空气中多针-平板电极介质阻挡放电特性研究

空气中多针-平板电极介质阻挡放电特性研究

图1显示了实验设备及其连接的直线电话和连接。电极布置分别采用多针-平板结构和平板-平板结构。多针电极面积为20mm×20mm,8×8个不锈钢针均匀分布其上，针与针之间的距离为2.5mm，针尖直径约为0.05mm。下电极面积为20mm×20mm的黄铜平板电极,介质覆盖在下电极表面，气隙距离1～30mm可调。当使用平板-平板电极结构时，上电极换为同下电极面积相同的平板电极。电源由50Hz工频变压器产生，其最大输出电压为50kV。放电电压的波形由分压器测得，其高压臂电阻R1=60MΩ，低压臂电阻R2=200kΩ，分压比为300。放电电流由一个串接在放电回路中的r=100Ω的无感电阻测得，由于选取电阻的阻值较小，不会对放电产生影响。放电电荷通过C=0.47μF的电容测得，由于选取的电容较大，也不会对放电产生影响。试验中采用的记录仪器是TDS3052示波器，放电电压波形由通道1输入，电流或电荷波形由通道2输入。试验是在实验室敞开的空气环境下进行的，试验温度为室温（18℃），气压为95kPa。3多针-平板电极dbd和电晕放电的比较图2给出了多针-平板DBD的电压-电流波形以及电压-电荷李萨育图形。试验条件为：气隙距离3mm，玻璃介质（厚度3mm），电源电压10kV。由图2(a）可以看出，多针-平板DBD的电流波形在电压的正负半周表现出不对称性。放电电流脉冲在电压的正半周期的幅值较大，但比较稀疏；而在电压的负半周期放电电流脉冲的幅值长短不一，且幅值均低于正半周期，其特征表现为DBD和电晕放电相叠加的效果，其中相对短小而密集的脉冲为电晕放电电流产生的脉冲，而幅值相对较大的脉冲则为DBD放电电流产生的脉冲。多针-平板DBD放电电流的这种特征主要是因为针-板电极放电为非均匀电场放电，故在电压的正负半周期电流表现为不同的形式，而放电空间介质的引入使这种放电又具有DBD放电的特征。因此这种形式的放电既有传统的DBD的特点，又具有针-板电极电晕放电的特点。其放电特性从机理上分析如下：电压的正半周期（针电极为正极性），放电时电子崩中的电子迅速进入针电极，而正离子则因其向阴极运动速度较慢而暂留在针电极附近。这些正空间电荷削弱了针电极附近的场强，而加强了电荷外部空间的电场。因此空间电荷的作用抑制了针极附近的流注形成，从而使放电的起始电压有所提高，但因加强了电荷外部空间的电场，一旦形成流注将会很剧烈。另外，由于介质的存在，正离子在到达阴极后，不是消失于阴极，而是在介质上积聚下来，与在放电空间的电子共同产生了一个与外加电场相反的电场，阻止放电发展到电弧阶段。电压的负半周期（针电极为负极性），这种情况下放电时电子崩先出现在针电极附近。电子崩中的电子迅速扩散并向阴极运动，从而集聚在介质上，而正离子则缓慢地向针电极移动，因而在针电极附近的正空间电荷的浓度很大。与正极性放电不同，这些正空间电荷加强了针电极附近的场强，而削弱了正空间电荷外部空间的电场。这种情况下，空间电荷使针极附近容易形成流注、产生电晕，但此后流注向前发展就困难得多了。同时，介质上集聚的电子和正空间电荷共同产生一个与外电场反向的附加电场，阻止了放电向电弧发展，使其表现出DBD的特性。多针-平板电极DBD和平板-平板电极DBD均为细丝状放电，但多针-平板电极DBD放电相对均匀、稳定，这种形式的放电可以看成为许多并联的单针-平板电极DBD和电晕放电相互融合、相互叠加而成的，见图3。试验时在暗室中可以观察到：放电空间内每个针尖下均为一稳定的圆锥形放电体，细丝均匀地分布在放电体内，在介质表面附近不同针尖下的圆锥形放电体相互融合和叠加，使得用肉眼很难分辨出放电细丝的出现。当采用平板-平板电极DBD时，在暗室中可以明显看到一些明亮的、跳动的细丝随机地出现在放电空间内。由于针状电极曲率半径很小，气隙间电场为不均匀电场，所以放电电压比相同条件下的平板-平板电极DBD放电电压低得多。在相同的试验条件下（厚度为3mm的玻璃介质，气隙距离为3mm）分别采用多针-平板电极和平板-平板电极进行试验，试验测得：多针-平板电极DBD的起始放电电压只有3.5kV，而平板-平板电极DBD的起始放电电压高达7.5kV。图4(a）给出了在与图2(a）相同的条件下测得的平板-平板DBD的电压电流波形。比较图4(a）和图2(a）可以明显地看出，在相同的放电条件下多针-平板电极DBD的放电比平板-平板电极DBD要强烈得多。这也可从二者的放电功率上加以比较。图2(b）和图4(b）分别给出了多针-平板DBD和平板-平板DBD的李萨育图形。根据李萨育图形可由下式来计算功率：式中：S为平行四边行（李萨育图）的面积。由上式求得多针-平板电极DBD的放电功率为0.51W，而平板-平板电极DBD的放电功率为0.39W。由此可以明显看出：在相同条件下，多针-平板电极DBD的放电功率要大于平板-平板电极DBD的放电功率，说明多针-平板电极DBD放电空间产生的活性粒子要多于平板-平板电极DBD。4ptfe表面接触角随时间的变化为了验证多针-平板电极DBD用于材料表面改性的效果，笔者在与文相同的试验条件下对PTFE进行表面改性，并与文中的平板-平板电极DBD改性的效果加以比较。图5给出PTFE表面的水接触角随这两种放电处理时间变化的曲线。从图中可以看出，用多针-平板电极DBD和平板-平板电极DBD处理后，PTFE的接触角均随着处理时间的增加而减小，这说明PTFE的表面亲水性明显增强。多针-平板电极DBD处理30s时PTFE的表面接触角就达到了最小值67°，而平板-平板电极DBD要处理40s才能达到最小值69°。这表明多针-平板电极DBD在相同条件下能产生更多的活性粒子。当超过40s后多针电极的处理效果和平板-平板电极处理效果差不多，接触角不再随着时间的增加而发生明显的变化，这说明当等离子体作用的剂量（作用时间）超过一定的限度时，等离子体在PTFE表面引起的物理和化学反应处于饱和状态，因而接触角不再发生明显变化。5ptfe的表面改性多针-平板电极DBD既具有传统平板-平板电极DBD的特性，又具有针-板电极电晕放电的特性。与平板-平板电极DBD比较，在相同条件下具有起始放电电压低、放电功率大的特点，用它对PTFE进行表面改性，能在较短的时间内达到较好的效果。实际应用时，通过改变不同位置针的长短还可以对一些表面形状复杂的材料进行处理。1引言介质阻挡放电（DBD）是一种有固体绝缘介质插入放电空间的气体放电，该放电能够在常压下产生大量的具有较高电子能量的非平衡等离子体，比普通化学反应器产生的活性粒子更多，更易于和所接触的材料表面发生反应，十分适合于对材料进行表面改性。近年来，用DBD对材料进行表面改性受到了国内外学者的广泛关注，并已在工业生产上获得了初步的应用。目前国内外研究中大多采用的是平板-平板电极结构的DBD，这种形式DBD的放电空间出现大量的时间上和空间上随机分布的高强度的放电电流细丝，在进行材料表面改性时，控制不当极易灼伤材料，且这种形式的DBD不适于对一些特殊形状材料进行表