等离子体表面处理装置

张浩,董丽芳，王浩，高星

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定　071002)



等离子体表面处理装置

张浩,董丽芳，王浩，高星

(河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定071002)

设计了一种利用介质阻挡放电产生等离子体对材料表面进行处理的新型表面处理装置.此装置采用交流高压驱动，在每个电压半周期内放电次数达到4次甚至更多次，能够产生大量的等离子体.此装置产生的等离子体距离待处理材料近，对等离子体具有较高的利用率，在工业应用方面具有较高的应用前景.

介质阻挡放电;等离子体;表面处理

随着高性能结构材料技术和先进材料加工技术的快速发展，人们对材料的韧性或刚性、环保性、循环利用性和使用寿命等提出了更高的要求.因此通过对材料表面处理[1-4]改变材料表面的形态、化学成分、组织结构等以提高材料各方面性能在近年来得到了迅速发展.在物理处理、化学处理和机械处理等众多表面处理方法中，等离子体表面处理技术因其清洁高效、能耗低、无废弃物等优点而快速发展.目前，针对不同的产业应用，不同条件下的等离子体处理已经出现明显分工，如常压等离子体一般应用于需要连续处理的大面积天然或合成材料，低压等离子体一般应用于半导体产业，生物医用材料等产业.

本文主要阐述了一种利用低压等离子体对材料进行表面处理的装置.此介质阻挡放电[5-9]装置能够产生大量的等离子体，且对等离子体具有较高的利用率，故此装置在工业应用方面具有较高的应用前景.

1　实验装置

实验核心装置为双水电极介质阻挡放电装置，如图1.此水电极采用两端被石英封住的圆柱形绝缘管作为容器，内部充满水作为导电介质，铜环浸没水中并从电极中引出与驱动电源相连.驱动电源采用正弦交流电源，其电压最高可达15 kV，频率在45～80 kHz可以调节.高压探头(Tektronix P6015A 1000X)连接电极两端实时监测放电电极两端电压.整个放电装置置于一个密封的反应室内，其内部充有氩气和空气的混合气体，氩气所占体积分数为φ=80%,气体压强为20 kPa.反应室设有数个透明观察窗，一侧放置普通数码相机(Canon G19)，另一侧放置光谱仪(ACTON ADVANCED SP 2750A)采集光谱，通过控制计算机可存储和计算出等离子体参数.左侧水电极设有凹槽可放置被处理材料,其中凹槽深度为3 mm,宽度为4 mm；右侧水电极设有2条狭缝且狭缝位置对应凹槽是边缘，其中狭缝宽度为0.5 mm，深度为3 mm.

O为水电极；P为材料待处理区；Q为狭缝放电区.图1　实验装置示意Fig.1　Schematic diagram of the experiment setup

2　结果与讨论

图2展示的为不同电压条件下此装置内的放电图像，其中图2a对应的放电电压较低，为3.67 kV；图2b对应的放电电压为5.73 kV.两侧狭缝内的放电为体放电，体放电诱导产生的沿面放电会为中心区域提供大量的等离子体.在以往的研究中，笔者已经对狭缝内放电特性进行了研究[10]，结果表明，随着电压的升高，体放电的放电次数逐渐增多，沿面放电逐渐增强.因此，可以通过调节外加电压的高低控制放电强度.

a. U=3.67 kV;b. U=5.3 kV图2　放电图像Fig. 2　Discharge images

此外，采用发射光谱法，研究了等离子体参量的空间分布.利用光栅光谱仪中的300 G/mm光栅，获得N2分子第二正带系的发射光谱谱线，并利用采集到谱线中370.9、375.4、380.4、394.2、399.7和405.8 nm位置处6条谱线峰值位置处的光强强度计算分子振动温度的大小.利用光栅光谱仪中的2 400 G/mm光栅，获得氩原子在波长为696.5 nm附近的发射光谱谱线.在气体放电等离子体中，氩原子发射光谱谱线在波长为696.5 nm位置处的半展宽度与气体放电时放电通道内的电子密度成正相关.因此，氩原子发射光谱谱线在波长为696.5 nm位置处的半展宽度来反映对应位置处电子密度的大小.

图3为空间A、B、C、D、E5个位置处波长在360～420 nm区间内的发射光谱谱线.计算出等离子体分子振动温度，发现其介于2 850～3 250 K之间，且在空间分布如图4所示，中心区域略高于边缘区域.

图3　放电区域内不同位置在360～420 nm处的发射谱线Fig. 3　Emission spectrum in the range of 360～420 nm in the different position of discharge area

图4　放电区域内不同位置处分子振动温度变化Fig.4　Variation of molecular vibrational temperature as a function of the different spatial location of discharge area

图5为空间A、B、C、D、E5个位置处中心波长在696.5 nm处归一化后的发射光谱谱线，其中右上角为谱线右支方框区域的放大图.谱线左支基本重合，可以比较右支粗略比较谱线展宽大小.图6给出了上述5个位置处沿面放电在波长为696.5 nm位置处发射光谱谱线半展宽度的变化.由图6可见，放电空间中边缘区域的半展宽度比中心区域小，这表明放电空间中边缘位置处的电子密度要低于中心区域.

图5　放电区域内不同位置在696.4～696.8 nm处的发射谱线Fig. 5　Emission spectrum in the range of 696.4～696.8 nm in the different position of discharge area

图6　放电区域内不同位置处696.5 nm谱线展宽变化Fig.6　Variation of broadenings of spectral line 696.5 nm as a function of the different spatial location of discharge area

3　结论

此装置利用介质阻挡放电中体放电诱导沿面放电产生的等离子体，在此装置中等离子体参量空间分布为中心区域的分子振动温度和电子密度均略高于边缘区域.另外，此装置中产生的等离子体距离被处理物品较近，对等离子体的利用率较高，具有较高的工业应用前景.

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(责任编辑：孟素兰)

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

国家自然科学基金资助项目(11175054)；河北省科技厅重点项目(11967135D)；河北省教育厅重点项目(ZD2010140)；河北大学研究生创新资助项目

张浩(1989—)，男，河北保定人，河北大学在读硕士研究生.E-mail:m15130248376@163.com

董丽芳(1963—)，女，河北保定人，河北大学教授，博士生导师，主要从事光学诊断与等离子体物理方面的研究.

E-mail:donglf @hbu.edu.cn

O461

A

1000-1565(2016)04-0358-04