張浩,董麗芳，王浩，高星

(河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定　071002)

?

等離子體表面處理裝置

張浩,董麗芳，王浩，高星

(河北大學 物理科學與技術(shù)學院，河北 保定071002)

設(shè)計了一種利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體對材料表面進行處理的新型表面處理裝置.此裝置采用交流高壓驅(qū)動，在每個電壓半周期內(nèi)放電次數(shù)達到4次甚至更多次，能夠產(chǎn)生大量的等離子體.此裝置產(chǎn)生的等離子體距離待處理材料近，對等離子體具有較高的利用率，在工業(yè)應(yīng)用方面具有較高的應(yīng)用前景.

介質(zhì)阻擋放電;等離子體;表面處理

隨著高性能結(jié)構(gòu)材料技術(shù)和先進材料加工技術(shù)的快速發(fā)展，人們對材料的韌性或剛性、環(huán)保性、循環(huán)利用性和使用壽命等提出了更高的要求.因此通過對材料表面處理[1-4]改變材料表面的形態(tài)、化學成分、組織結(jié)構(gòu)等以提高材料各方面性能在近年來得到了迅速發(fā)展.在物理處理、化學處理和機械處理等眾多表面處理方法中，等離子體表面處理技術(shù)因其清潔高效、能耗低、無廢棄物等優(yōu)點而快速發(fā)展.目前，針對不同的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，不同條件下的等離子體處理已經(jīng)出現(xiàn)明顯分工，如常壓等離子體一般應(yīng)用于需要連續(xù)處理的大面積天然或合成材料，低壓等離子體一般應(yīng)用于半導體產(chǎn)業(yè)，生物醫(yī)用材料等產(chǎn)業(yè).

本文主要闡述了一種利用低壓等離子體對材料進行表面處理的裝置.此介質(zhì)阻擋放電[5-9]裝置能夠產(chǎn)生大量的等離子體，且對等離子體具有較高的利用率，故此裝置在工業(yè)應(yīng)用方面具有較高的應(yīng)用前景.

1　實驗裝置

實驗核心裝置為雙水電極介質(zhì)阻擋放電裝置，如圖1.此水電極采用兩端被石英封住的圓柱形絕緣管作為容器，內(nèi)部充滿水作為導電介質(zhì)，銅環(huán)浸沒水中并從電極中引出與驅(qū)動電源相連.驅(qū)動電源采用正弦交流電源，其電壓最高可達15 kV，頻率在45～80 kHz可以調(diào)節(jié).高壓探頭(Tektronix P6015A 1000X)連接電極兩端實時監(jiān)測放電電極兩端電壓.整個放電裝置置于一個密封的反應(yīng)室內(nèi)，其內(nèi)部充有氬氣和空氣的混合氣體，氬氣所占體積分數(shù)為φ=80%,氣體壓強為20 kPa.反應(yīng)室設(shè)有數(shù)個透明觀察窗，一側(cè)放置普通數(shù)碼相機(Canon G19)，另一側(cè)放置光譜儀(ACTON ADVANCED SP 2750A)采集光譜，通過控制計算機可存儲和計算出等離子體參數(shù).左側(cè)水電極設(shè)有凹槽可放置被處理材料,其中凹槽深度為3 mm,寬度為4 mm；右側(cè)水電極設(shè)有2條狹縫且狹縫位置對應(yīng)凹槽是邊緣，其中狹縫寬度為0.5 mm，深度為3 mm.

O為水電極；P為材料待處理區(qū)；Q為狹縫放電區(qū).圖1　實驗裝置示意Fig.1　Schematic diagram of the experiment setup

2　結(jié)果與討論

圖2展示的為不同電壓條件下此裝置內(nèi)的放電圖像，其中圖2a對應(yīng)的放電電壓較低，為3.67 kV；圖2b對應(yīng)的放電電壓為5.73 kV.兩側(cè)狹縫內(nèi)的放電為體放電，體放電誘導產(chǎn)生的沿面放電會為中心區(qū)域提供大量的等離子體.在以往的研究中，筆者已經(jīng)對狹縫內(nèi)放電特性進行了研究[10]，結(jié)果表明，隨著電壓的升高，體放電的放電次數(shù)逐漸增多，沿面放電逐漸增強.因此，可以通過調(diào)節(jié)外加電壓的高低控制放電強度.

a. U=3.67 kV;b. U=5.3 kV圖2　放電圖像Fig. 2　Discharge images

此外，采用發(fā)射光譜法，研究了等離子體參量的空間分布.利用光柵光譜儀中的300 G/mm光柵，獲得N2分子第二正帶系的發(fā)射光譜譜線，并利用采集到譜線中370.9、375.4、380.4、394.2、399.7和405.8 nm位置處6條譜線峰值位置處的光強強度計算分子振動溫度的大小.利用光柵光譜儀中的2 400 G/mm光柵，獲得氬原子在波長為696.5 nm附近的發(fā)射光譜譜線.在氣體放電等離子體中，氬原子發(fā)射光譜譜線在波長為696.5 nm位置處的半展寬度與氣體放電時放電通道內(nèi)的電子密度成正相關(guān).因此，氬原子發(fā)射光譜譜線在波長為696.5 nm位置處的半展寬度來反映對應(yīng)位置處電子密度的大小.

圖3為空間A、B、C、D、E5個位置處波長在360～420 nm區(qū)間內(nèi)的發(fā)射光譜譜線.計算出等離子體分子振動溫度，發(fā)現(xiàn)其介于2 850～3 250 K之間，且在空間分布如圖4所示，中心區(qū)域略高于邊緣區(qū)域.

圖3　放電區(qū)域內(nèi)不同位置在360～420 nm處的發(fā)射譜線Fig. 3　Emission spectrum in the range of 360～420 nm in the different position of discharge area

圖4　放電區(qū)域內(nèi)不同位置處分子振動溫度變化Fig.4　Variation of molecular vibrational temperature as a function of the different spatial location of discharge area

圖5為空間A、B、C、D、E5個位置處中心波長在696.5 nm處歸一化后的發(fā)射光譜譜線，其中右上角為譜線右支方框區(qū)域的放大圖.譜線左支基本重合，可以比較右支粗略比較譜線展寬大小.圖6給出了上述5個位置處沿面放電在波長為696.5 nm位置處發(fā)射光譜譜線半展寬度的變化.由圖6可見，放電空間中邊緣區(qū)域的半展寬度比中心區(qū)域小，這表明放電空間中邊緣位置處的電子密度要低于中心區(qū)域.

圖5　放電區(qū)域內(nèi)不同位置在696.4～696.8 nm處的發(fā)射譜線Fig. 5　Emission spectrum in the range of 696.4～696.8 nm in the different position of discharge area

圖6　放電區(qū)域內(nèi)不同位置處696.5 nm譜線展寬變化Fig.6　Variation of broadenings of spectral line 696.5 nm as a function of the different spatial location of discharge area

3　結(jié)論

此裝置利用介質(zhì)阻擋放電中體放電誘導沿面放電產(chǎn)生的等離子體，在此裝置中等離子體參量空間分布為中心區(qū)域的分子振動溫度和電子密度均略高于邊緣區(qū)域.另外，此裝置中產(chǎn)生的等離子體距離被處理物品較近，對等離子體的利用率較高，具有較高的工業(yè)應(yīng)用前景.

[1]詹華茂，李成榕，許金豹，等.用于材料表面處理的空氣中的均勻介質(zhì)阻擋放電[J].高電壓技術(shù)，2008,34(3)：508-511.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2008.03.036.

ZHANG H M,LI C R,XU J B,et al.Homogeneous dielectric barrier discharge in air for surface treatment of materials[J].High Voltage Engineering,2008,34(3)：508-511.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2008.03.036.

[2]鄭立允，熊惟皓，肖建華，等.刀具材料表面處理的研究現(xiàn)狀[J].金屬熱處理，2005,30(6):31-35.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2005.06.011.

ZHENG L Y,XIONG W H,XIAO J H,et al.Research status of the surface treatment in tool materials[J].Heat Treatment of Metals，2005,30(6):31-35.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2005.06.011.

[3]李明娟，劉偉波.高能束金屬材料表面處理技術(shù)的物理機制及應(yīng)用[J].熱加工工藝，2015,44(14)：37-39.DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.14.009.

LI M J,LIU W B.Physics mechanisms and application of high-energy beam surface treatment technology in metallic materals[J].Hot Working Technology,2015,44(14)：37-39.DOI:10.14158/j.cnki.1001-3814.2015.14.009.

[4]王云英，孟江燕，陳學斌，等.復合材料用碳纖維的表面處理[J].表面技術(shù)，2007,36(3)：53-57.

WANG Y Y,MENG J Y,CHEN X B, et al.Surface treatment of carbon fiber for composites[J].Surface Technology,2007,36(3)：53-57.

[5]XU X J .Dielectric barrier discharge - properties and applications[J].Thin Solid Films,2001,390(12):237-242.

[6]CALLEGARI T,BERNECKER B,BOEUF J P.Pattern formation and dynamics of plasma filaments in dielectric barrier discharges[J].Plasma Sources Sci Technol,2014,23(4):631-644.DOI:10.1088/0963-0252/23/5/054003.

[7]韓育宏，賈鵬英，鮑文婷，等.微間隙大氣壓空氣介質(zhì)阻擋放電模式的轉(zhuǎn)化[J].高電壓技術(shù)，2015,41(2)：572-577.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2015.02.033.

HAN Y H,JIA P Y,BAO W T,et al.Discharge mode transition of dielectric barrier discharge in micro-size air gap at atmospheric pressure[J].High Voltage Engineering，2015,41(2)：572-577.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2015.02.033.

[8]聶萬勝，程玉峰，車學科.介質(zhì)阻擋放電等離子體流動控制研究進展[J].力學進展，2012,42(6)：722-734.

NIE W S,CHENG Y F,CHE X K.A review on dielectric on dielectric barrier discharge plasma flow control[J].Advance In Mechanics，2012,42(6)：722-734.

[9]王新新.介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2009,35(1)：1-11.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2009.01.011.

WANG X X.Dielectric barrier discharge and its application[J].High Voltage Engineering,2009,35(1)：1-11.DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.2009.01.011.

[10]張浩，胡軼，董麗芳，等.介質(zhì)阻擋放電中狹縫邊界內(nèi)放電特性[J].河北大學學報(自然科學版)，2015，35(5)：459-462.DOI:10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.003.

ZHANG H,HU Y,DONG L F,et al.Discharge character in slit boundary in dielectric barrier discharge system[J].Journal of Hebei University(Natural Science),2015，35(5)：459-462.DOI:10.3969/j.issn.1000-1565.2015.05.003.

(責任編輯：孟素蘭)

Device for surface treatment by plasma

ZHANG Hao,DONG Lifang,WANG Hao,GAO Xing

(College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China)

A new-type of device that use dielectric barrier diasharge to generate plasma for surface treatment is designed.It is driven by an ac alternating (urrent) power supply,and a large number of plasma is produced due to four or even more times diasharge per half cycle of the driven voltage.In addition,the device generats plasma at the place that is close to the materials which need to be processed and has a high use ratio of plasma,thus showing great promise in industrial application.

dielectric barrier discharge;plasma;surface treatment

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.04.005

2016-01-05

國家自然科學基金資助項目(11175054)；河北省科技廳重點項目(11967135D)；河北省教育廳重點項目(ZD2010140)；河北大學研究生創(chuàng)新資助項目

張浩(1989—)，男，河北保定人，河北大學在讀碩士研究生.E-mail:m15130248376@163.com

董麗芳(1963—)，女，河北保定人，河北大學教授，博士生導師，主要從事光學診斷與等離子體物理方面的研究.

E-mail:donglf @hbu.edu.cn

O461

A

1000-1565(2016)04-0358-04