過多種方式產(chǎn)生，例如，利用電暈放電、射頻微波放電、介質(zhì)阻擋放電等。而在這些放電方式中，介質(zhì)阻擋放電由于其具有放電均勻、散漫和穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾暫脱芯?。介質(zhì)阻擋放電是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電形式，介質(zhì)可以覆蓋在電極上或者懸掛在放電空間里。這樣，當(dāng)在放電電極上施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體，即使在常壓下也會(huì)被擊穿而形成常壓介質(zhì)阻擋放電。

事實(shí)上，早在100多年前，等離子體在工業(yè)上已得到應(yīng)用，比如利用臭氧凈化水、熒光燈、薄膜刻蝕等[2]。但早期對(duì)等離子體的應(yīng)用主要是低氣壓等離子體，低氣壓等離子體存在諸多缺點(diǎn)，它只能在真空條件下和特定的容器內(nèi)反應(yīng)，隨著氣壓的增加，平均電子自由程減小，當(dāng)氣體壓強(qiáng)與氣體間隙的乘積大于20TorrCm時(shí)，電子的平均自由程與氣體間隙相比就變得非常的小，導(dǎo)致電子在到達(dá)陽極之前產(chǎn)生電子雪崩，從而在電場中產(chǎn)生足夠的帶電電荷，在大氣壓下，低溫放電常常是由一系列的微放電組成的，微放電通道直徑大約為100um，很容易造成放電拉弧[3]。介質(zhì)阻擋放電實(shí)驗(yàn)裝置的建立，解決了低氣壓等離子體和大氣壓下放電拉弧的缺點(diǎn)，使氣體放電在一個(gè)大氣壓下就能均勻的進(jìn)行，從而工業(yè)等離子體的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。一系列有前景的工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)被很好的研究，其中包括增加聚乙烯聚丙烯等紡織材料表面能和親水性能[4]，等離子體氣相沉積及材料表面刻蝕[5]，食品保鮮及滅菌工程[6]，清除柴油機(jī)引擎的油煙和易揮發(fā)性物質(zhì)[2]等。

1 介質(zhì)阻擋放電裝置及實(shí)驗(yàn)條件

1.1 典型的實(shí)驗(yàn)裝置

典型的介質(zhì)阻擋放電和間隙結(jié)構(gòu)如圖一所示。以最簡單的電極結(jié)構(gòu)為例，這些電極和間隙結(jié)構(gòu)可以是平面型的，也可以是同軸圓柱形的。介質(zhì)阻擋層可以為單層或雙層，可以覆蓋在電極上或懸掛在放電空間中。構(gòu)型（a）可以在介質(zhì)兩邊同時(shí)生成兩種成分不同的等離子體。在電極間安插介質(zhì)可以防止在放電空間形成局部火花或弧光放電，而且能夠形成通常大氣壓下的穩(wěn)定的氣體放電。構(gòu)型（b）的特點(diǎn)是放電發(fā)生在兩層介質(zhì)之間，可以防止放電等離子體直接與金屬電極接觸；對(duì)于具有腐蝕性氣體或高純度等離子體，這種構(gòu)型具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。圖（c）是很實(shí)用的放電構(gòu)型，它常用以制造臭氧發(fā)生器；其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，而且可以通過金屬電極把放電產(chǎn)生的熱量耗散掉[1][7]。

現(xiàn)在的研究中，介質(zhì)阻擋放電的實(shí)驗(yàn)裝置出現(xiàn)了許多新的構(gòu)型，但基本結(jié)構(gòu)都是在以下三種裝置構(gòu)型的基礎(chǔ)上搭建的。例如美國田納西州立大學(xué)等離子體科學(xué)實(shí)驗(yàn)室Roth等人研究的一種能夠在介質(zhì)表面產(chǎn)生一個(gè)大氣壓均勻介質(zhì)阻擋放電等離子體層的裝置[8]，就是在構(gòu)型（c）的基礎(chǔ)上把下電極分成許多小細(xì)絲電極搭建而成的。

圖1 介質(zhì)阻擋放電裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

介質(zhì)阻擋放電能夠在很大的氣壓和頻率范圍內(nèi)工作，而且目前常用的工作條件是104～106Pa，頻率為50HZ～1MHZ[1]。雖然這種放電已經(jīng)被開發(fā)和應(yīng)用的比較廣泛，可對(duì)它的仔細(xì)研究還只是近幾十年的事情。

1988年，日本的Sophia大學(xué)的Okazaki等研究人員通過實(shí)驗(yàn)提出了大氣壓下獲得穩(wěn)定等離子體的三個(gè)條件[9]：（1）利用氦作為稀釋氣體；（2）采用KHZ頻率的電源；（3）在電極板上覆蓋絕緣介質(zhì)。江蘇大學(xué)蔡憶昔等人關(guān)于介質(zhì)阻擋放電中，介質(zhì)材料、介質(zhì)厚度、放電間隙、電壓及頻率等相關(guān)參數(shù)對(duì)放電特性的影響作了一系列的研究[7]，他們發(fā)現(xiàn)采用介電常數(shù)大、較薄的介質(zhì)，當(dāng)放電參數(shù)及其它因素不變時(shí)，放電強(qiáng)度隨相對(duì)介質(zhì)常數(shù)的增大而增大，隨介質(zhì)厚度的增大而減小。在介質(zhì)阻擋放電裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，放電功率隨輸入電壓的升高而增大。放電間隙增大時(shí)，形成較粗的絲狀放電，且微放電通道的分布密度降低，放電的不均勻性增加。當(dāng)調(diào)壓調(diào)頻交流脈沖電源與介質(zhì)阻擋放電裝置匹配時(shí)，存在最優(yōu)的放電頻率。

2 機(jī)理研究及參數(shù)診斷

2.1 機(jī)理研究

常壓介質(zhì)阻擋放電是一種高氣壓下的非平衡放電。這種放電的擊穿和其它放電的相似之處是在外電場作用下電子從電場中獲取能量，通過電子與周圍原子分子碰撞，電子把自身的能量轉(zhuǎn)移給它們，使它們激發(fā)電離。當(dāng)氣體間隙的外電場電壓超過氣體的擊穿電壓時(shí)，氣體被擊穿。在介質(zhì)阻擋放電中，由于電極間介質(zhì)的存在，限制了放電電流的自由增長，因此也阻止了極間火花或弧光的形成。在大氣壓下，氣體的擊穿會(huì)造成大量的電流細(xì)絲通道，而每一個(gè)通道相當(dāng)于一個(gè)單個(gè)擊穿或者是流光擊穿，這就形成了所謂的微放電[1][10]。在較低的激勵(lì)電壓條件下，微放電在空間內(nèi)的分布是相互獨(dú)立存在的，隨著激勵(lì)電壓的增加，兩個(gè)原來相互獨(dú)立的微放電之間開始出現(xiàn)其它的微放電，并且沉積在介質(zhì)表面的電荷在介質(zhì)層表面的擴(kuò)散作用也相應(yīng)的增強(qiáng)。激勵(lì)電壓越高，這些現(xiàn)象表現(xiàn)得越明顯，最后在介質(zhì)層表面形成一層很強(qiáng)也很均勻的沉積電離層[11]。擊穿發(fā)生時(shí)，電場和湯生放電電場一致，隨著氣體電離度的增加，電荷向介質(zhì)層上聚集，空間電場發(fā)生很大變化，介質(zhì)層處的電位不斷下降，引起介質(zhì)層附近的空間電場不斷衰減[3]。相反，隨著電子源源不斷被輸運(yùn)到介質(zhì)層，空間的正離子在陰極附近相對(duì)較多，造成陰極附近的電場增加。

介質(zhì)阻擋放電過程中，對(duì)電場產(chǎn)生影響的因素主要有兩個(gè)方面，即介質(zhì)層積累電荷對(duì)電場的影響以及空間電荷對(duì)電場的影響?？傮w上看，介質(zhì)阻擋放電的電場類似于氣體輝光放電中的電場，在陰極前方有一個(gè)類似的陰極位降區(qū)，而在陽極前方有一個(gè)類似的正柱區(qū)[12]。放電過程中，電子的碰撞導(dǎo)致電子雪崩，從而短時(shí)間內(nèi)形成了一個(gè)大的放電通道，由于很高的局部電場的作用，雪崩中的高能部分的電子將進(jìn)一步得到加速，它們的逃逸引起擊穿通道向陽極方向傳播。一旦這部分空間電荷到達(dá)陽極，在那里建立的電場會(huì)向陰極方向返回，這樣就會(huì)有一個(gè)更強(qiáng)的電場波向陰極方向傳播過來。在傳播過程中，原子和分子得到進(jìn)一步電離，并激勵(lì)起向陰極傳播的電子反向波。這樣一個(gè)放電通道能非常快的通過放電間隙而造成氣體的擊穿，這種擊穿機(jī)制在常壓下常會(huì)形成一帶狀形貌[1][13][14]。F.Massines 等 人 認(rèn)為，介質(zhì)阻擋放電應(yīng)該被分為兩部分，一部分為貌似輝光放電，另一部分為湯生放電。因?yàn)榉烹妳^(qū)域足夠大，以至于影響了一次放電到下一次方電時(shí)的存儲(chǔ)效應(yīng)，而這種存儲(chǔ)效應(yīng)對(duì)于獲得常壓介質(zhì)阻擋放電是十分重要的[15]。

由于氣體被擊穿，導(dǎo)電通道建立后，空間電荷在放電空隙中輸送并積累在介質(zhì)上，介質(zhì)表面電荷將建立電場，其方向與外電場相反，從而削弱作用電場，以致中斷放電電流，所以常壓介質(zhì)阻擋放電是一個(gè)放電、熄滅、重新放電的復(fù)雜、瞬態(tài)過程，對(duì)該過程起決定作用的為電子和重粒子之間的非彈性碰撞[1][7]。

2.2 參數(shù)診斷

在常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的產(chǎn)生方面，國內(nèi)外已經(jīng)取得了一些成果，但是要更好的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)必須充分了解等離子體的特性，這就涉及到等離子體的參數(shù)診斷問題。目前國內(nèi)外對(duì)常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體特性的診斷研究仍處于初步階段。

郎謬爾探針是最普遍用來診斷等離子體參數(shù)的工具，但是在大氣壓等離子體中離子和電子在被探針收集之前與中性粒子發(fā)生了頻繁碰撞，因此普遍應(yīng)用于低氣壓下等離子體參數(shù)診斷的探針理論和計(jì)算公式無法在大氣壓情況下使用。現(xiàn)在研究中一般采用球形探針[16]和Stark效應(yīng)產(chǎn)生的譜線展寬[17]來測電子的溫度和密度的。用Stark效應(yīng)產(chǎn)生的譜線展寬測電子密度要分辨率很高的發(fā)射光譜儀，通常要求分辨率達(dá)到0.01nm或更高，否則難以看出展寬來[18]。

3 當(dāng)前的應(yīng)用研究及應(yīng)用前景

為了維持我們的生活方式和當(dāng)前的收入水平，同時(shí)又使目前非工業(yè)化國家分享現(xiàn)代工業(yè)化社會(huì)的福利，必須在全球范圍內(nèi)提高總體能源消費(fèi)的效率和效能。低溫等離子體應(yīng)用將不容置疑地對(duì)工業(yè)中現(xiàn)用主要耗能加工過程的效率和效能的提高起十分重要的作用。同化學(xué)的和其它的方法相比，等離子體具有更高的溫度和能量密度，從而引發(fā)在常規(guī)物理化學(xué)反應(yīng)中不能或難以實(shí)現(xiàn)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)。低溫等離子體應(yīng)用提供了更有利的工業(yè)加工方法，包括更有效和更便宜達(dá)到工業(yè)相關(guān)結(jié)果的能力?，F(xiàn)階段，常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體的工業(yè)應(yīng)用主要集中在各種膜的制備和改性；材料的制備、改性與表面處理；空氣凈化與污染的防治；金屬的切割與加工；大規(guī)模集成電路的制造與微機(jī)械加工；多種傳感器的制作；生物的改性；軍事方面的應(yīng)用，如等離子體隱身不涉及飛行器本身的空氣動(dòng)力系統(tǒng)等。

目前，介質(zhì)阻擋放電等溫離子體在材料表面改性方面得到了很好的研究，并已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。這主要表現(xiàn)在材料表面聚合和刻蝕兩個(gè)方面。等離子體聚合不要求單體有不飽和單元，也不要求含有兩個(gè)以上的特征官能團(tuán)，在常規(guī)情況下不能進(jìn)行的或難以進(jìn)行的聚合反應(yīng)，在等離子體中變得易于聚合而且聚合速度可以很快，并且生成的聚合物膜有高密度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的大小和支化度在某種程度上可以控制，這樣的膜機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均好。常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體聚合的工藝過程非常簡單，無論是內(nèi)電極式還是外電極式，一般都是先將反應(yīng)器抽至一定的真空，然后充入單體蒸氣，保持一個(gè)大氣壓值，在適當(dāng)選擇的放電功率下發(fā)生等離子體，即可在材料表面生成聚合薄膜[5][19]。

等離子體刻蝕已在微電子加工[20]、棉紡織品材料表面處理等工業(yè)得到很好的應(yīng)用。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電處理后的棉紡織樣品比絲狀放電處理后的樣品更光滑，表面自由能有所增大，水的接觸角有所降低[4][21]。而且等離子體處理棉紡織品能耗低、污染小。一個(gè)例子說明等離子體相關(guān)方法能夠減少廢料產(chǎn)品和能量消耗。用傳統(tǒng)的氯化處理方法和相等效果的低氣壓等離子體處理制造可印染毛料的結(jié)果：和傳統(tǒng)的氯化處理相比，低壓（2～6Torr）等離子體每年處理120噸羊毛可節(jié)約27 000立方米水、44噸亞氯酸鈉、16噸二硫化鈉、11噸硫酸和685兆千瓦時(shí)電能。用傳統(tǒng)方法，這些原料將產(chǎn)生不需要的或有毒的產(chǎn)品，對(duì)工人產(chǎn)生職業(yè)危害。生產(chǎn)一千克可印染毛料的能量消耗，傳統(tǒng)氯化方法為7kwh／kg，而低壓等離子體處理為0.3～0.6kwh／kg。

廢氣處理方面，在煙囪中加一個(gè)介質(zhì)阻擋放電裝置，電場產(chǎn)生高能量電子，電子在電場中被加速，然后與通過電場的煙氣中的微粒碰撞，發(fā)生吸附、氧化、分裂等反應(yīng)，失去能量，回到低能量狀態(tài)，然后又進(jìn)行下一輪循環(huán)。被吸附上高能量的電子的塵粒將帶上電荷，被吸附到相反的電極，從而達(dá)到除塵效果，其除塵率達(dá)99%。當(dāng)電子被加速時(shí)，與氣體分子 N2，O2，H2O，CO2，撞擊，將能量傳遞給它們，從而形成O，N，OH等原子、正負(fù)電子及激活后的分子，這些電子與離子，離子與離子及電子拆分的反應(yīng)，大量的O，OH，H及O3等離子體反應(yīng)，將SO2和NO氧化成NO2，N2O5，SO3或者生成懸浮物質(zhì)。將這些生成物通入水中，然后再向水中沖入NH3，可將含硫氧化物和含氮氧化物轉(zhuǎn)變成NH4NO3和（NH4）2SO4混合肥料，經(jīng)過以上反應(yīng)達(dá)到99%得除氮效果，并且SO2的排放量小于100mg／m3[22－23]。

另一方面，在對(duì)電磁波與大氣壓等離子體的研究中，人們發(fā)現(xiàn)在大氣壓或接近大氣壓的情況下，電子與中性粒子的碰撞十分頻繁，碰撞頻率與雷達(dá)波頻率量級(jí)相當(dāng)[18]，這可應(yīng)用于等離子體隱身技術(shù)。等離子體隱身不涉及飛行器本身的空氣動(dòng)力系統(tǒng)，大幅度降低了飛行器的被發(fā)現(xiàn)概率。對(duì)飛行器外形沒有特殊要求。不僅可以吸收雷達(dá)波，還能吸收紅外線輻射。具有吸收頻帶寬、吸收率高、使用簡便、服役時(shí)間長等特點(diǎn)。成本相對(duì)比較低廉。等離子體可做成快速開、關(guān)的隱身系統(tǒng)。等離子體能減少飛行阻力30%以上。

總之，常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體可適用于更多的領(lǐng)域，而且這方面也受到越來越多的重視和研究。目前的現(xiàn)狀是，常壓介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但其物理過程、等離子體性質(zhì)、穩(wěn)定機(jī)制等方面還不夠清晰，許多方面都有待于人們的進(jìn)一步探究，而隨著研究的深入，其未來將有一個(gè)更加廣泛的應(yīng)用前景。

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