大气压冷等离子体刷放电特性及其在表面改性中的应用研究

Cold plasma brush can generate a kind of atmospheric-pressure plasma plume in open atmosphere, so that scale of the workpiece to be treated will not be confined by the discharge gap between electrodes. Therefore, it has application potentials in various fields such as surface modification, film deposition, sterilization, wound healing, and aircraft propulsion, etc. Compared with plasma jet, the plasma brush has an advantage of generating a uniform plasma plume with a larger scale. Hence, the cold plasma brush has become a hot issue in low-temperature plasma research. However, investigation of the plasma brush lags far behind that of the plasma jet, and there are some fundamental problems need to be clarified for the plasma brush. Based on our previous work, various kinds of plasma brushes will be proposed to generate plasma plumes with large scale in this project. Through electrical, optical and spectroscopic methods, many important physical problems will be studied for the large-scale plume including the discharge aspect, the discharge mode, the plasma parameter and the density of reactive species. By the combination of experimental investigation and numerical simulation, mechanisms of the uniform plume formation and their interactions will be made clear. As a result, the plume scale will be increased and the plume uniformity will be improved through varying the geometry of the discharge device and changing the experimental conditions. Using the plasma brush, surface modification with large scale will be investigated at last. Consequently, it can be found that this project has important significance to both theoretical research and its application of atmospheric pressure plasma plume.

冷等离子体刷可以在开放空气环境中产生等离子体羽，使得待处理样品尺度不受放电间隙限制，在表面改性、材料制备、杀菌消毒、伤口愈合、航天器推进等众多领域具有广泛的应用前景。与等离子体喷枪相比，冷等离子体刷更有望产生大尺度均匀等离子体羽，因此冷等离子体刷成为低温等离子体研究的热点之一。但关于冷等离子体刷的研究相对滞后，还有一些基本问题亟待解决。针对于此，在前期工作的基础上，本项目提出利用多种结构的放电装置产生大尺度刷形等离子体羽。采用电学、光学和光谱学等方法，研究冷等离子体刷的放电特性、放电模式、等离子体参数和活性粒子浓度等重要物理问题。通过实验研究和数值模拟相结合的手段，拟搞清楚不同结构等离子体刷中等离子体羽的形成机制和相互作用机制。不断优化装置结构和实验参数，实现等离子体羽尺度的突破和均匀性的改善。在此基础上，进行大面积表面改性研究。本项目对大气压等离子体羽的基础研究及其应用均具有重要意义。

等离子体射流可以在开放空间产生大气压等离子体羽，避免了真空装置，便于实现流水线生产。然而产生的等离子体羽直径通常较小，这不利于材料的大面积快速处理。利用射流阵列虽然可以在一定程度上扩展等离子体羽的横向尺度，但产生的等离子体目前在均匀性等方面还差强人意。因此，利用工作气体的流动，通过等离子体刷产生刷形（片状）等离子体羽，对低温等离子体应用而言具有重要意义。针对于此，本项目利用多种结构的放电装置实现了刷形等离子体羽尺度的突破。利用单针电极射流之间的相互作用，产生了大尺度刷形空气等离子体羽；利用悬浮电极，研制出了大尺度等离子体刷阵列，产生了尺度可以扩展的氩气等离子体羽；利用单电极射流，产生了双模式刷形等离子体羽，通过改变射流到刷形等离子体羽的距离，它可以工作于流光模式或丝状模式。除刷形等离子体羽外，实验还发现了其它形貌的等离子体羽，如弥散圆锥形、丝加晕形、念珠串状、空心锥状和蛇形等。采用光学方法，研究了不同模式等离子体羽中放电的传播过程，分析了定向流光、分叉流光及流光击穿后微放电通道的传播机理；利用发射光谱法研究了不同等离子体羽的电子激发温度、振动温度、气体温度、电子密度等参数的时空分布，进而优化了等离子体刷的运行参数。数值模研究了残余粒子对放电传播特性的影响。此外，利用研制的大尺度冷等离子体刷对多种材料实现了大面积表面改性处理，使其亲水性显著提高。相关成果在国内外重要刊物，如Appl. Phys. Lett.、 Plasma Sources Sci. Technol.、 Phys. Plasmas等，发表了一批高水平论文，其中JCR二区及以上18篇，SCI收录32篇。授权国家发明专利6件。多次在国内外重要的相关学术会议上报告最新研究成果。本项目的研究成果对进一步扩展大尺度大气压等离子体的空间尺度具有重要意义，并在一定程度上推动了低温等离子体的应用研究。