大氣壓介質(zhì)阻擋放電與應(yīng)用的研究現(xiàn)狀及問題

姚聰偉

摘 要：本文從高電壓工程出發(fā)，簡(jiǎn)介了放電等離子體的類型、產(chǎn)生機(jī)制及其交叉學(xué)科的發(fā)展歷程，分析了大氣壓介質(zhì)阻擋放電的優(yōu)勢(shì)和必要性;闡述了大氣壓介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)類型，以及在生物醫(yī)學(xué)和輔助燃燒等領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及其存在的問題;歸納了高電壓氣體放電等離子體交叉學(xué)科應(yīng)用中的共性科學(xué)問題。

關(guān)鍵詞：高電壓技術(shù);介質(zhì)阻擋放電;交叉學(xué)科應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O461.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0135-02

0 引言

在高電壓輸變電工程中，氣體擊穿會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)的失效，可能導(dǎo)致重大電力系統(tǒng)事故，所以在傳統(tǒng)高電壓工程中，人們傾向于抑制氣體擊穿。然而，氣體放電等離子體具有高化學(xué)活性[1]，可以降低許多化學(xué)反應(yīng)閾值。近年來，等離子體這一特性在諸多交叉學(xué)科領(lǐng)域引起了重視。根據(jù)等離子體中電子、離子和宏觀溫度的平衡狀態(tài)，可將等離子體分類為完全熱平衡、局域熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體[2]。本文主要關(guān)注大氣壓非熱平衡等離子體。

非熱平衡等離子體既可通過無電極的微波波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或電感耦合型結(jié)構(gòu)氣體放電產(chǎn)生，也可通過電容耦合型結(jié)構(gòu)氣體放電產(chǎn)生[3]。其中，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電容耦合放電是產(chǎn)生人造非熱平衡等離子體的重要方式。50年代，由核技術(shù)和空間探索技術(shù)衍生的等離子體焊接、切割和噴涂等技術(shù)使等離子體技術(shù)走向應(yīng)用[2];70年代后，等離子體技術(shù)先后在集成電路和顯示器等領(lǐng)域成功應(yīng)用[3]。21世紀(jì)后，隨著氣體放電在光源、氣相沉積和半導(dǎo)體工藝等應(yīng)用的日漸成熟，及在生物醫(yī)學(xué)、輔助燃燒和材料處理等領(lǐng)域的前景[2]，人們對(duì)等離子體穩(wěn)定性、可控性和高效性有了更高要求。

1 大氣壓介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用

1.1 介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)

介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）通過在電極之間添加絕緣介質(zhì)，阻礙放電貫通高低壓電極，使等離子體處于非熱平衡狀態(tài)，避免其發(fā)展為破壞性較大的電弧放電，是產(chǎn)生非熱平衡等離子體的重要方式。幾類大氣壓DBD結(jié)構(gòu)可見參考文獻(xiàn)[4]，可分為體放電和沿面放電兩種類型。如圖1所示。

大氣壓DBD產(chǎn)生的非熱平衡等離子體具有富含高化學(xué)活性粒子、宏觀溫度接近于室溫和可在大氣壓氛圍中產(chǎn)生等優(yōu)勢(shì)，可改善部分化學(xué)反應(yīng)的啟動(dòng)條件，降低生產(chǎn)成本，在材料表面處理、生物醫(yī)學(xué)和輔助燃燒等交叉學(xué)科領(lǐng)域均有應(yīng)用。

1.2 材料處理

將DBD在材料領(lǐng)域應(yīng)用的歷史較長(zhǎng)，但由于傳統(tǒng)的低氣壓放電等離子體技術(shù)需要成本較高的真空設(shè)備，近年來，人們開始探索大氣壓DBD在不同類型材料表面處理的應(yīng)用，主要聚焦材料親疏水性、粘附性和粗糙度等表面物化性能的改變。例如，使用He、N2、O2及其混合氣體DBD處理聚丙烯薄膜，可減小表面水接觸角，降幅可達(dá)66%，且輝光放電引起的水接觸角變化更顯著，同時(shí)，輝光放電處理后，表面碳元素含量更低，氧氮含量比例也更小[5];使用含CF4的DBD等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行處理，可改變表面親水性，增加粗糙度，提高了材料沿面耐電性能，有可能增強(qiáng)材料對(duì)表面電荷的束縛能力，降低高能電子引起的真空二次電子發(fā)射系數(shù)[6]。目前，對(duì)DBD等離子體材料表面改性機(jī)制的認(rèn)識(shí)包括：一方面，DBD等離子體中的高能粒子轟擊材料表面，會(huì)清除材料表面部分雜質(zhì)，并破壞材料表面物理形貌，使材料表面粗糙度提高;另一方面，高能電子、離子或激發(fā)態(tài)粒子可以破壞材料表面化學(xué)鍵，在材料表面形成斷鍵，激活材料表面化學(xué)活性，進(jìn)一步地，材料表面的斷裂化學(xué)鍵可能重新鍵合，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聚合物表面交聯(lián)，也可能使等離子體中的活性自由基與材料表面斷鍵發(fā)生接枝反應(yīng)，引入新元素或新基團(tuán)，從而改變材料表面物化性能。

1.3 生物醫(yī)學(xué)

大氣壓DBD非熱平衡等離子體由于具有特殊化學(xué)活性和低溫特性在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在巨大應(yīng)用潛力，包括較為成熟的等離子體滅毒殺菌技術(shù)，和仍在研究階段的癌癥治療與創(chuàng)傷修復(fù)等。1990至2000年人們發(fā)現(xiàn)非熱平衡等離子體可以使細(xì)胞脫吸附，引起真核細(xì)胞凋亡，提出了使用等離子體殺滅病原體和創(chuàng)傷修復(fù)的可能性[7]。2000年至今，研究證明了等離子體能高效滅活金黃色葡萄球菌和艾滋病病毒等病原體，具有低溫、高效和普適等特性[8];發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞對(duì)等離子體的耐受能力弱于正常細(xì)胞，等離子體能在不損傷正常細(xì)胞的情況下殺滅腫瘤細(xì)胞，減小腫瘤大小[8];將等離子體應(yīng)用于創(chuàng)傷修復(fù)，發(fā)現(xiàn)等離子體殺滅傷口有害病菌的同時(shí)，可促進(jìn)成纖維細(xì)胞增殖，加速創(chuàng)傷修復(fù)進(jìn)程[7]。實(shí)驗(yàn)與理論研究表明等離子體中的OH和H2O2等ROS可以滲透組織液，在分子層面上引起細(xì)胞膜表面分子的變化，并對(duì)細(xì)胞生理功能產(chǎn)生影響，但等離子體活性粒子在溶液中滲透深度量化計(jì)算方法和對(duì)細(xì)胞具體作用途徑則尚未明晰。

1.4 輔助燃燒

燃料高效燃燒是能源領(lǐng)域關(guān)注的重要問題。人們發(fā)現(xiàn)了非熱平衡等離子體可縮短燃料點(diǎn)火時(shí)延，提高燃燒效率[9]。為增強(qiáng)等離子體的可控性，DBD結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于輔助燃燒，以提高低氣壓、高流速等極端環(huán)境中的燃燒穩(wěn)定性。目前，人們發(fā)現(xiàn)非熱平衡等離子體可在三個(gè)方面影響燃燒進(jìn)程：溫升效應(yīng)：放電引起氣體局部溫度升高，提升了燃燒反應(yīng)速率，使點(diǎn)火時(shí)延縮短、火焰?zhèn)鞑ニ俾试黾拥?化學(xué)效應(yīng)：等離子體中的O、OH、CH等活性粒子是燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的過渡粒子，通過放電產(chǎn)生可以加快燃燒反應(yīng)，拓展燃燒極限;氣流輸運(yùn)效應(yīng)：帶電粒子在電場(chǎng)作用下會(huì)定向遷移，其動(dòng)量傳遞給燃燒氣體，引起湍流，在一定范圍內(nèi)，可使燃料與助燃劑混合更加充分，提高燃燒效率，但擾動(dòng)過大使燃燒不穩(wěn)定。

2 結(jié)論

綜上所述，大氣壓DBD等離子體應(yīng)用更便利，極具前景。但是，DBD在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用仍存在一些問題，例如，大氣壓DBD容易產(chǎn)生不均勻放電，引起材料表面改性不均勻、等離子體溫度過高則會(huì)灼傷生物組織、放電過于劇烈會(huì)增加氣流湍流程度而破壞火焰穩(wěn)定性等等。因此，其共性問題為如何有效調(diào)控大氣壓DBD等離子體的宏觀溫度、放電類型和活性粒子等性質(zhì);其關(guān)鍵科學(xué)問題是探明大氣壓DBD基礎(chǔ)理論，即掌握不同氣體氛圍、不同電源驅(qū)動(dòng)形式和不同放電結(jié)構(gòu)的大氣壓DBD等離子體特性及其調(diào)控規(guī)律，并建立具有普適性的大氣壓DBD理論體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景DBD等離子體源設(shè)計(jì)的指導(dǎo)。

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