等离子体沉积类SiO_2薄膜抑制环氧树脂表面电荷积聚

气体绝缘设备中的环氧树脂材料在直流高压下易积聚表面电荷,引发沿面闪络事故。为了抑制环氧树脂材料表面电荷的积聚,采用交流电源激励的滑动放电产生低温等离子体,并以正硅酸乙酯(TEOS)为反应前驱物在环氧树脂表面沉积类SiO_2薄膜,同时利用Fourier变换红外光谱仪(FTIR)、高阻表和表面电位测试系统等对沉积薄膜表面进行分析。实验结果表明:沉积时间超过5 s时,环氧树脂表面形成一层以Si—O—Si及Si—OH基团为主要组成的薄膜,其厚度可达219 nm;且水接触角显著降低,表面电导率及体积电导率可提升2个数量级,相对介电常数明显降低。表面电位3维分布图结果表明,沉积处理后环氧树脂的表面电荷初始积聚减少,且消散速度加快。这是因为环氧树脂表面沉积类SiO_2薄膜后使材料表面陷阱能级变浅,从而抑制了表面电荷的积聚。     

大气压等离子体射流Cu表面改性抑制微放电

导体微缺陷的存在会导致局部电场畸变,产生的微放电严重影响输电设备的绝缘安全。探索了一种使用等离子体表面改性技术,通过在导体表面沉积薄膜来抑制局部微放电的方法。利用高频高压电源激励的大气压低温等离子体射流对金属Cu表面进行改性,使用四氯化钛作为钛源在Cu表面进行化学气相沉积TiO_2薄膜。探讨了改性过程中空气的加入和基板温度对放电特性及沉积薄膜质量的影响。实验结果表明,加入空气后,正半周期放电电流从一个脉冲变为两个脉冲,且电流幅值变小;通入40sccm空气,且基底加热至100℃为最优处理条件,此时沉积得到的薄膜Ti元素和O元素含量最高,分别为18.6%和43.5%,薄膜表面微观结构更均匀,结合更紧密,沉积2min时,薄膜厚度达到349 nm。薄膜功函数测试表明,沉积后Cu表面功函数有所提升,从未处理的4.65eV,提高至平均4.87eV。缺陷处电场分布模拟实验结果显示,沉积薄膜后,缺陷处的最大场强由未处理时的1.4×10~6 V/m降为9.89×10~5 V/m,对电场畸变情况有一定的改善作用。     

大气压下纳秒脉冲弥散放电对铜的表面处理

纳秒脉冲弥散放电能够在大气压下产生高功率密度、高电子能量的低温等离子体。为了研究弥散放电等离子体在金属材料表面改性的作用,利用上升沿约150 ns、脉宽约300 ns的MPC-50D纳秒脉冲电源在大气压下(空气)管-板电极之间产生弥散放电,寻找最佳弥散放电参数,并对金属Cu表面进行了弥散处理。研究结果表明:随着重复频率的增加,弥散放电增强,瞬时功率增大,沉积能量增多。当施加电压为31 kV,重复频率为800 Hz,间隙距离为3 cm时,得到最佳的弥散放电效果。此外,采用发射光谱检测到空气中弥散放电中N2(C→B,0-0)的第二正带系和N2+(B→X,0-0)的第一负带系。采用大气压弥散放电等离子体对金属Cu表面处理的结果显示处理后的Cu表面出现孔径约0.5μm的熔孔;Cu的亲水性及表面能有明显提高,在处理90 s后趋于饱和。显微硬度测量结果表明,表层硬度在等离子体处理时间480 s后提高约26.5%。     

大气压空气中纳秒脉冲弥散放电实验研究

为了能够在大气压下获得大面积高能量密度的低温等离子体,近年来弥散放电的研究与应用受到广泛关注。采用基于磁脉冲压缩系统的重复频率ns脉冲电源来激励大气压空气中尖板电极结构放电,通过电压电流测量和发光图像拍摄研究了弥散放电的特性。实验结果表明,在常温常压和高重复频率下能够获得大面积均匀的弥散放电,气隙距离增大或减小时,弥散放电分别向电晕放电与火花放电转换。重频ns脉冲放电存在极性效应,电极的小曲率半径处施加负脉冲时需要比正脉冲更高的电场强度才能获得弥散放电。此外,弥散放电的强度随着脉冲上升时间的增大而减弱。因此合适的气隙距离、极不均匀电场的强场处施加正极性脉冲和较陡的脉冲上升时间有利于获得较为强烈的弥散放电。     

等离子体表面处理与大气压下的辉光放电

与传统的方法相比,等离子体处理的高效、无毒、节能特性使得它在表面处理和灭菌消毒方面有着很好的应用前景,在上述工业领域,“经典”的大气压放电诸如电晕放电、介质阻挡放电以及电弧放电都不适用。然而,尽管低气压下的辉光放电已得到了很好的发展,大气压下辉光放电的实现还存在一些困难。目前,对大气压下辉光放电物理过程的探索集中在其物理机制、图像捕获以及大气压下空气中辉光放电的实现方面。     

大气压下气隙均匀放电提高无纺布表面亲水性

试验研究了大气压下3 mm空气间隙均匀放电(APUD)和均匀分布丝状放电(UDFD)及经它们处理后聚丙烯无纺布的表面亲水性。结果表明,在一定条件下,UDFD可转化为APUD;UDFD易烧蚀聚丙烯无纺布材料,而APUD不会;经APUD处理后无纺布上水滴的接触角可由处理前的120°变为60°。     

大气压下He和N2辉光放电等离子体对生物用薄膜表面改性的研究

生物用薄膜双向拉伸聚丙烯(BOPP)表面的惰性特性影响了其更为广泛的应用,为解决这一问题,需要在不改变薄膜主体特性的情况下对其表面特性进行改性。采用大气压下He和N2辉光放电等离子体对该薄膜进行了表面改性,并研究了等离子体各种参数对表面改性的影响。通过对该等离子体放电特性和光谱特性的研究,验证了其低温和均匀特性。大肠杆菌E.coli K12在等离子体处理后的BOPP表面的粘附性实验表明,N2体积流量和处理时间对BOPP表面改性有重要影响,加入N2的等离子体能提升BOPP膜表面的细菌粘附性。为进一步研究等离子体BOPP表面改性的机理,对等离子体处理后的BOPP进行了接触角测量、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)分析。分析表明,等离子体改性后薄膜的亲水性、活性化学功能团、表面结构发生了显著变化。     

大气压介质阻挡放电对聚丙烯隔膜表面改性的研究

为了提高聚丙烯电池隔膜亲水性,用大气压氦气/空气介质阻挡放电(DBD)等离子体对其表面改性。用示波器测量了DBD的伏安特性,通过蒸馏水的接触角测量、X射线光电子能谱(XPS)分析、扫描电子显微镜(SEM)观察等手段对大气压氦气/空气DBD等离子体处理前后聚丙烯隔膜表面性质进行表征,同时分析样品亲水性的时效性。实验结果表明,大气压DBD等离子体处理过后聚丙烯隔膜表面引入了含氧极性基团(如C-OH,C=O,HO-C=O等),使表面蒸馏水的接触角显著下降,样品表面亲水性显著提高。     

大气压微等离子体射流对聚酰亚胺薄膜的表面改性

聚酰亚胺具有良好的机械性能、耐热性能和耐低温性能,因而具有广泛的应用。为提高聚酰亚胺薄膜材料的表面性能,利用自行设计的大气压Ar微等离子体射流对聚酰亚胺薄膜材料进行了表面改性实验。实验研究了Ar微等离子体射流对聚酰亚胺薄膜材料的亲水性和表面能随处理时间的变化规律。测量了处理后的聚酰亚胺薄膜材料在空气中放置时的处理效果的变化情况。研究结果表明,随着处理时间的增加,聚酰亚胺薄膜的水接触角逐渐降低,而表面能逐渐增加,并且处理后的材料在空气中放置时会出现老化效应。采用原子力显微镜观察了改性前后的表面形貌,发现处理后的聚酰亚胺薄膜的表面更加粗糙,同时质量也有所减少。     

等离子体射流阵列辅助薄膜沉积对环氧树脂表面电气特性的影响

直流电场下的绝缘材料表面电荷积聚现象对电气设备的安全运行造成威胁。为了加快环氧树脂(ER)表面电荷的消散,文中采用纳秒脉冲电源激励的大气压等离子体射流(APPJ)阵列,对环氧树脂表面进行扫描处理,沉积SiO_x薄膜,之后利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、高阻计、表面电位测试系统等装置对改性前后的样品表面理化特性进行表征分析。实验结果表明:射流阵列扫描沉积在环氧树脂表面引入了Si—O—Si、Si—OH和OH等基团,并且形成的薄膜使材料表面粗糙度降低。改性后的环氧树脂表面电导率提升2~3个数量级,使表面电荷初始积聚量减少,消散速度加快,陷阱能级的深度与密度均有所降低,闪络电压由未处理时的-6.5 kV提升至扫描沉积4次时的-9.3 kV。相对于单管射流改性,射流阵列可产生更大面积的低温等离子体,具有更高的处理效率和实用性。     

辉光放电等离子体用于聚丙烯薄膜表面处理

为研究用辉光放电等离子体处理后材料表面成分和分子结构的变化,用辉光等离子体处理聚丙烯(PP)薄膜,利用红外光谱和扫描电镜检测了材料表面微观结构的变化,并用国标规定的装置检测了它的击穿场强。实验证明,处理后的PP膜表面粗糙度增加,且引入了极性基团,微观结构产生了变化,但薄膜击穿强度没有发生明显变化。这为已经进行过很多的、关于等离子体表面处理对材料击穿场强的影响的研究提供了充足的实验证明,另也从微观角度为等离子体表面处理提供了较深入的理论支持。     

大气压氦气介质阻挡柱状放电2维仿真算法

为了对比研究有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)2种算法以及网格结构对大气压氦气介质阻挡柱状放电仿真结果的影响,建立了2维流体模型。首先,计算了柱状放电的电流波形和电子数密度2维分布;然后,根据收敛曲线、迭代次数和运算时间对比研究了相同网格结构下FEM和FVM的计算性能;最后,根据2维电子数密度分布云图和试验结果对比研究了2种算法下的放电形态、时序的差异。结果表明:在不稳定的初始阶段,放电由均匀向柱状转化,最后达到稳定的柱状放电阶段;FVM计算方法较稳定且耗时少;网格结构变化会影响FVM计算得到的放电形态,发现方形网格结构下FVM计算获得的柱状放电与试验结果相符。     

大气压重频纳秒脉冲放电对尼龙纤维的表面改性

纤维织物的等离子体表面改性有时需要较大面积或体积的低温等离子体环境以提高效率,为此设计了一种同轴多棒电极结构的重频纳秒脉冲放电发生器,能够在无阻挡介质的大气压空气中稳定地产生较大体积的低温弥散等离子体。用这种等离子体对不同目数的尼龙66纤维进行处理。采用垂直芯吸效应法测量了不同放电条件下尼龙表面亲水性能的变化。使用原子力显微镜和X射线光电子能谱分别观察尼龙表面微观结构、极性官能团种类和数量的变化。结果表明:纳秒脉冲放电等离子体能明显地使尼龙66纤维发生表面刻蚀,表面粗糙度增加,同时增大表面能,改善亲水性能。另外,就弥散等离子体处理时间和脉冲重复频率对处理效果的影响开展了比较研究。     

大气压N2-O2混合气纳秒脉冲表面介质阻挡放电建模仿真

大气压N2-O2混合气ns脉冲表面介质阻挡放电(SDBD)机理是等离子体气动激励与流动耦合作用机制研究的重要内容。为此,耦合等离子体化学反应动力学方程和考虑能量的等离子体漂移-扩散方程组,建立了大气压下N2-O2混合气ns脉冲放电的2维模型。考虑15种粒子、对应的电子碰撞反应以及35个化学反应过程,得到了SDBD的伏安特性、电荷分布和能量分布。综合分析电荷及电子能量分布结果表明,高能电子撞击是产生离子的主要方式,而低能电子的累积和离子在电场驱动下的定向运动是使放电呈现非平衡的重要原因。将计算结果与实验获得的伏安特性数据、放电形态和光谱分析结果进行了比照分析,发现2者比较相符,验证了模型的可靠性。     

介质阻挡放电处理增强聚合物薄膜表面亲水性

为提高聚合物材料的表面性能,用介质阻挡放电对聚对苯二甲酸乙二酯、聚丙烯、聚四氟乙烯薄膜进行表面改性,并研究了DBD等离子体处理对这些材料亲水性的影响;测量了材料表面水接触角和表面能随处理时间的变化规律及处理后的材料在空气中放置时的老化效应,并对结果进行分析。研究结果表明,3种聚合物薄膜经DBD等离子体处理后,接触角随处理时间的增加而降低,表面能随处理时间的增加而增加,二者均在一定处理时间后达到饱和值;处理后的材料在空气中放置时会出现老化效应,但即使放置12天后,材料表面水接触角仍远低于处理前的值。     

利用重复频率纳秒脉冲和线电极产生常温常压下的大气压弥散放电

大气压弥散放电产生非热平衡等离子体在诸多高新技术领域具有较大应用潜力。分析了在常温常压的大气压条件下,形成和维持非热平衡等离子体的机制,提出了实现弥散放电应设法满足低放电电压、多电子崩发展和带电粒子温度抑制的条件。由此设计了在开放的大气压空气环境中实现大面积弥散放电的装置。根据逃逸电子击穿理论,选择重复频率、较低占空比的纳秒脉冲电激励方式作为弥散放电的低电压驱动源。利用线型电极的小曲率半径,构成极不均匀电场间隙。弥散放电分别在直线型电极和圆环型电极中进行。实验结果表明,所研制的放电装置能够以百kV以内峰值纳秒脉冲电压、数百Hz的频率激励若干厘米等级间距的大气压弥散放电。     

大气压Ar/H_2O等离子体射流的放电特性

为促进大气压Ar/H2O等离子体射流放电在材料表面改性、等离子体医学及环境工程等方面的应用,研究了大气压Ar/H2O等离子体射流放电模式和放电参量。测量了这种射流在不同外加电压下的电气特性、发光特性及光谱特性,并据此计算得到主要放电参量,如放电功率、传输电荷、电子激发温度、分子振动温度以及转动温度等随外加电压的变化规律。结果表明:随着外加电压的增大,大气压Ar/H2O等离子体射流放电模式可分为电晕放电、介质阻挡放电和射流放电3个阶段,并可通过电压电流波形图和发光图像进行区分。Ar/H2O等离子体射流产生的粒子主要有Ar、OH以及少量的O和N2等。随着外加电压的增大,放电功率、传输电荷及主要粒子(包括OH)的谱线强度都随着外加电压的增大而增大。当外加电压从7 kV增加到9.5 kV时,分子振动温度和转动温度随着外加电压的增大而增大,其变化范围分别为1 000~2 200 K和350~550 K。当外加电压为9.5 kV时,电子激发温度为0.646 eV。     

大气压CO2/Ar混合气体射频放电光学特性研究

脉冲调制射频具有调制频率、占空比、输入功率等多种可调参数,可以较大范围地调节放电等离子体参数,因此其放电特性与传统交流或直流放电相比具有独特的特点。该文研究在大气压条件下13.56MHz射频电源系统激励的CO2/Ar气体放电光学特性,主要考察了不同调制参数以及气体组分对等离子体羽流、发射光谱强度以及电子激发温度的影响。研究结果表明,改变射频调制参数可以明显调控上述光学特性:增加输入功率、占空比,或者降低调制频率和CO2含量,可以增大等离子体羽流长度和电子激发温度;其光谱主要包含OH(A→X)、 N2(C→B)、 Ar(4p→4s)、 O(3p→3s)、C(1p-1s)、C2 swan谱带等,且均随着输入功率的增加和CO2含量的降低而明显增强。所做研究为射频放电等离子体技术提升CO2资源化利用效率提供更多的选择。     

氧含量对大气压等离子体薄膜沉积提高环氧树脂沿面耐压的影响

大气压等离子体改性可以有效提高环氧树脂(Al₂O₃-ER))表面沿面耐压特性。为了进一步提高放电均匀性和处理效果,研究了氧气(O₂)对大气压等离子体射流薄膜沉积效果的影响。实验时氩气(Ar)作为载气,正硅酸四乙酯(TEOS)作为前驱气体。实验中保持通入射流管的Ar/TEOS混合气体含量不变,基底加热温度设为100℃,沉积3min,研究了氧含量对薄膜沉积的影响规律。实验结果表明Ar/TEOS混合气体中通入适量O₂后,Al₂O₃-ER表面的Si—O—Si和Si—OH基团的吸收峰增强,Si元素和O元素的含量增加,这主要与Ar/O₂反应中的潘宁电离增强、TEOS充分裂解有关。表面样貌观察结果表明不加氧时的表层出现与薄膜较为融合的纳米颗粒,添加0.8%O₂后的表面呈现紧密的絮状结构。此外,表面电位分布测试表明添加1.6%O₂后的峰值电位下降约50%,同时闪络电压平均值提高34.2%。实验结果为进一步优...     

大气压介质阻挡放电对多壁碳纳米管表面改性及其气敏特性

H2S是气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)内部一些潜伏性绝缘缺陷产生放电的重要的特征组分气体之一,检测它对设备运行状态的诊断和评估有着重要的意义。为此,采用大气压介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体对多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)进行了表面改性。实验研究了改性前后MWNTs对体积分数为50×10-6的H2S标气的气敏特性的影响以及不同改性时间对其气敏特性的影响,结果表明,改性后的MWNTs对H2S在灵敏度和响应时间方面都有较大幅度的改善;改性时间为60s的MWNTs的气敏特性要优于其它时间。对处理前后的MWNTs进行了扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶红外光谱(FTIR)分析,结果显示,经DBD等离子体处理后的MWNTs表面变粗糙,缺陷增加,其表面引入了羟基、羧酸根和C-O等含氧基团。