（材料学专业论文）常压空气介质阻挡等离子体改性氟橡胶表面的研究.pdf

摘要 常压空气介质阻挡等离子体改性氟橡胶表面的研究 材料学专业 研究生童薇指导教师卢灿辉 摘要 氟橡胶以其广泛的优良性能成为现代工业尤其是高技术领域中不可缺少和 替代的基础材料，广泛应用于国防、军工、航空航天、汽车、石油化工等诸多 领域。但氟橡胶是低极性材料，表面能低，浸润性差。因此对氟橡胶进行表面 功能化，提高表面能、表面亲水性成为研究热点之一。 介质阻挡( d b d ) 等离子体技术是近年来发展较快的一门材料表面改性技 术。本研究采用d b d 技术对氟橡胶进行表面改性，结果表明将d b d 技术运用 到氟橡胶表面改性，对提高其表面性能是行之有效的。 使用常压下空气介质阻挡( d b d ) 等离子体处理氟橡胶( f 2 3 l i ) 表面，使 之表面活化。通过扫描电镜( s e m ) 和原子力显微镜( a f m ) 观察a i r _ d b d 等 离子体处理前后橡胶试样的表面形貌，借助衰减全反射红外光谱( a t r f t i r ) 和x 射线光电子能谱( x p s ) 分析处理前后f 2 3 l l 表面官能团变化，通过接触角 和表面能的测定研究表面改性对f 2 3 l l 表面亲水性的影响，并通过t 型剥离实验 测定改性样品的粘结接性。结果表明，等离子体处理f 2 3 i i 表面的亲水性、化学 成分、表面形貌和粘接性均发生变化。a t r - f t i r 图谱说明等离子体处理后f 2 3 l l 表面生成c = o ，一0 h ，o c o 等极性含氧基团；x p s 谱图表明等离子体 处理后样品表面在2 8 9 3 2 8 9 8e v 出现新的c l s 峰；样品表面形成褶皱，粗糙 度增大；亲水性提高，与水的接触角由9 8 6 0 下降到3 2 0 ，在实验范围内接触角 随处理时间的延长而降低。经等离子体处理1 2 0 s 后氟橡胶和硅橡胶的粘接强度 摘要 提高，剥离强度从3 3 提高到6 0n c m 。以接触角变化和表面能变化为依据， 确定空气介质阻挡等离子体处理f 2 3 l l 的较佳工艺条件为放电功率4 0 2 w 、放 电间隙2 m m 、处理时间1 2 0s e e 。 利用较佳的等离子体预处理条件对f 2 3 1 l 进行表面预处理，随后进行液相接 枝反应。结果表明f 2 3 l l 表面接枝丙烯酸丙烯酰胺双单体的效果最好。进行液 相接枝反应时，接枝反应的时间和温度对f 2 3 l l 表面润湿性有显著影响。接枝反 应时间延长，接枝表面更加均匀，润湿性更好，在实验范围内确定液相接枝 a a a a m 双单体的最佳接枝反应时间为2 h ；随着接枝温度的升高，接触角均呈 现先减小后增大的趋势，最佳的接枝温度为5 0 - - 6 0 。 利用一次等离子体处理条件( 放电间隙2m i l l ，放电功率8 0 w ，处理时间 1 2 0 s ) 和二次等离子体处理条件( 放电间隙4r a i n ，放电功率1 5 0 w ，处理时间 6 0 s ) 研究在f 23 1 l 表面接枝丙烯酸和丙烯酸丙烯酰胺双单体，结果表明丙烯酸 丙烯酰胺双单体的改性效果较好。二次等离子体处理的样品表面能的提高显著， 等离子体二次处理6 0 s 样品表面能便可达到5 5 6m n m ，从时间和原料耗费上 看，二次等离子体比液相接枝改性更为高效。 s e m 和a f m 照片显示，与等离子体预处理的样品相比，经过液相接枝和 二次等离子体接枝处理的样品表面更加平整，粗糙度下降，c l s 和o l s 的x p s 谱图和a t r f t i r 图谱均显示有新的基团产生，分析认为是丙烯酸类单体在 f 2 3 l l 表面接枝、交联的结果。 关键词：介质阻挡，等离子体，氟橡胶，表面改性，接枝 2 摘要 s t u d yo ns u r f a c em o d i f i c a t i o no ff l u o r i d er u b b e r u s i n ga t m o s p h e r i cp r e s s u r ed i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ( d b d ) i n a i r m a t e r i a le n g i n e e r i n g m a s t e r ：t o n g w e i a d v i s e r ：l uc a n h u i a b s t r a c t f l u o r i d er u b b e r sp o s s e s sg o o dp r o p e r t i e ss u c ha sg o o dt h e r m a la n dc h e m i c a l r e s i s t a n c e ，a n dl o we l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , w h i c ha r eb a s e do i lt h el o wp o l a r i z a b i l i t y o fc fb o n d s t h en e wk i n d so ft h em a t e r i a l 、v i t he x c e l l e n tp e r f o r m a n c e sb e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，a n da r ew i d e l yu s e di nt h en a t i o n a ld e f e n s e , w a ri n d u s t r y , a e r o s p a c e ，a u t o m o b i l e ，p e t r o c h e m i c a le t c h o w e v e r , f l u o r i d e r u b b e r sa r el o w p o l a r i z a b i l i t ym a t e r i a l s 、“ml o ws u r f a c ee n e r g ya n dp o o rw e t t a b i l i t y , s oi t sv e r y d i f f i c u l tf o rf l u o r i d er u b b e r st ow e t , a n dt h es u r f a c ei n e r t n e s sh a sr e s u l t e di nt h ep o o r a d h e s i o no ft h ep o l y m e rw i mv a r i o u sm a t e r i a l s i nt h i sc o n n e c t i o n , a m o u n to f r e s e a r c h e sh a v eb e e nd e v o t e dt ot h es u r f a c em o d i f i c a t i o no f f l u o r i d er u b b e r s d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ep l a s m a ( d b d ) t e c h n i q u ed e v e l o p sq u i c k l yi n r e c e n ty e a r sa n di ti sa d o p t e dt om o d i f yt h es u r f a c ep r o p e r t i e so fm a n ym a t e r i a l s n es u r f a c eo ff l u o r i d er u b b e rm a t e r i a lw a sm o d i f i e db yt h ed b d t e c h n i q u ei nt h i s p a p e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es u r f a c em o d i f i c a t i o no ft h ef l u o r i d er u b b e r a f f e c t e dt h es u r f a c ep r o p e r t i e sg r e a t l y s u r f a c em o d i f i c a t i o no ff l u o r i d er u b b e rf i l m s ( f 2 3 11 ) h a db e e nd o n eb ya n 3 摘要 a t m o s p h e r i c p r e s s u r ep l a s m at r e a t m e n tu s i n gd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ei na i r t h e p l a s m a - i n d u c e ds u r f a c ec h a n g e so ff 2 3 f i l mw e r ei n v e s t i g a t e db yf o u r i e rt r a n s f o r m a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o ni n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( a t r f t i r ) ，x r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，t h ec o n t a c ta n g l em e a s u r e m e n ta n da t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) r e s u l t ss h o w e dt h a ta s h o nt i m ea i rp l a s m at r e a t m e n to f f e ws e c o n d sl e a d e d t om o r p h o l o g y ，w e t t a b i l i t ya n dc h e m i c a lc h a n g e so ff 2 3 1 1f i l m a f t e rt h ep l a s m a t r e a t m e n t ，t h eo x y g e nc o n t a i n i n gg r o u p sw e r ei n t r o d u c e d ，s u c ha sc = o ，一0 h ，o c oe t c ，a na d d i t i o n a lc l sp e a kw a si n t r o d u c e dw h i c ha p p e a r e da t2 8 9 3 - 2 8 9 8 e v ， t h ew a t e rc o n t a c ta n g l ed e c r e a s e df r o m9 8 6 。t o3 2 0 。a m d b dp l a s m ah a da l l o b v i o u se t c h i n ge f f e c to nf 2 3 1 1f i l m sw h i c hw e r ed e t e c t e db ya f m 1 1 1 es u r f a c e r o u g h n e s si n c r e a s e dr e m a r k a b l y 1 1 1 ep e e ls t r e n g ho ft h ef 2 3 1 1a n ds i l i c o nm b b c r i n c r e a s e df r o m3 3t o6 0n c m t h ep r e f e r a b l ep a r a m e t e r so ft h ea i r d b dp l a s m a w e r ed i s c h a r g ep o w e r4 0 2 w ：d i s c h a r g ed i s t a n c e2 m ma n dp l a s m ai r r a d i a t i o nt i m e 1 2 0 s e e t h es u r f a c eo ff 2 3 1 1w a st r e a t e db yt h ea i r - d b dp l a s m aw i t ht h ep r e f e r a b l e t r e a t i n gc o n d i t i o n ，a n dt h e nw a sm o d i f i e df u n c t i o n a l l yb yt h el i q u i d p h a s eg r a f t i n g m e t h o dw i m a c r y l i ca c i d a c r y l i ca m i d ea n da c r y l i ca c i d a c r y l i ca m i d ea sam o n o m e r t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h em o d i f i c a t i o ne f f i c a c yw a st h eb e s tw h e nt h ea c r y l i c a m i d ea n da c r y l i ca c i dw e r ea d o p t e dt o g e t h e r t h eg r a f t i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r e a f f e c tt h em o d i f i e ds u r f a c er e m a r k a b l y t h eg r a f t e ds u r f a c eb e c a m em o r eu n i f o r m a n dw e t t a b l ew i t ht h ei n c r e a s i n go fg r a f t i n gt i m e t h eb e s tg r a f t i n gt i m eo ft h e a a a a m m o n o m e ri s2 h ；t h ec o n t a c ta n g l eo ft h eg r a f t e ds u r f a c e sd e c r e a s e sf i r s t a n dt h e ni n c r e a s e sw i mt h ei n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e t h eb e s tg r a f t i n gt e m p e r a t u r ei s b e t w e e n5 0 6 0 乃pa i r - d b dp l a s m aw a sa d o p t e dt om o d i f yt h es u r f a c eo ff 2 3 1 1 耐曲t h ef i r s t t r e a t i n gc o n d i t i o n s ，d i s c h a r g ed i s t a n c e2i n i l ，8 0w a r s ，1 2 0 s ，a n dt h es e c o n dt r e a t i n g c o n d i t i o n s ，d i s c h a r g ed i s t a n c e4i t l m ，15 0w a t t s ，6 0 s mr e s u l ts h o w e dt h a tt h e m o d i f i c a t i o ne m c a c yw a st h eb e s tw h e nt h ea c r y l i ca m i d ea n da c r y l i ca c i dw e r e a d o p t e dt o g e t h e r n l es u r f a c ee n e r g y o ft h ef 2 3 hw h i c hp a s s e dt h r o u g ht h e 4 摘要 s e c o n d a r ym 卜d b dp l a s m at r e a t e dw a si n c r e a s e dg r e a t l y a f t e r6 0 st r e a t e dt h e s u r f a c ee n e r g yc o u l dr e a c h5 5 6m n m f r o mt h ep o i n to ft r e a t i n gt i m e ，t h e s e c o n d a r ya i 卜d b dp l a s m ag r a f t i n gw a sm o r ee f f i c i e n tc o m p a r et ot h el i q u i d - p h a s e g r a f t i n gm e t h o d t h eg r a f t e ds u r f a c ew e r em u c hm o r ef i a t ，t h er o u g h n e s sd e c r e a s e dc o m p a r e dt o t h es u r f a c em o d i f i e db yt h em r _ d b d p l a s m ao n l yw h i c hw e r ed e t e c t e db yt h es e m b o t ht h ex p scl ss p e c t r aa n do l ss p e c t r as h o w e dt h e r ew e r en e wp e a k sa s s i g n e d t os o m en e wg r o u p s ，i tc o u l db et h er e s u l to ft h eg r a f t ，c o p o l y m e r i z a t i o na n d c r o s s l i n kb e t w e e nt h ef 2 3 1 1f i l ma n dt h ea c r y l i cm o n o m e r s k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) ，p l a s m a , f l u o r i d er u b b e r s ， s u r f a c em o d i f i c a t i o n ，g r a f tp o l y m e r i z a t i o n 5 四川大学工学硕士学住论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川i 大学读书期间在导师指导下取得 的，论文成果归四川大学所有，特此声明。 学生签名： 僵极 粼魄等哒 四川大学工学硕士学位论文 1 前言 1 1 氟橡胶的应用及概况 氟橡胶( f k m ) 是指主链或侧链的碳原子上接有氟原子的一种合成高分子 弹性体。该类新型高分子材料具有耐热、耐油、耐强氧化剂等特性，并具有良 好的物理机械性能，成为现代工业尤其是高技术领域中不可缺少和替代的基础 材料，广泛应用于国防、军工、航空航天、汽车、石油化工等诸多领域。目前 世界氟橡胶产量6 0 以上用于汽车工业【1 ”。 氟橡胶所具有的一系列特殊性能都是由结构中的氟原子给予的。首先，氟 元素是己知化学元素中电负性最强的元素，氧化程度高，其聚合物不易被氧化 分解。其二，氟原子半径为0 6 4 a ，几乎是c c 键原子间距的一半，因此氟 原子能紧密排列在碳原子的周围，形成了对c c 键的屏障，保证了c c 键 的化学惰性，不易受侵蚀。第三，f c 键的键能极高，并且由于氟原子的存在 使c c 键能增加，从而提高了氟有机物的化学稳定性【4 j 。由于这些分子上结 构的特点，使氟橡胶分子处于非常稳定的状态，不受热和活泼化学物的侵袭， 这就是氟原子赋予氟橡胶很高的热稳定性、化学稳定性和抗氧化性。 由于氟橡胶优异的性能，应用领域不断拓展，制品类型越来越多，主要制 品有各种密封材料，胶管、胶带、胶布、绝缘材料等。 虽然氟橡胶的特异分子结构使得其具有很多优良的性能，但是同时也就是 这种结构给其带来了一些性能上的缺陷，如粘接性能差。氟橡胶是低极性材料， 表面能低，浸润性差p j 。因此，当氟橡胶与其他材料粘接时，易出现界面粘结 困难、容易剥离等问题。例如其表面上的油墨、涂料、镀膜极易脱落，应用于 生物医用材料领域时的生物相容性不好。解决这类问题的出路之一便是对其表 面进行改性，提高其表面能，以提高其浸润性巾“j 。因此合理有效的材料表面 改性，提高氟橡胶的应用范围，是研究氟橡胶的一个热点。常用的方法有化学 氧化法、化学浸蚀法、化学表面接枝法、偶联剂法、光化学法、表面改性剂法、 四川大学工学硕士学位论文 剂法、力化学方法、辐照方法以及等离子体表面改性。这些方法的共同点是利 用各自的方式引发材料表面产生活性反应点，但是这些方法中除了等离子体法 外，要么在引发反应的同时破坏了材料表面，要么需要大量强腐蚀性溶剂难以 规模化生产，要么操作的过程中威胁人类健康p 】。所以虽然有的方法已经很成 熟，而且处理效果也很好，但是前面提到的诸多的不足让人无法接受。于是， 等离子体表面处理方法，一种对设备要求低、操作方便、绿色无污染、既实现 对物质的改性又不破坏材料的基体的新方法，自1 9 6 1 年首次用于聚合物表面改 性之后，便引起了科技工作者的广泛兴趣。 1 2 等离子体概述 1 2 1 等离子体的定义 等离予体是一种全部或部分电离了的气体状态物质，含有原子、分予、离 子、亚稳态和激发态、电子、自由基等粒子，并且电子、负离子与正离子的含 量大致相等，故名等离子体。按物质状态说，等离子体是具有化学反应性的， 它的组成和特性与普通气体不同，也称之为继固体、液体、气体之后的第四种 物质状态f 9 】。 1 2 2 等离子体产生方法 o j 等离子体可以通过多种方法产生。自然界中日光、雷电、日冕和极光都可 以产生等离子体。实验室和工程上主要通过放电、燃烧、高频振荡、射频或微 波、高压电源等来得到。 ( 1 ) 光、x 射线、y 射线照射：电离所需要的能量由光、x 射线、y 射线提 供。 ( 2 ) 放电：通过从直流到微波的所有频率带的放电可以产生不同的电离状 态。； 2 四川大学工学硕士掌住论文 ( 3 ) 燃烧：是通过燃烧使气体发生热电离的方法。火焰中的高能粒子相互碰 撞发生电离称之为热电离。另外，特定的热化学反应所放出的能量也能引起电 离。 ( 4 ) 冲击波：气体急剧压缩形成的高温气体，发生热电离生成等离子体。 ( 5 ) 激光照射：激光照射可使物质蒸发电离。这需要大功率的激光。 ( 6 ) 碱金属蒸气与高温金属板的接触：使碱金属蒸气与高温金属板接触生成 等离子体。当气体接触到具有比电离能大的功函数的金属时则发生电离。碱金 属蒸气的电离能小，故容易发生电离。 1 2 3 等离子体分类 等离子体的分类，有许多方法，按工作气压不同，气体放电可分为低气压 放电和高气压放电；按激励电场的频率不同，气体放电可分为直流放电、低频 放电、高频放电和微波放电；按放电机理，可分为汤生放电、辉光放电、弧光 放电、电晕放电、介质阻挡( d b d ) 放电等；按等离子体的温度分类一般可分 为等温等离子体和不等温等离子体两大类。典型的气体放电形式及特性如表1 1 所示。 表卜1 典型放电种类及其相关特性l 1 2 1 t a b l e1 - 1k i n d so f t y p i c a lg a sd i s c h a r g ea n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c s 气压电子浓度电子平均能量气体温度t g 电场强度e 类别 ( t o r r ) ( c m 。)( e v )( i ( )( v e m ) 弧光放电 l o o 1 0 1 4l 1 0 4 2 0 辉光放电 1 0 0 1 0 。 氢圭墼塑鏖己竺篮k 介质阻挡放电中活性粒子的能量一般为几到几十个电子伏特如表1 3 所 示，有机化合物的键能如表1 - 4 所示。由此可见，介质阻挡放电中绝大部分粒 子的能量均略高于有机化合物的键能，这说明介质阻挡放电中绝大部分活性粒 子有足够的能量引起聚合物内多数化学键能的断裂或重新组合，从而发生各种 6 四川大学工学硕士学位论文 化学反应或物理变化。 表1 - 3 介质阻挡等离子体中活性粒子的能量【2 9 1 互也! ! ! ：j 呈! ! 婴! ! ! ! ! 盥e 型i ! ! 塑也2 里望 活性基团能量e v活性基团 能量e v 表1 - 4 聚合物中的典型键能1 2 9 】单位：e v ! ! ! ! ! ! ：! 星! ! ! ! ! ! 堡z ! ! ! 鳖婴i ! ! ! 巴! 卿! c - hc nc c ic fc = oc cc = cc 三c 1 3 - 3 介质阻挡等离子体技术的应用 介质阻挡放电通常是由许多微放电细丝组成，微放电丝中较高的密度和温 度的电子与放电气体分子。原予发生碰撞，产生离子、原子、激发态等活性粒 子，这些活性粒子将引发化学反应。这是一种有别于传统等离子体发生方法的 等离子体源，比真空条件下的方法经济且适于工业化生产1 3 。因而广泛应用于 臭氧的合成与应用、紫外光源、二氧化碳激光器、新物质的合成、表面处理、 挥发性有机物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，简称v o c s ) 降解处理和等离子 体显示板( p l a s m ad i s p l a yp a n e l s ，简称p d p s ) 等领域。 1 3 3 1 臭氧的合成与应用1 3 0 - 3 1 】 臭氧合成是介质阻挡等离子体最早的应用，现在很多应用如：空气净化、 废水处理、消毒等都是基于这种原理发展起来的。典型的平行板式工业臭氧发 生装置主要结构为：在平行板电极的- - t 女t 或两侧用喷涂或冶贴的方法插入厚度 为0 2 1 0 m m 的非玻璃( 通常为a 1 2 0 3 陶瓷) 电介质薄层，并留有0 1 o ，5 m m 的气隙，臭氧的合成在气隙内完成。这种装置可以获得高浓度臭氧，也具有较 7 四川大学工学硕士学位论文 - - i i 高的效率。 e 十0 2 + e + 2 0 o 十0 2 + m _ 0 3 + m 合成臭氧的方程如下：0 + o + m 斗0 2 + m o + 0 3 + m 2 0 2 + m o + 0 3 + + m + 2 0 2 + m 其中m 为第三体碰撞物种。根据以上方程式可以看出，在生产臭氧过程中， 电子碰撞氧气分子使其分解为氧原子，氧原子与氧气分子发生反应合成臭氧分 子；另外氧原子也会与另一个氧原子反应，而形成氧气分子。因此，适度控制 氧原子浓度是合成臭氧的关键。 1 3 3 2 等离子体平板显示器 在今天人们所接触的各种便携式电子设备中，平板显示器已经成为不可缺 少的关键部件，而最近出现的彩色等离子体显示器( p d p ，p l a s m ad i s p l a y p a n e l ) 就是利用d b d 技术实现的。它主要利用了d b d 气体放电原理。单色 p d p 是直接利用惰性气体放电产生可见光；彩色p d p 则是利用气体放电激发出 紫外线，紫外线照射到红、绿蓝三色光敏荧光粉上，再产生彩色可见光与 其他显示器比较，p d p 有以下优点：与l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 比较， p d p 利用气体放电发光，为主动发光型显示，利用荧光体实现彩色发光，更易 于实现多色化、全色化和实现大画面平面显示；与c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 相比，放电间隙为0 1 0 3 m m ，便于实现薄型化【3 2 】。基于以上特点，p d p 的优 势是薄型、大画面、自发光型、色彩丰富、大视角等，在高清晰度电视、大画 面电视、计算机显示器、壁式显示器、室外大型广告牌等方面具有广阔的应用 前景。目前彩色p d p 在亮度、图像质量上还有很大的改进空间，驱动电路十分 复杂，成本较高，但随着高新技术的不断发展和突破，p d p 在器件设计、专用 生产设备、制造工艺以及规模化生产方面都将得到改进，这些问题将能得到较 好的解决1 3 3 4 1 。 四川大学工学硕士学住论文 1 3 _ 3 3 等离子体紫外光发生器1 3 5 3 6 】 紫外辐射是由准分子的衰变产生的。所谓准分子实际上就是一种不稳定的 分子，它在纳秒期间内就可以衰变到基态，而基态是排斥态，其激发能就以紫外 和真空紫外辐射的方式释放。常见的准分子有惰性气体准分子( h e + 2 、n e * 2 t a t * 2 、k r * 2 、x e * 2 ) 、惰性气体和卤素元素组成的双原子分予或三原子分子( a f t * 、 k r f + 、x e f + x e c i + 、h g + 2 、h g + 3 ) 。准分子的形成是一种三体碰撞过程( 以x e 为例) ： x e + p + x e + + p x e + 2 x e x e + x e x e ，2 x e + u v 射线( 1 7 2 n m ) 准分子三体碰撞一般要在高气压放电条件下形成，传统常用的激励方法是 快脉冲放电和电子束放电等。这些激励方法在应用过程中出现了曝光处理作用 面积小、电光转换效率低( 只有1 2 ) 、体积大、工作寿命短等缺点。将d b d 技术应用于紫外光源中不但可以有效地解决这些问题，而且可以使获得的紫外 辐射强度更高、均匀性更好。 d b d 紫外光源的结构同平板式臭氧发生器相类似，电介质通常采用硼硅酸 玻璃，放电间隙通常为o 5 2 m m ，在原理上也是利用d b d 的微放电特性 b g e l l e r t 等人利用这一结构在充气压力为o 1 m p a 、电源电压为2 0 k v 、频率为 l k h z 、间隙充以纯x e 的条件下，获得了1 7 2 n m 的紫外辐射，其工作效率接近 1 0 ，谱线宽度为1 4 r i m 。 1 3 3 4 高功率c 0 2 激光器【3 7 】 近年来，用d b d 激励的c 0 2 激光器已有许多报道其电极结构通常用方形 或圆形金属管，并覆盖一定厚度的电介质层，放电气隙为2 0 - 5 0 m m ，电源频率 为5 0 2 0 0 k h z 。以葛本昌树等研制的c 0 2 激光器为例，它的电极结构为方形金 属管，表面用0 。8 m m 厚的硼硅酸盐玻璃覆盖，管内通入去离子水以冷却阴极， 放电区尺寸为1 5 0 0 m m x 3 0 m m x 4 5 m m ，气体由c 0 2 c o n 2 - n e 组成，混合比为 9 四川大学工学硕士学位论文 8 ：4 ：6 0 ：2 8 ，气体压力为9 3 k p a ，采用1 0 k l - l z 电源驱动，得到直径为2 1 m m 最大 光束的基模输出。 由于d b d 激励大功率c 0 2 激光器具有传统c 0 2 激光器无可比拟的优点， 目前已形成一种明显的发展趋势。目前存在的问题是d b d 中的微放电是随机 发生的尽管在宏观上具有均匀性，但仍会影响其在准分子激光器中的应用，因 此如何使微放电同步发生成为一个重要的课题。 1 3 3 5d b d 用于合成新物质的应用研究 1 9 7 4 年，l u k y a n o v 等人采用d b d 方法，在高气压下把c 0 2 和c h 4 合成 含氧的c h 化合物醇、醛，其含量为1 0 8 3 1 a m o l m i n d s 。1 9 8 7 年f i n l a y s o n 等人 也采用d b d 方法合成了含氧的c h 化合物醛等【3 9 】。1 9 9 9 年b a im i n d o n g 等人 在o 1 m p a 条件下，采用d b d 强电场电离放电方法成功地把n 2 加h 2 合成n h 3 ， 其浓度达到3 7 9 5 m g m 3 4 0 l ，还有许多研究者在这方面进行了研究，并取得一定 的进展。 1 3 3 6d b d 在环境保护方面的应用研究 在环境保护方面，一些研究者开始利用d b d 技术进行烟气的脱硫脱硝、 分解有害气体及净化汽车尾气等方面的研究工作。例如1 9 9 2 年，m a n a b uh i g a s h i 等人利用d b d 与动态喷油的协同作用在柴油机上同时实现了s 0 2 脱除率为7 0 、烟尘脱除率几乎为1 0 0 的效果1 4 u ；2 0 0 1 年，大连海事大学张芝涛等人报 道了利用d b d 脱除s 0 2 ，铵盐回收达到了8 8 【4 2 】。 尽管d b d 法进行烟气的脱硝脱硫、分解有害气体及净化汽车尾气还处于 研究阶段，但由于d b d 可以在大气压条件下实现强电离放电，可以将放电能 量直接作用于有害气体，因此具有很好的发展前景。 此外，臭氧、臭氧水及紫外辐射技术可以广泛应用于各个行业的消毒灭菌、 污水处理等方面，并己取得了很好的应用效果，它实际是d b d 技术的间接应 用。 l o 四川大学x - 学硕士学位论文 1 3 3d b d 等离子体表面改性 等离子体不同于一般中性气体，它的基本特点是系统主要由带电粒子支 配，受外部电场、磁场、电磁场的影响，存在多种基元过程和等离子体与固体 表面的相互作用，具有独特的光、热、电等物理性质，可以对许多材料进行表 面改性，这些改性具有如下特点：( 1 ) 改性仅发生在材料的表面层( 几个埃到 微米级) ，因而不影响基体固有性能；( 2 ) 作用时间短( 几秒到几十秒) ，效率 高；( 3 ) 不产生污染，无需进行废液、废气的处理，因而节省能源、降低成本； ( 4 ) 工艺简单，操作方便。 表1 - 5 介质阻挡等离子体表面改- 性处理的应用 特性应用 表面 特性 亲水化、疏水化、防晕性、涂层层压、印刷性、染色性、润滑性、防堵塞性 光学 特性 防反射、导激光、视频圆盘、激光核聚变对电极 电气 特性 绝缘性、半导性、光电导性、电压元件、电子射线用保护层 医用杀菌、培养细胞、抗血栓性、组织适应性、接触透镜、人工心肺膜、生物电极( 保 材料护膜、比较电极) 、药剂缓释、生物成份及吸收剂 透过表面保护( 防泄漏、防渗化、防湿、耐药品性、耐气候性) 、反渗透膜、气体分 特性离膜，固定氧 阻燃性、羊毛防缩性、液晶配合膜、化学修饰电极、催化剂载体、 其他 蓄热聚合物 利用等离子体进行材料表面改性研究属于多学科多种技术的综合性研究。 它包括等离子体物理、等离子体化学、材料表面物理、表面化学、反应工程学、 气体放电技术和真空技术等。介质阻挡等离子体材料表面改性的方法大致可分 为3 种情况：等离子体表面刻蚀、等离子体表面接枝和等离子体粘接。 四川大学_ t - 学硕士学位论文 ( 1 ) 等离子体表面刻蚀 刻蚀是更大程度上的等离子体作用，往往将材料表面弱边界大片除去，使 材料表面产生起伏，变粗糙，并有键的断裂，形成自由基。刻蚀对提高粘附性、 吸湿性等均有明显作用。一般等离子体表面刻蚀是将材料放入放电区，利用非 反应性气体的等离子体与之作用，使材料表面变粗糙，并引入活性基团。值得 注意的是刻蚀作用时间过长，会损伤材料基体的力学性能。经等离子体表面刻 蚀后材料表面性能的变化往往是不稳定的，随时间的推移而减弱这种不稳定性 的原因可能是多方面的，如极性基团和周围杂质反应失去活性，活性基团之间 反应形成稳定网状结构，极性基团的转移等。 ( 2 ) 等离子体气相沉积1 4 3 】 气相沉积可分为化学气相沉积( c v d ) 和物理气相沉积( p v d ) 两大类型。 等离子体化学气相沉积：等离子体化学气相沉积发展较早，其基本过程是将沉 积基体放在反应室内，抽真空后通入运载气和反应气的混合物，将基体加热到 合适温度，则在基体表面上发生反应，并生成镀层。处理过程中，刻蚀和沉积 往往是同时存在的，谁占优势与气体和基体的化学性质有关。表面改性时有机 膜常作为基底的覆盖层，赋予基底耐磨、耐腐蚀或导电等性能。等离子体化学 气相沉积的优点是：( 1 ) 具有化学气相沉积的良好绕镀性；( 2 ) 具有低温特点， 电热分离性好；( 3 ) 产品属干膜，具有无气孔的特点；( 4 ) 薄膜均匀；( 5 ) 由 于等离子体中气体分子的离解是非选择性的，以至等离子体化学气相沉积生成 的相成分与常规化学气相沉积不同，这些薄膜是高度交联、高密度、无孔洞、 非品态的，具有独特的物理化学