（电力电子与电力传动专业论文）材料表面处理高频高压低温等离子体放电电源技术的研究.pdf

浙江人学博士学位论文 摘要 紧凑，因此可获得更高的效率。采用混合控制的s r j 可实现定频控制和 对功率的线性调节，是材料表面处理装最的理想选择。 b ) 高频高压放电电源要在大气压下产生稳定放电，放电电压要达到 1 0 t o k v ；频率要达到l o 3 0 k h z ；功率要达到1 5 0 k w 。为实现它对粘 合性的调整和对不同材料，不同厚度的适应能力，放电功率要大范围可 调。本文研制了脉冲幅值调制( p a m ) 控制的1 5 0 k w ，2 0 k v ，2 0 l 沮z 的 大功率介质阻挡放电电源，满足了国内市场的需要。实现了主电路i g b t 的软开关，且能适应处理过程中负载变化对处理效果的影响。 c ) 介质阻挡放电负载是一种非线性变化的容性负载，随着放电的增强，负 载等效电容增大。针对负载的这一特点，研制了一台基于移相脉冲宽度 调制( p s p w m ) 控制的塑料薄膜表面处理电源，实现了对负载谐振频 率的闭环跟踪。 d ) 对大气压辉光放电的负载特性进行了分析，得出了大气压辉光放电的负 载谐振频率随外加激励电压幅值的变化而非线性变化的结论。在对现有 的控制方案进行分析和比较的基础上，设计并研制了基于脉冲密度调制 ( p d m ) 控制的高频高压大气压辉光放电电源。p d m 控制的串联谐振式 逆变器可以在整个的调功范围内满足实现大气压辉光放电的条件，实现 了对大气压辉光放电的宽范围控制。 3 、将本文研制的高频高压放电电源实际应用于对材料的表面处理。 a ) 分别对有机材料和无机材料进行了表面改性，给出了相关的实验分析结 果。 b ) 详细分析了不同的处理条件对高分子材料表面改性的影响 c ) 分别采用介质阻挡放电和大气压辉光放电对易燃的羊毛纤维进行了表 面改性，实验结果表明细丝放电形式不适合对易燃材料的表面处理，而 大气压辉光放电可以很好地完成这一任务，对其原因进行了分析。 关键词：低温等离子体，介质阻挡放电，大气压辉光放电，串联谐振逆变器， 表面改性 浙江大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t a t m o s p h e r i cp r e s s l l r ep l a s m a sa r es u b d i v i d e d 证t o 也en o n m e h n a la i 】dt h e m l a l o n e s t h en o n - t h e m l a lp l a s m a sa r es o c a l l e dt l l el o wt e m p e m t u r ep l a s m a s t h e c o n d i t i o n so fl o wt e m p e r a t u r ep l a s m a sa r em a i n l yc h a r a c t e r i z e db yar e l a t i v e l yl o w t e m p e r a t i l r eo ft h en e u t r a lg a si nc o m m s t t oa s i g i l i l i c a l l ym 曲e rt e m p e r a m r co f 廿l e e l e c 廿o n s t h el o wt e m p e r a t u r ep l a s m a st e c h n 0 1 0 百e sb a v eb e e np a i dm u c ha t t e n t i o n i nr e c e n ty e a r s ，d u et ot h e i rp m s p e c t i v e 印p l i c a t i o n si ni n d u s y ，e s p e c i a l l yi nm e m a t e f i a ls u r f 缸em o d i f i c a t i o n s t h el o wt e m p e r a n l r ep l a s m a sn o to l l l ye t c h e s 也e s 眦f h c e ，m 拙gi tr o u g h ，b u ta l s oi n c o 耳，o r a t e sh y d m p h i l i cf h n c t i o n a l i t i e ss u c ha s _ 0 h ，_ c = o ，_ n h 2 ，e t c i tc a i li n c r e a s e 恤s u 墒c ee n e r g yo ft h em a t e f i a l s t h e m o d 垴e ds l l r es h o w sg o o dw e t t a b i l i t ya n db o n d a b i l 哆 p l _ e s e m l y t l l ep o w e re l e c t r o i l i c st e c h n o l o g yh a sb e e n 、i d e l yu s e di nt h el o w t e m p e m h l r ep 1 煳ad i s c h a r g es u r f h et r e a 仃n e m h o w e v e r ，t 1 1 el o wc 伍c i e n c ya n d m 曲c o s to f e x i s t 血g1 0 wt e m p c f a t u r ep l a s m ad i s c h a f g ep o w e rs 0 1 l r c e sh a v ep r e v e n t e d i t 疗o ma p p l i c a t i o n a c c o r d i n 9 1 y 恤r e s e 盯c ha n dd e v e l o p m e n to fe m c i e n tl o w t e m p e r a t u r e sp l a s m ad i s c h a r g es u r f h c et r e a t i l l e n ts y s t e ms u j t a b l ef o rv a r i o u sk i n d so f m a t e r i a ll o a d sb c c o m e s 协e v i t a b l e l er e s e a r c hf i e l di nt 1 1 i sp a p e ri si n t e r d i s c i p l i n e ， i n c l u d i n gt h el o wt e m p e r a m r ep l a s m as c i e n c e ，p o w e re l e c t r o n i c s a n dm a t e r i a ls c i e n c e s o ，t h er e s e a r c hc o n t e n t so f t l l i sp a p e ri n c l u d et h et 1 1 r e es u 巧e c t s 1 、1 k sp a p e ra a l y s e st h er e l a f e df a c l o r so f 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 ) a )1 1 1 ee 旋c to f t h er o t a t i n gg r o u n d i n ge l e c t m d eo nd i e l e c 砸cb 枷e r d i s c h a 唱e i sd e t e n n i n e d t h ee x p 舐m e n tf e s u l t si n d i c a t et h a tm ed i e l e c 廿i cb a m e r d i s c h a r g e 、i 1 1s b o wd 腩r e n td i s c h a r g ef o 珊sa 1 1 dc 叫e n tw a v e f o n l l sb ys t i l l o rr o t a t i n gg r o u n d i n ge l e c t r o d e t h er e a s o ni sd i s c u s s e di nt h i sp a p e l b ) t h ec h a m c t e r i s t i c so ft h ed i f r e r e me l e c t m d eg e o m e m e s 柚dt h ed i f 诧r e n t d i s c h a r g em o d e so fd i e l e c t r i cb 枷e rd i s c h a r g ea r ed i s c u s s e d am e t h o dt o g e n e r a t e a na t n l o s p h e r i c p r e s s u r eu n i f b 舯d i s c h a 唱ew i t 1t h ee l e c t r o d e g e o m e t r i co f t h ed b d i sp r e s e n t e d + c ) t h ei n n u e n c e so ft h ed i e l e c t r i cb a r r i e ri nd i 珏色r e n tp l a c eo nt h ed i s c h a r g e c u 门_ e n ta n dt h ei n n u e n c e so ft h ed i e l e c t r i cb a r r i e ro nt h ed i s c h a 赡es t a r t i n g v 0 1 t a g ea r ea i l a l y z e di nd e t a i l t h ei n n u e n c e so f t h ed i e l e c t r i cb a r r i e ro nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd b da r ea 1 1 a l v z e da n ds u m m a z e d 浙江大学赙士学位论文摘要 2 、 b a s e do nal o to fs i m u l a t i o n sa n de x p 谢m e n t a t i o n s ， t l l i s p 叩e r c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e st h ec h 啪c t e f i s t i c so fd i e l e c 廿i cb 枷e rd i s c h a r g el o a d s t b o r o u 曲l yt h ed y n 锄i cc u e so fv 撕a b l ev o l t a g ev 撕a b 】e 靠e q u e n c y ，c o n s t a l l t 矗e q u e n c yv a r i a b l ev o l t a g e a 1 1 dc o n s t a n tv o l t a g ev 撕a b l e 船q u e n c ya r eg i v e n r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do m t ov e r i 母t l l ev a l i d i t yo fa i l a l y s i s as e r i e so f d i 虢r e n tr a t e dp o w e rl o wt e m p e r a t u r ep l a s m ap o w e rs y s t 咖sb yd i n b r e mc o n t m l m e t h o d sa r ed e s i g n e df o ru s i n gi nd i f r e r e n ts i t u a t i o n s a ) ad i e l e c t r i cb a i e rd i s c h a r g eg u r f a c et r e a t m e mb a s e do nap u l s ed e n s i t y m o d u l a t i o n ( p d m ) a n dp u l s e 疵q u e n c ym o d u l a t i o n f m ) h y 嘶dc o n t r o l s c h e m ei sp r e s e n t e d t h ep d ms c h e i n ei su s e dt of c g u l a t et 1 1 eo u t p u tp o w e r o ft h ei n v e n e ra n d 也ep f ms c b e m ei sl l s e dt oc o m p e n s a t ef o rt e m p e r a t i l r c a n do t h e re n v i r o n m e m a li n n u e n c e so nm ed i s c h a r g e t h ee x p e d m e m a l r e s l l l t ss h o wt h a tt h ep d ma n dp f mh y b r i dc o n t r o ls e r i e s r e s o n a n ti n v e n e r ( s r j ) m a k e st h ed b dt r e a t m e n ts i m p l ea i l dc o m p a c t ，廿l u s1 e a d i n gt om g h e r e m c i e n 哆t h eh y b r i dc o n 廿0 ls r ji sa b l et or e a l i z et l ec o n s t 雒tf r e q u e n c y c o n 怕1a 1 1 dl i n e a rp o 、v e ra d j u s t m e n t ，a n di st h u sb e c o m i n ga 1 1i d e a lc h o i c e f o rd i e l e c 砸cb a r r i e rd i s c h a r g e 打e a n n e t b )al l i g hf k q u e n c y 趾dl l i 曲v 0 1 t a g ep o w e rs u p p l yi se s s e m i a lf o rm a t e r i a l s u r f a c et r e a t r n e m i ng e n e r a l ，t h ed i e l e c t r i cb a f r i c rd i s c h a r g ep r o c e s s e s r e q u i r es p e c i f i c a l l yd e s i g l l e da cp o w e rs u p p l i e so f1 0 一2 0 k v ，1 0 3 0 k h z ，a 1 1 d 1 5 0 k wt om a i n t a i nas t a b l ed i s c h a 曙ea tt h ea c m o s p h e r i cp r e s s u r e i no r d e r t oe n s u r et h ec 印a b i l n yo fa d j u s t i n gt 1 1 e 蕊n 时a d 印t a b i l i t ya c c o r d i n gt o v a r i o u sl 【i n d so fm a t e r i a l sw i t hd i f i b r e n tt h i c k i l e s sr e q l l j r e sa na cp o w e r s u p p l yc 叩a b 】eo fc o n t r o l l i n gt 1 1 ed i s c h a r g ep o w e rj naw i d er a n g e t om e e t d o m e s t i cn e e d s ，t h el 5 0 k w ，2 0 k v ，2 0 k h zd i e l e c 喇cb a r r i e rd i s c h a 增e i n v e r t e rb a s e do np a mc o n t m l sd e v e l o p e d i tc a l lr e a l i z em es o ns w i t c h i n g c o n d i t i o n sf o rt 1 1 ei g b t s ，a i l da l s ob ea d a p t e dt ot h ev 州e t yo fd i s c h a r g e l o a d s c ) t h ed i e l e c t r i cb a r r i e rl o a di sr e p r e s e m e da sav a r i e dn o n l i n e a rc a p a c i t a n c e l o a d ，a 1 1 di t se q u i v a l e n tc a p a c i t a l l c eb e c o m e sh i 曲e ra st h e 印p l i e dv o l t a g e i n c r e a s e d ap h a s e s h i r e dp u l s ew i d t hm o d u l a t e d ( p s - p w m ) s e r i e sr e s o n a n t i n v e r t e ri s d e v e l o p e df o rp l a s l i c n l ms l l r f a c e t r e a t m e n t ，w i t hs u c ht h e c h a r a c 衄i s t i co ft h el o a d ，a n dt h et r a c i n go ft h el o a dr e s o n a n t 矗e q u e n c yi s r e a l i z e d 州t hac l o s e l o o pc o n t r 0 1 d ) t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa t m o s p h e r e p r e s s u r eg l o wd j s c h a r g el o a d s a r e 浙江大学博士学位论文 摘要 a n a l y z e d ，a 工l d 廿l el o a dr e s o n a n t 矗e q u e n c yo fa t m o s p h e r eg l o wd i s c h a r g e c h a n g e s 州也t h c 印p l i e dv o l 饵g en o i l l i n e a r l y tb a s e do nt l l ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no ft h ec o n 仃o lm e t h o d si ne x p e r i e n c e ，ap d mc o n t r o l l e d a t i n o s p h e r eg l o wd i s c h a r g eh i 曲讹q u e n c y 锄dh i 曲v o l t a g ep o w e rs o u r c ei s p r e s e n t e d t h ep d mc o n t r o l s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t 盯c a l lm e e tm e r e q u i r e m e n to fa 协l o s p h e r eg l o wr e g u l a t i o ni nt l l ew h o l eo u t p u tp o w e rr a n g e 3 、t h el l i 曲- 舶q u e n c y ，h i 曲- v 0 1 乜g ed i s c h a r g ep o w e rs o u r c ed e v e l o p e di n 血i s p a p c r i sp r a c t i c a l l yu s e di nt 1 1 es w k e 仃_ e 釉e n t a )s u r f a c em o d i f i c a t i o n so ft h eo 培a n i cm a t e r i a la n di n o 玛a n i cm a t e r i a la r e a c h i e v e db ym ed b d t h ee x p e r i m e m a lr e s u l t sa r e 百v e n b ) t h er e l a t e d f a c t o r so ft h ep o l y m e r i cm a t e r i a l ss u r f 配em o d i 矗c a t i o na r e a n a l y 2 e di nd e t a i l c ) t h en a m m a b l ew 0 0 1f i b c r sa r es l l r f a c e 订e a 衄e mb yt h ed i e l e 咖cb 枷e r d i s c h a r g ea n d 砒m o s p h e r i cp r e s s u r e 舀o wd i s c h a r g er e s p e c t i v e l y tt h e a n a i y s i sa n de x p e r i m e m a lr c 砌t ss h o wm a tt h ef i l a m e 哪d i s c h a r g ei sn o t s u i t a b l ef b rt l l es l f h c et r e a l n l a l to ft h en a 】m r n a b l ew o o lf i b e r s b u tt h e 锄o s p h e r i cp r e s s u r e9 1 0 wd i s c h a r g cc a i la c c o m p l i s ht h et a s kv e r yw e l l k e y w o r d s ：l o wt e m p e m t l l r ep l a s m a ，d i e l e c t r i cb a r t i e rd i s c h a r g e ，a 恤o s p h e r i c p r e s s u r eg l o wd i s c h a r g e ，s e r i e sr e s o n a n ti n v e r t e r ，s u r f h c em o d i 打c a t i o n 浙江大学博士学位论文第一章 1 1 引言 第一章绪论 低温等离子体又称非热平衡等离子体，它的特点是电子温度远高于重粒子温 度，电子温度可高达1 0 4 k ，而重粒子的温度则接近或略高于常温i l j 。近年来，对 低温等离子体的研究逐渐成为等离子体学科的研究热点。其主要原因是低温等离 子体在材料表面改性、臭氧的产生、废气废水的处理等工程领域具有重要的应用 价值【2 。2 引。 当前低温等离子体主要是由气体放电产生的，主要包括：辉光放电、电晕放 电、介质阻挡放电( d 明) 、射频放电和微波放电。通常辉光放电、射频放电和微 波放电要在低气压条件下产生。对于大规模的工业生产，低气压等离子体存在两 个重要的缺点【2 6 。2 8 j ：1 、放电需要在低气压的条件下进行，真空系统必不可少， 因此系统复杂，费用较贵；2 、工作过程为批处理，无法在线连续生产，效率难 以提高，在许多需要在线连续运行处理的工业环境中无法应用。大多数工业生产 需要在常压条件下进彳亍，为此探索在大气压条件下获得大面积低温等离子体，满 足工业应用的需要，具有非常重要的理论意义和实用价值。 常见的大气压气体放电形式有：电晕放电、电弧放电、介质阻挡放电( 细丝 放电) 。对于等离子体表面处理在工业上的应用，电弧放电和电晕放电都不是很 适用。大气压弧光放电等离子体是热平衡等离子体，它的活性粒子具有很高的温 度，可以导致薄膜和样品损坏；电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针状或 细线状电极使电极表面附近的局部电场增强，电极附近的气体介质被局部击穿而 产生。它通常发生在极不均匀电场中强电场区域的小范围空间内，且放电较弱， 产生等离子体及活性粒子的效率太低，而且放电是不均匀的。介质阻挡放电是两 个放电电极问至少有一个电极被不导电的绝缘介质覆盖或绝缘介质直接插入放 电空间的一种放电形式i ”。j 。它是种在大气压条件下获得非平衡等离子体的有 效手段，它兼有辉光放电的放电均匀和电晕放电可在高气压下产生的优点。它可 以在大气压或高于大气压条件下，方便地产生大面积的低温等离子体，不需要真 空设备就能在较低的温度下，获得化学反应所需的活性粒子，因此可以在材料的 表面处理、臭氧合成、紫外光源、高功率c 0 2 激光器、等离子体平板显示器、 新物质合成、环境保护等领域获得，“泛应用【4 ，5 ，1 2 ，2 3 ，2 9 ，3 0 ，3 3 3 9 】。但目前介质阻挡 放电的机理和影响因素还没有完全研究清楚，和其相配套的高压放电电源设计的 相关报道还较少。 在材料处理方面介质阻挡放电存在两个重要的缺点【2 6 _ 2 8 j ：1 、在大气压卜其 放电大多为细丝放电的形式，放电由一些随机分布的放电细丝组成，难以对材料 浙江大学博士学位论文 第一章 表面进行均匀处理。2 、放电细丝的直径很小，但电流密度很大，在它和材料的 直接接触点易于引起局部过热，而使材料穿孔或燃烧。因此限制了它在材料表面 处理上的应用。长期以来人们一直在努力实现大气压下的辉光放电，希望能够在 大气压下得到较大体积内的均匀放电【4 0 ”】。 与介质阻挡细丝放电的放电机理不同，大气压辉光放电是一种全新的放电形 式1 2 7 】。和其它大气压下的放电相比，大气压辉光放电具有放电可长时间进行， 放电均匀，不会产生局部的高能量等优点，因此可以在对材料进行处理和改性的 过程中避免对材料表面的破坏，因此具有广泛的应用前景。与弧光放电不同，大 气压辉光放电用于电离的有效能量较高，而弧光放电大多数能量都用于加热空气 粒子，不是用于气体的电离。介质阻挡放电( 细丝放电) 已经在工业中得到了一定 的应用，大气压辉光放电在很多方面的性能都优越于细丝放电，但对它的研究还 处于理论探索阶段，要真工f 实现其在工业上的应用还有很长的路要走。 本文的研究内容就是针对低温等离子体中可以在大气压下方便地产生低温 等离子体的介质阻挡放电和大气压辉光放电进行一定的理论分析和大量的实验 研究，设计相关的高频高压放电电源，并将它们实际应用于材料的表面处理。 1 2 低温等离子体技术及其在材料表面处理中的应用 1 2 1 等离子体的概念 自然界中的闪电、南北极的极光、太阳及所有的恒星、星云都是以等离子体 的状态存在。我们在日常生活中见到的日光灯、霓虹灯在点燃时其中的气体也是 等离子体。等离子体的明确定义是：“等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒 子组成的，并表现出集体行为的一种中性气体，i ”。等离子体是种全部或部分 电离的气体物质，含有原子、分子、粒子的亚稳态和激发态，并且其中电子、负 离子与正离子的含量大致相等，故名等离子体。等离子体又被称为物质的第四态。 它具有独特的物理、化学性质：温度高，粒子动能大；具有类似金属的导电性能； 化学性质活泼，容易发生反应；具有发光特性等，因此等离子体具有广泛的应用 范围。等离子体主要包括热平衡等离子体和非平衡等离子体( 低温等离子体) 【4 引。 1 2 2 低温等离子体的基本概念及分类 热平衡等离予体中，电子的温度和其它粒子的温度基本相同，它们处于完全 的热平衡状态。弧光放电是热平衡等离子体中的一种，它般不能用于高分子材 料的表面处理，它的高热会导致高分子材料的损坏。低温等离子体主要是由气体 放电产生的，其中的电子温度可达1 0 4 k 以卜，而离子和中性离子的温度却可低 浙江人学博士学位论文第一章 量的放射线和电子束辐照处理相比，其独特之处在于低温等离子体放电表面处理 的作用仅涉及表面极薄层，一般在离表面几十到数千埃的范围内，能使材料表面 性能显著改善而材料本体却不受影响。此外低温等离子体表面处理所需的成本 低，对被处理材料的形状没有严格的要求，并且可以在线连续处理。 由于低温等离子体中粒子能量的参数范围为：电子o 2 0 e v ；亚稳态粒子o 2 e v ：离子0 0 3 o 0 5 e v 。而聚合物中常见化学键的键能如表卜1 所示： 表1 1 聚合物中有代表性化学键的键能 由表可见，低温等离子体中绝大部分粒子的能量( 除离子稍低外) 均高于这 些聚合物中化学键的键能，低温等离子体完全可以使高分子材料表面的键产生断 裂而形成新键，从而赋予材料表面新的特性。 低温等离子体中含有大量的离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子。这 些活性粒子能与材料表面进行各种相互作用。低温等离子体对高分子材料的表面 改性作用主要包括以下几点： l 、对材料表面的刻蚀作用 刻蚀可以将材料表面弱边界除去，使材料表面产生起伏，变粗糙，并有键的 断裂，形成自由基。因为刻蚀作用，样品表面粗化，形成许多坑洼，增大了样品 的比表面。根据w e l l z e l 公式c o s p = r c o s 晓( 其中r 为表面粗糙度，p 为粗糙表 面的接触角，谚为理想光滑表面的接触角) ，可知粗糙表面的接触角和理想光滑 表面的接触角的相应关系。由于r 总是大于1 ，所以粗糙表面的接触角p 总比光 滑表面的接触角只要小。亦即当接触角口 l ，一般g “d ，则： 鲁：篇圳白g - l 白他 1 c ds d a | d 一 8 其中，“。为绝缘介质_ 卜的电压，”。为气隙上的电压。从而可以看出放电前 外加的激励电压“，主要是加在了气隙上，绝缘介质上所承受的电压较小。当外 浙江大学博士学位论文 第一章 加的激励电压大于放电起始电压时，气隙中有放电发生，此时气隙上的电压 为放电维持电压【吁近似为一个恒值，它的大小主要和气体的成分、压力、温度 和气隙间距等因素有关。 气隙和绝缘介质的等效电容的大小也可以采用李萨如图形来进行测量。将外 加的激励电压和测量电容a 上的电压分别加在示波器的x 和y 通道，就可以得 到放电的李萨如图形如图1 8 所示。 o ，一7 龟 。 ，一 ! ： 么 圈1 - 8 用q - v 李萨如图形确定负载参数 图中( a b ，c d ) 为放电阶段，( b c ，d a ) 为非放电阶段。 放电阶段的曲线斜率： 蜀= 郴= c d 爿 非放电阶段的曲线斜率为： k 趔。尼+ 南j cg a c d a j 其中爿为电极面积。从以上两式可以计算出气隙等效电容q ，和介质等效 电容巳。李萨如图形x 轴两个过零点之间的距离为2 嘶。 放电功率为： p p2 f c 。s d f x dy 1 其中：，为输入交流电压频率 岛为李萨如图形的面秘 珥，q 为x 轴和y 轴的刻度，单位为m “v 。 放电功率也u 以通过直接计算得到： 1 0 浙江大学博十学位论文 第一章 设外加的激励电压“= u 。s i n ( 耐) ，其中为外加激励电压的角频率。放电 开始时气隙上的电压为放电一个恒值协，因此可得到绝缘介质! ：的电压 = u 。s i n ( 耐) 一u p 绝缘介质中存储的电荷为： 流过绝缘介质的电流为： g = c d = c d p 。s i n ( 硝) 一u r 】。 仁崇咆姒c o s ( 蛳 o2 君2 l d 删m 8 【耐) 因为气隙中的电流f 。“，因此可以得出用于放电的瞬时功率为： p 。= u r 屯= c d 国u r u 。c o s ( 耐) 外加激励电压的频率为，则每秒放电的次数为够在整个放电持续时间内对瞬 时功率进行积分，可得到放电的平均功率为： 础加巩睁s c 叫卅去跏n 础砸甜，杰。 瑙扔刚，一半h c 叫”( 毫 h 图1 9 高压电桥法的测量电路 早期对放电功率的测量都是采用功率表法，或放电电源直流侧的电压和电流 浙江大学博+ 学位论文第一章 直接相乘得到的，其中包含了变压器的损耗。采用q v 李萨如图形的测量方法 可以得到相对精确的放电功率。文献【5 3 】认为采用q v 图形法测量得到的功率 是放电的视在功率，提出采用高压电桥法来测量放电的有效功率。高压电桥法的 测量系统如图1 9 所示。与o v 图形测量法相比只是增加了一只由测量电容 c 和组成的参考臂和一个信号隔离变压器t 。在放电发生前把电桥调平衡， 放电发生时就会打破电桥的平衡，从而产生一个不平衡电压，将外加的激励电压 和该不平衡电压分别接在示波器的x 和y 端，就可以在示波器中得到一个平行 四边形，该平行四边形的面积和一个周期内的放电有效功率成j 下比。采用高压电 桥法可以排除气隙等效电容c 。对放电的影响，从而真正得到用于放电的有效功 率【7 9 1 。 采用q v 图形法或高压电桥法，虽然可以较精确地对放电功率进行测量， 但测量需要离线计算，在实际应用中很不方便。文献【8 1 】设计了在线式的放电功 率测量系统如图1 1 0 所示。信号口( t ) 和“( t ) 通过阻抗匹配网络输入高速刖d 转换 板，变为数字信号输入p c 系统，经处理后在线输出功率值。 图1 1 0 在线式功率测量系统框图 1 4 大气压辉光放电等离子体技术 1 4 ，1 大气压辉光放电表面处理的优点 大气压辉光放电具有放电均匀，不会使试品表面烧蚀或穿孔，产生的活性粒 子多等优点，因此是用于材料表面处理的理想选择。辉光放电等离子体已经被用 于薄膜的改性，沉积和镀膜，提高利料的表面能等实验研究中，但这些应用都是 在低气压下进行的。低气压易于产生稳定的辉光放电等离子体，但也因此而限制 了它的应i = j ，因为低气压所需的真空设备价格昂贵，且它的处理方式只能是批处 理的方式，而不能进行在线处理。研究人员早就意识到如果能在大气压下产生稳 浙江大学博上学位论文第一章 定的辉光放电将大大拓宽它在工业中的应用范卧5 2 ，5 3 ，8 2 罐9 】。目前国际国内的研究 者还没有完全确定得到大气压辉光的可靠方法，对大气压辉光放电的研究还处于 理论探讨和实验探索阶段，其放电的机理还没有得到完全的解释，现有的应用场 合也仅限于在特定的气体和气体混合物中产生。 在材料的表面处理方面，大气压下的空气中的辉光放电具有其它放电形式所 无法比拟的优点。大气压辉光放电等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒 子，易于和所接触的材料表面发生反应，因此它适于用来对材料表面进行处理。 与电晕放电和介质阻挡放电相比，它产生的放电更为均匀、柔和不会产生局部过 热。大气压辉光放电表面改性技术与其它表面改性技术相比有如下优点：( 1 ) 属 干式工艺，不会对环境造成污染。( 2 ) 处理的效率高。( 3 ) 处理过程中不会产生局 部过热，使材料穿孔或燃烧。( 4 ) 对所处理的材料没有严格的要求，适应性强。 ( 5 ) 对所处理样品的形状没有严格要求，处理的均匀性好。( 6 ) 材料表面性能改善 的同时，基体性能不受影响。 大气压辉光放电特别适用于对易燃的材料进行表面改性。因此在纺织： 业中 也有着广泛的应用前景。例如，可以通过大气压辉光放电来提高羊毛、兔毛的表 面摩擦系数，从而提高抱合力和可纺性。大气压辉光放电处理可在合成纤维表面 引进大量的含氧亲水基团，从而改善吸湿性、染色性和抗静电性。大气压辉光放 电可以去除织物表面杂质，使纤维表面性能发生改变，提高麻类织物的吸湿性和 染色性能。 1 4 2 大气压辉光放电的产生方法综述 产生大气压下的辉光放电也已经有很长时间的历史。v 0 ne n g l e 在1 9 3 3 年首 次提出了在空气和氢气的混合气体中产生大气压下的直流辉光放电【9 0 。但是放 电是不稳定的，易于由辉光放电过渡为弧光放电，并且它只能在真空设备中起动 放电，再逐步的提高气压。近年来0 k a z a k i 采用金属网电极【9 i j 和r o t h 采用离子 捕荻技术分别产生了大气压下的辉光放电1 9 2 j 。u t k 工作小组在氦气、氩气与丙 酮的混合气体和其它多种气体中实现了大气压下的辉光放甘8 5 j 。m a s s i n e s 用计算 机仿真验证了大气压辉光放电的瞬时结构与正常的辉光放电相一致【9 。 目前国内外生成大气压辉光放电主要有以下方法： 1 ) 电阻阻挡放电( r b d ) 【9 4 ，9 5 】 r b d 电极的雏形是与电阻串联的阴极针形，电阻限制放电电流密度增长， 避免了细丝放电的发生，实现了直流电压和大气压下均匀弥散放电。2 0 0 1 年 l a m u s s i 等选择电阻率合适的材料构成r b d 电极，使用直流或工频( 6 0 i i z ) 电 浙扫大学博十学位论文第一章 压，实现了大气压氦气中大面积均匀辉光放电。i 也d 的气体放电及其熄灭过程 和d b d 几乎相同，即气体放电对局部电容充电，导致气体间隙上电压迅速下 降，放电熄灭。但d b d 的重燃由外加电压反向来实现，需较高频率的交变电压； 而r b d 借助对较小的局部电阻来泄放局部电容上的电荷，降低阻挡层电压使气 体上电压如得以恢复，气体重新击穿重燃，只需直流或工频电压即可。r b d 的 放电结构如图1 1 l 所示。它的主要缺点为电阻发热过大，功率无法作大，需要 外加氦气等气体。 图l - 1 1 电阻阻挡放电 2 ) 金属网电极的方法 1 9 9 3 年o k a z a k i 等报道了采用金属网电极，用5 0 i z 的电源分别在空气、氩 气和氧气中产生了均匀的大气压辉光放电刚。放电结构如图1 1 2 所示，中3 2 5 的金属网放置在绝缘介质板和金属电极间，其它和介质阻挡放电的结构相类似。 它的主要缺点在于要维持稳定的大气压辉光放电，两绝缘介质板问的气隙间距最 大不能超过3 5 m m ，过小的气隙间距限制了它在工业中的应用范围。 网1 1 2 金属网电极结构 3 ) 水电极的方法 m o u l l i rl a r o u s s i 等于2 0 0 2 年提出r 采用水电极来产生空气中，火2 i 压辉光 放电的方法【9 6 。放电电压为6 0 h z ，上电极为金属电极，f 电极为水电极。水电 极的放电结构如图1 一1 3 所示。这种方法还没有得到广泛的认同。 4 浙i 大学博上学位论文第一章 渡为弧光放电，辉光放电过渡为弧光放电的最大限制电流为1 1 0 0 “a 。气流控制 的多点对板放电结构如图1 一1 5 所示。 6 ) 紫外线顸电离的方法f 9 8 ：| 该方法通过采用脉冲火花放电产生的紫外线对介质阻挡放电预电离，降低空 气击穿场强，来产生空气中大气压辉光放电。击穿场强的降低程度和预电离效果 随气压、主放电频率、气体流动等因素的影响而变化。紫外线预电离的放电结构 如图1 1 6 所示。 图1 - 1 6 紫外线预电离的放电结构 7 ) 采用在稀有气体中的放电方式 9 9 】 u t k ： 作小组采用在氦气、氯气与丙酮的混合气体和其它多种气体中实现 了大气压下的辉光放电。它的主要缺点是成本比较高，需要真空设各。 8 ) 离子捕获技术蜘 阴极受热后辉光放电很容易过渡为弧光放电，阴极的加热主要是因为离子对 阴极的撞击，离子捕获技术是放电电压的工作频率在一定范围内使离子被捕获在 两电极之间，不能到达对面极板，而电子则可以到达对面的极板。离子捕获技术 减少了对阴极的加热，减少了对极板的溅射、刻蚀和对等离子体的污染，并增加 了放电气隙中离子的数量，有利于活性粒子的产生。这种类型的放电被r o t h 定 义为o a u g d p ( o n ea t n l o s p h e r eu n i f o r n lg l o wd i s c h a r g ep l a s m a ) 。b e ng a “对 o a u g d p 进行了数值仿真，m a s s i n e s 等对0 a u f g d p 进行了轴向发光测量，表 明o a u g d p 具有所有直流辉光放电所具有的典型特征。它包含了阴极暗区、负 辉区、法拉第暗区、正柱区和阳极辉区。但r o t l l 并没有给出o a u f d p 的详细机 理，要真正实现o a u d p 的真f 工业应用还有大量的工作要做。 以上的分析可以看出，当前大气压辉光放电的研究过多的局限于对放电结构 和气体辅助装置的研究，而忽略了对产生放电至关重要的高频高压电源技术及其 相关控制方法的研究。t 业应用和实验室中的研究不同，它不只是需要稳定可靠 6 浙江大学障上学位论文第一章 的放电，而且需要大的功率和高的效率。只是局限于放电结构和装置的改善将增 辉光放电的负载特性：研究无需特殊的放电装置和添加稀有