空氣中多針-平板電極介質(zhì)阻擋放電特性研究

空氣中多針-平板電極介質(zhì)阻擋放電特性研究

圖1顯示了實驗設備及其連接的直線電話和連接。電極布置分別采用多針-平板結(jié)構(gòu)和平板-平板結(jié)構(gòu)。多針電極面積為20mm×20mm,8×8個不銹鋼針均勻分布其上，針與針之間的距離為2.5mm，針尖直徑約為0.05mm。下電極面積為20mm×20mm的黃銅平板電極,介質(zhì)覆蓋在下電極表面，氣隙距離1～30mm可調(diào)。當使用平板-平板電極結(jié)構(gòu)時，上電極換為同下電極面積相同的平板電極。電源由50Hz工頻變壓器產(chǎn)生，其最大輸出電壓為50kV。放電電壓的波形由分壓器測得，其高壓臂電阻R1=60MΩ，低壓臂電阻R2=200kΩ，分壓比為300。放電電流由一個串接在放電回路中的r=100Ω的無感電阻測得，由于選取電阻的阻值較小，不會對放電產(chǎn)生影響。放電電荷通過C=0.47μF的電容測得，由于選取的電容較大，也不會對放電產(chǎn)生影響。試驗中采用的記錄儀器是TDS3052示波器，放電電壓波形由通道1輸入，電流或電荷波形由通道2輸入。試驗是在實驗室敞開的空氣環(huán)境下進行的，試驗溫度為室溫（18℃），氣壓為95kPa。3多針-平板電極dbd和電暈放電的比較圖2給出了多針-平板DBD的電壓-電流波形以及電壓-電荷李薩育圖形。試驗條件為：氣隙距離3mm，玻璃介質(zhì)（厚度3mm），電源電壓10kV。由圖2(a）可以看出，多針-平板DBD的電流波形在電壓的正負半周表現(xiàn)出不對稱性。放電電流脈沖在電壓的正半周期的幅值較大，但比較稀疏；而在電壓的負半周期放電電流脈沖的幅值長短不一，且幅值均低于正半周期，其特征表現(xiàn)為DBD和電暈放電相疊加的效果，其中相對短小而密集的脈沖為電暈放電電流產(chǎn)生的脈沖，而幅值相對較大的脈沖則為DBD放電電流產(chǎn)生的脈沖。多針-平板DBD放電電流的這種特征主要是因為針-板電極放電為非均勻電場放電，故在電壓的正負半周期電流表現(xiàn)為不同的形式，而放電空間介質(zhì)的引入使這種放電又具有DBD放電的特征。因此這種形式的放電既有傳統(tǒng)的DBD的特點，又具有針-板電極電暈放電的特點。其放電特性從機理上分析如下：電壓的正半周期（針電極為正極性），放電時電子崩中的電子迅速進入針電極，而正離子則因其向陰極運動速度較慢而暫留在針電極附近。這些正空間電荷削弱了針電極附近的場強，而加強了電荷外部空間的電場。因此空間電荷的作用抑制了針極附近的流注形成，從而使放電的起始電壓有所提高，但因加強了電荷外部空間的電場，一旦形成流注將會很劇烈。另外，由于介質(zhì)的存在，正離子在到達陰極后，不是消失于陰極，而是在介質(zhì)上積聚下來，與在放電空間的電子共同產(chǎn)生了一個與外加電場相反的電場，阻止放電發(fā)展到電弧階段。電壓的負半周期（針電極為負極性），這種情況下放電時電子崩先出現(xiàn)在針電極附近。電子崩中的電子迅速擴散并向陰極運動，從而集聚在介質(zhì)上，而正離子則緩慢地向針電極移動，因而在針電極附近的正空間電荷的濃度很大。與正極性放電不同，這些正空間電荷加強了針電極附近的場強，而削弱了正空間電荷外部空間的電場。這種情況下，空間電荷使針極附近容易形成流注、產(chǎn)生電暈，但此后流注向前發(fā)展就困難得多了。同時，介質(zhì)上集聚的電子和正空間電荷共同產(chǎn)生一個與外電場反向的附加電場，阻止了放電向電弧發(fā)展，使其表現(xiàn)出DBD的特性。多針-平板電極DBD和平板-平板電極DBD均為細絲狀放電，但多針-平板電極DBD放電相對均勻、穩(wěn)定，這種形式的放電可以看成為許多并聯(lián)的單針-平板電極DBD和電暈放電相互融合、相互疊加而成的，見圖3。試驗時在暗室中可以觀察到：放電空間內(nèi)每個針尖下均為一穩(wěn)定的圓錐形放電體，細絲均勻地分布在放電體內(nèi)，在介質(zhì)表面附近不同針尖下的圓錐形放電體相互融合和疊加，使得用肉眼很難分辨出放電細絲的出現(xiàn)。當采用平板-平板電極DBD時，在暗室中可以明顯看到一些明亮的、跳動的細絲隨機地出現(xiàn)在放電空間內(nèi)。由于針狀電極曲率半徑很小，氣隙間電場為不均勻電場，所以放電電壓比相同條件下的平板-平板電極DBD放電電壓低得多。在相同的試驗條件下（厚度為3mm的玻璃介質(zhì)，氣隙距離為3mm）分別采用多針-平板電極和平板-平板電極進行試驗，試驗測得：多針-平板電極DBD的起始放電電壓只有3.5kV，而平板-平板電極DBD的起始放電電壓高達7.5kV。圖4(a）給出了在與圖2(a）相同的條件下測得的平板-平板DBD的電壓電流波形。比較圖4(a）和圖2(a）可以明顯地看出，在相同的放電條件下多針-平板電極DBD的放電比平板-平板電極DBD要強烈得多。這也可從二者的放電功率上加以比較。圖2(b）和圖4(b）分別給出了多針-平板DBD和平板-平板DBD的李薩育圖形。根據(jù)李薩育圖形可由下式來計算功率：式中：S為平行四邊行（李薩育圖）的面積。由上式求得多針-平板電極DBD的放電功率為0.51W，而平板-平板電極DBD的放電功率為0.39W。由此可以明顯看出：在相同條件下，多針-平板電極DBD的放電功率要大于平板-平板電極DBD的放電功率，說明多針-平板電極DBD放電空間產(chǎn)生的活性粒子要多于平板-平板電極DBD。4ptfe表面接觸角隨時間的變化為了驗證多針-平板電極DBD用于材料表面改性的效果，筆者在與文相同的試驗條件下對PTFE進行表面改性，并與文中的平板-平板電極DBD改性的效果加以比較。圖5給出PTFE表面的水接觸角隨這兩種放電處理時間變化的曲線。從圖中可以看出，用多針-平板電極DBD和平板-平板電極DBD處理后，PTFE的接觸角均隨著處理時間的增加而減小，這說明PTFE的表面親水性明顯增強。多針-平板電極DBD處理30s時PTFE的表面接觸角就達到了最小值67°，而平板-平板電極DBD要處理40s才能達到最小值69°。這表明多針-平板電極DBD在相同條件下能產(chǎn)生更多的活性粒子。當超過40s后多針電極的處理效果和平板-平板電極處理效果差不多，接觸角不再隨著時間的增加而發(fā)生明顯的變化，這說明當?shù)入x子體作用的劑量（作用時間）超過一定的限度時，等離子體在PTFE表面引起的物理和化學反應處于飽和狀態(tài)，因而接觸角不再發(fā)生明顯變化。5ptfe的表面改性多針-平板電極DBD既具有傳統(tǒng)平板-平板電極DBD的特性，又具有針-板電極電暈放電的特性。與平板-平板電極DBD比較，在相同條件下具有起始放電電壓低、放電功率大的特點，用它對PTFE進行表面改性，能在較短的時間內(nèi)達到較好的效果。實際應用時，通過改變不同位置針的長短還可以對一些表面形狀復雜的材料進行處理。1引言介質(zhì)阻擋放電（DBD）是一種有固體絕緣介質(zhì)插入放電空間的氣體放電，該放電能夠在常壓下產(chǎn)生大量的具有較高電子能量的非平衡等離子體，比普通化學反應器產(chǎn)生的活性粒子更多，更易于和所接觸的材料表面發(fā)生反應，十分適合于對材料進行表面改性。近年來，用DBD對材料進行表面改性受到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注，并已在工業(yè)生產(chǎn)上獲得了初步的應用。目前國內(nèi)外研究中大多采用的是平板-平板電極結(jié)構(gòu)的DBD，這種形式DBD的放電空間出現(xiàn)大量的時間上和空間上隨機分布的高強度的放電電流細絲，在進行材料表面改性時，控制不當極易灼傷材料，且這種形式的DBD不適于對一些特殊形狀材料進行表