常压亚微秒脉冲多层DBD放电特性及其聚合物表面改性研究

Dielectric barrier discharge excited by traditional alternate voltage generally displays filamentary discharge mode in atmospheric air. Follow the development of pulse generation technology, uniform discharge plasma can be generated by repetitive pulse DBD in atmospheric air. It proves that the accumulative heat and electrode pollution problems could be probably solved during the polymer film surface treatment process by pulsed discharge plasma which significantly increases the efficiency of energy utilization. Compareing with traditional double or single layer DBD，uniform discharge volume and surface treatment area could be enlarged using multi-layer DBD method which isolates the discharge plasma through dielectric barriers. In this work，a multi-layer DBD device excited by unipolar sub-microsecond pulse power will be established and studied. Characteristics of discharge and plasma will be deeply researched through electrical parameters，plasma emission spectrum measurement，ICCD high speed photograph ways. surface treatment for polymer film using multi-layer DBD also will be studied in this work，effect features on material surface by applied factors such as working gas，pulse voltage parameters，gas gap distance，dielectric board parameters and some others will be researched in detail by the several ways such as water contact angle measurement，XPS，AFM analysis and plasma parameters test. This work can probably provide a feasible technical approach of improving the surface treatment efficiency and solving the accumulative heat and electrode pollution problems.

传统工频或高频交流激励质常压空气阻挡放电（DBD）通常表现为丝状放电，随着脉冲功率技术的进步，采用重频脉冲激励DBD可以在常压空气中产生均匀放电等离子体，利用其对聚合物薄膜表面改性，可能解决困扰实际工业生产中发热及电极污染等问题，并且采用脉冲方式可以显著的提高能量利用效率。相较于传统双层或单层DBD，多层介质阻挡放电通过介质挡板隔离的方法增加均匀放电等离子体区域体积及材料处理表面积。课题研究采用亚微秒单极性脉冲激励多层DBD，通过电学参数、发射光谱测量、ICCD高速摄影等手段研究其放电特性及等离子体性质；采用多层DBD开展聚合物表面改性研究，测量薄膜水接触角，采用XPS、AFM等手段分析处理薄膜表面，结合等离子体参数诊断，探究工作气体、脉冲电压参数、气隙间距、介质材料参数等外界条件对材料表面的作用规律。课题研究为提高材料表面处理效率及解决发热和电极污染问题提供一条可行技术途径。

随着脉冲功率技术的进步，采用单极性重频脉冲激励DBD可以在常压空气中产生均匀放电等离子体，利用其对聚合物薄膜表面改性，可以解决困扰工业生产中发热、电极污染等问题。多层介质阻挡放电（MDBD）通过在电极之间插入不少于3层介质挡板的方法，纵向增加均匀放电等离子体区域体积及材料处理表面积，可以有效提高材料表面改性处理效率。本课题研究采用亚微秒单极性高压脉冲激励多层DBD，在常压空气、Ar、He等气体介质中实现较大体积均匀多层介质阻挡放电。. 测量常压空气条件下三层介质阻挡放电的电学特性，发现多层介质阻挡放电相较于传统单层或者双层介质阻挡放电，通常表现为单向放电，这将对聚合物材料表面改性过程中的电极污染问题提供简单而有效的解决办法；采用高速摄影的方法研究其放电时空演化规律，证实常压空气多层DBD的单向放电特性，以及多层气隙放电击穿的瞬态同步性质；在石英和陶瓷两种介质均获得常压大体积空气均匀多层介质阻挡放电，扩展了多层DBD的应用需求。. 采用高速相机测量常压Ar、He条件下三层DBD时空演化规律，发现其相较于常压空气条件下的MDBD，呈现出明显的阴极辉光区，判断其为大气压下的辉光放电，而空气条件下表现为大气压下的汤森或弥散放电。. 测量并获得Ar气条件下的发射光谱，采用热像仪测量并获得多层DBD重频放电过程中沿纵向的温度空间分布，发现放电等离子体工作温度接近室温，由于介质层损耗并累积存在整体温度略微提升。. 采用常压空气、Ar条件下的均匀多层DBD处理聚四氟乙烯（PTFE）薄膜材料，改善其表面亲水性，测量其改性前后水接触角，发现多层DBD与双层DBD对于PTFE材料具有相同的改性效果，但多层DBD可以同时处理多层薄膜，可以有效提高聚合物材料的改性效率。. 本课题的研究表明，脉冲激励多层DBD是获得常压下较大体积均匀放电等离子体的重要方法，采用介质材料将放电等离子体分段分区对于研究常压均匀放电（汤森或辉光放电）产生机制与物理机理具有重要意义。