本發(fā)明涉及一種等離子體射流裝置及抑制環(huán)氧樹脂表面電荷積聚的方法。

背景技術：

環(huán)氧樹脂及其摻雜材料因其具有良好的機械性能和電氣性能，被廣泛的應用在地板涂料、電力電子及航空航天等工業(yè)領域。尤其是在大容量直流輸電系統(tǒng)中，由于環(huán)氧樹脂材料具有優(yōu)異的力學性能和絕緣性能，因此氣體絕緣開關(GIS)的支撐絕緣子經(jīng)常采用環(huán)氧樹脂及其摻雜材料制成。但是，應用在高壓電器設備中的環(huán)氧樹脂材料，在高場強尤其是直流高場強下，其金屬導體/絕緣介質表面/氣體的三接觸面處極易積聚電荷，這會導致環(huán)氧樹脂表面電場畸變，易發(fā)生沿面閃絡，造成絕緣材料老化損傷，甚至發(fā)生事故。隨著大容量特高壓直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展建設，研制與電壓等級相匹配的絕緣材料已成為當前的研究熱點。

等離子體是固體、液體與氣體以外的物質第四態(tài)，它主要由電子、離子、原子、分子及活性自由基等組成，它的物理特性區(qū)別于常規(guī)的三態(tài)物質。從19世紀中葉起，人們已開始利用等離子體產(chǎn)生臭氧，目前大氣壓低溫等離子體已被廣泛的應用于臭氧合成、廢氣處理、輔助燃燒、流動控制、表面改性、醫(yī)用滅菌等多個領域。等離子體增強型化學氣相沉積(PECVD)是借助射頻或者脈沖等激發(fā)等離子體，使含有反應前驅物的氣體發(fā)生反應，在襯底表面沉積形成連續(xù)薄膜。PECVD經(jīng)常被用作在集成電路等半導體材料表面沉積SiO_x或者SiN_x的鈍化膜，而本方法則利用PECVD在環(huán)氧樹脂絕緣材料表面沉積類SiO₂薄膜。與有機性質的環(huán)氧樹脂材料相比，在表面沉積的無機性質的致密類SiO₂薄膜表面電導率更高，可以加快表面電荷的遷移，而且表面陷阱能級更淺，被俘獲的電荷易于脫陷。

現(xiàn)有研究與技術大多采用摻入填料如氧化鋁顆粒、微納米無機顆粒物，表面氟化，離子注入等方法來改善環(huán)氧樹脂材料的電學特性。申請公布號為CN 104774429 A的專利，申請了一種在制備過程中按環(huán)氧樹脂原料0.85～1.05份，電工用填料氧化鋁3.05～3.3份，甲基四氫苯酐固化劑1～1.1份的比例充分混合后，澆入模具中等待固化。添加氧化鋁顆粒后所得的環(huán)氧樹脂復合材料具有良好的耐熱性、韌性與機械強度，而且有較好的耐受直流電壓表面閃絡和內(nèi)部擊穿的能力，適用于GIS內(nèi)部絕緣件的制造。申請公布號為CN 103694636 A與CN 104327456 A的專利，分別選擇至少一種環(huán)氧樹脂、酸酐固化劑和微納米無機顆粒進行混合，制備一種絕緣環(huán)氧樹脂組合物。其中微納米無機顆粒組合物至少占環(huán)氧樹脂組合物重量百分比的60％，且通常選擇氧化硅(石英二氧化硅)等。這種環(huán)氧樹脂組合物可以抑制在特高壓直流輸電過程中產(chǎn)生的空間電荷集聚，另外還可以提高材料的體積電阻率和擊穿強度，而且具有良好的耐熱性能、機械性能及可加工性能。申請公布號為CN 102585165 A和CN 104371133 A的專利，分別在密閉的反應室中使用氟氣/惰性氣體的混合氣體對環(huán)氧樹脂及其復合材料進行氣相氟化處理。氣相氟化處理僅改變環(huán)氧樹脂材料表層的物理結構與化學組成，不改變其體組成、結構與物理化學特性。氟化處理可以抑制環(huán)氧樹脂材料表面電荷的積累，使電荷不能存儲在環(huán)氧樹脂材料的氟化層中，以提高環(huán)氧樹脂材料的閃絡電壓、電氣絕緣性能及表面抗靜電性能。申請公布號為CN 104446650 A的專利，利用電子回旋共振離子源(ECR源)引出的大面積均勻束，注入到聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷材料表面，對表面進行改性。N離子的注入深度在1202～2301埃，C離子的注入深度在1408～2725埃。在絕緣材料表面注入的N離子與C離子會使表面粗糙度、疏水性、電導率與表面結構均發(fā)生變化。注入的離子使聚合物表面發(fā)生分子鏈斷鏈、交聯(lián)和石墨化形成致密的交聯(lián)層，阻礙電荷的注入，提高擊穿場強，另外離子注入還可以填充表面勢能陷阱，降低俘獲電荷量。結果表明離子注入處理后的聚四氟乙烯材料的真空沿面閃絡電壓可以提高50％。

由上述總結可得，目前抑制表面電荷積聚、提升閃絡電壓的技術方法主要包括摻入填料如氧化鋁顆粒、微納米無機顆粒物，表面氟化，離子注入等。摻入填料或微納米無機顆粒物的方法需要在材料制備階段完成，對生產(chǎn)工藝技術要求較高，而且難以控制多種原料混合的均勻性。表面氟化中使用的氟氣有一定刺激性和毒性，產(chǎn)生的廢氣對環(huán)境存在一定的污染。離子注入方法中設備造價極高，不適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應用。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種等離子體射流裝置及抑制環(huán)氧樹脂表面電荷積聚的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種等離子體射流裝置，包括：

中空金屬毛細管，其豎直放置，所述中空金屬毛細管外部套有石英玻璃管，所述石英玻璃管與所述中空金屬毛細管組合為大氣壓等離子體射流的射流管；其中，所述中空金屬毛細管的頂端設于所述石英玻璃管的頂部上方，且所述中空金屬毛細管的頂端設有進氣口，所述中空金屬毛細管的底端與所述石英玻璃管的底部管口留有距離；所述中空金屬毛細管接高壓電源A，所述石英玻璃管上位于所述底部管口與中空金屬毛細管底端之間貼有貼片銅箔，用來接地；

加熱平臺，其位于所述射流管底部，所述加熱平臺上放置樣品，且所述加熱平臺接地；

氣路A和氣路B，其中，所述氣路A中的氣體作為載氣先通入裝有含Si反應前驅物的鼓泡瓶中，載氣將含Si反應前驅物帶出后再通入氣路C中，所述氣路B的氣體作為激發(fā)氣體通入氣路C中，所述氣路C內(nèi)的混合氣體通過所述中空金屬毛細管的進氣口通入所述中空金屬毛細管內(nèi)。

進一步的，所述中空金屬毛細管為不銹鋼制作，外徑為1.5mm，內(nèi)徑為1mm，長度為180mm。

進一步的，所述石英玻璃管外徑為4mm，內(nèi)徑為2mm，長度為180mm。

進一步的，所述中空金屬毛細管底端與所述石英玻璃管底部管口的距離為25mm。

進一步的，所述貼片銅箔寬度為10mm，且設于距離所述石英玻璃管的底部管口3mm處。

進一步的，所述高壓電源A為微秒脈沖電源、納秒脈沖電源或高頻高壓交流電源，優(yōu)選為微秒脈沖電源或納秒脈沖電源。

進一步的，所述氣路A和氣路B上均設有質量流量計。

進一步的，所述高壓電源A通過高壓探頭A接入數(shù)字示波器，用于測量電路的電壓值。

進一步的，地電極通過電流線圈接入所述數(shù)字示波器，用于測量電路的電流值。

一種利用所述的等離子體射流裝置抑制環(huán)氧樹脂表面電荷積聚的方法，包括以下步驟：

步驟1，清洗環(huán)氧樹脂樣品；

步驟2，架設大氣壓等離子體射流裝置：鋪設氣體氣路，將氣瓶、質量流量計、鼓泡瓶及射流管用橡膠軟管連接，并檢查所有氣路的氣密性；連接激發(fā)電路，將高壓電源A的高壓輸出端連接至射流管的中空金屬毛細管，將射流管的貼片銅箔及加熱平臺接地，并設置高壓探頭A、電流線圈及數(shù)字示波器以實時監(jiān)控電壓電流波形；

步驟3，將清洗后的環(huán)氧樹脂樣品放置到加熱平臺上，并預熱至60℃，調(diào)整射流管對準環(huán)氧樹脂樣品中心，且所述石英玻璃管的底部管口與環(huán)氧樹脂樣品之間的距離為10～15mm；

步驟4，調(diào)整氣路A中的載氣流量為100～500sccm，所述氣路B中的激發(fā)氣體流量為1～3slm，至所述鼓泡瓶內(nèi)有均勻氣泡冒出，射流管的底端管口有連續(xù)氣體吹出；

步驟5，調(diào)整高壓電源A的頻率為500Hz～2500Hz，電壓幅值為10kV～20kV，所述射流管內(nèi)產(chǎn)生均勻等離子體羽，對環(huán)氧樹脂樣品進行沉積處理60s。

進一步的，對所述環(huán)氧樹脂樣品沉積處理完成后，將處理后的環(huán)氧樹脂樣品靜置48h后，對其進行表面電位測量，以表征其表面電荷積聚及分布情況。

進一步的，鼓泡瓶內(nèi)裝有的含Si反應前驅物為六甲基二硅氧烷或八甲基環(huán)四硅氧烷以獲得憎水性有機類SiO₂薄膜，或為正硅酸四乙酯以獲得親水性無機類SiO₂薄膜，且優(yōu)選為正硅酸四乙酯。

進一步的，氣瓶內(nèi)的氣體為氦氣或氬氣。

進一步的，所述環(huán)氧樹脂樣品為方形薄板，大小為50×50mm，厚度為2～5mm。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明所公開的一種抑制環(huán)氧樹脂表面電荷積聚的方法，采用大氣壓等離子體射流(APPJ)結合等離子體增強型化學氣相沉積法(PECVD)在環(huán)氧樹脂表面沉積類SiO₂薄膜，具體的，利用大氣壓等離子體射流產(chǎn)生的低溫等離子體，使含Si反應前驅物正硅酸四乙酯反應并生成含Si基團在環(huán)氧樹脂表面沉積形成致密的類SiO₂薄膜，形成的類SiO₂薄膜可以有效地提升表面電導率，使表面陷阱能級變淺，以抑制表面電荷的積聚。所采用的等離子體射流裝置結構簡單，在大氣壓下即可進行，而且使用的含Si反應前驅物正硅酸四乙酯沒有毒性、價格低廉，對環(huán)境污染小，并且有效地降低了生產(chǎn)成本。另外，本發(fā)明可以通過控制放電功率、含Si反應前驅物濃度、處理時間、沉積位置等參數(shù)有效地控制沉積膜均勻性、面積與厚度。與已有的技術相比，本發(fā)明僅在材料表面沉積類SiO₂薄膜，并不影響材料本體的機械及電學性能。而且本發(fā)明簡便易行、效果持久、處理效率高、對環(huán)境影響小，因此適合于工業(yè)生產(chǎn)應用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述等離子體射流裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明所述表面電位測量裝置的結構示意圖；

圖3a～3c分別為實施例1中未處理的環(huán)氧樹脂材料樣品在撤壓0s、900s和1800s時的表面電位測量結果示意圖；

圖3d～3f分別為實施例2中沉積處理后的環(huán)氧樹脂材料樣品在撤壓0s、900s和1800s時的表面電位測量結果示意圖；

其中，1-高壓電源A，2-中空金屬毛細管，3-石英玻璃管，4-氣路C，5-加熱平臺，6-氣路A，7-氣瓶，8-質量流量計，9-氣路B，10-鼓泡瓶，11-貼片銅箔，12-有機玻璃腔，13-靜電電壓表，14-開關，15-地電極，16-高壓直流電源B，17-探頭B，18-樣品，19-平移臺，20-放電針電極。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

一種等離子體射流裝置，如圖1所示，包括：

中空金屬毛細管2，其豎直放置，所述中空金屬毛細管2外部套有石英玻璃管3，所述石英玻璃管3與所述中空金屬毛細管2組合為大氣壓等離子體射流的射流管；中空金屬毛細管2為不銹鋼制作，外徑為1.5mm，內(nèi)徑為1mm，長度為180mm；所述石英玻璃管3外徑為4mm，內(nèi)徑為2mm，長度為180mm。其中，所述中空金屬毛細管2的頂端設于所述石英玻璃管3的頂部上方，且所述中空金屬毛細管2的頂端設有進氣口，反應用混合氣體從中空金屬毛細管2頂端的進氣口直接注入。所述中空金屬毛細管2的底端與所述石英玻璃管3的底部管口留有25mm的距離；所述中空金屬毛細管2接高壓電源A1，所述石英玻璃管3上在距離所述石英玻璃管3的底部管口3mm處貼有寬度為10mm的貼片銅箔11，用來接地。等離子體產(chǎn)生于射流管底端，并被反應用混合氣體吹出射流管底端管口形成等離子體羽。

射流管也可選用內(nèi)徑為5mm的石英玻璃管3與直徑為2mm的實心金屬針組合而成，以獲得更大的處理面積。也可以將若干根射流管排列成一維或二維陣列，以擴大處理面積。

加熱平臺5，其位于所述射流管底部，所述加熱平臺5上放置環(huán)氧樹脂樣品，且所述加熱平臺5接地；

氣路A6和氣路B9，其中，所述氣路A6中的氣體作為載氣先通入裝有含Si反應前驅物的鼓泡瓶10中，載氣將含Si反應前驅物帶出后再通入氣路C4中，所述氣路B9的氣體作為激發(fā)氣體通入氣路C4中，所述氣路C4內(nèi)的混合氣體通過所述中空金屬毛細管2的進氣口通入所述中空金屬毛細管2內(nèi)。所述氣路A6和氣路B9上均設有質量流量計8。

所述高壓電源A1可為微秒脈沖電源、納秒脈沖電源或高頻高壓交流電源。

所述高壓電源A1通過高壓探頭A接入數(shù)字示波器，用于測量電路的電壓值；地電極通過電流線圈接入所述數(shù)字示波器，用于測量電路的電流值。

一種利用所述的等離子體射流裝置抑制環(huán)氧樹脂表面電荷積聚的方法，包括以下步驟：

步驟1，清洗環(huán)氧樹脂樣品，所述環(huán)氧樹脂樣品的原料配比選取用作GIS絕緣子的配方，其通過金屬模具澆注成方形薄板，大小為50×50mm，厚度為2mm。選取表面光潔均勻的環(huán)氧樹脂樣品，依次經(jīng)過無水乙醇、丙酮及去離子水擦拭清洗，然后放入超聲波清洗器中清洗10min，以便去除樣品表面的雜質與油污，最后將清洗過的樣品放入真空干燥箱中做烘干處理。在烘干過程中，設置箱內(nèi)溫度為60℃，并將箱內(nèi)抽氣至真空，烘干時間為6h。

步驟2，架設大氣壓等離子體射流裝置：鋪設氣體氣路，將氣瓶、質量流量計、鼓泡瓶及射流管用橡膠軟管連接，并檢查所有氣路的氣密性，確保沒有漏氣；連接激發(fā)電路，將高壓電源A的高壓輸出端連接至射流管的中空金屬毛細管，將射流管的貼片銅箔及加熱平臺接地，并設置高壓探頭A、電流線圈及數(shù)字示波器以實時監(jiān)控電壓電流波形，檢查整個電路是否接觸良好，確保各部分安全接地。

其中，所述鼓泡瓶10為500ml的防爆型玻璃鼓泡瓶，鼓泡瓶10內(nèi)裝有正硅酸四乙酯；所述正硅酸四乙酯的SiO₂含量≥28.4％。

氣瓶內(nèi)的氣體為氦氣或氬氣。

步驟3，將清洗后的環(huán)氧樹脂樣品放置到加熱平臺上，并預熱至60℃，調(diào)整射流管的位置，確保其對準環(huán)氧樹脂樣品中心，且所述石英玻璃管的底部管口與環(huán)氧樹脂樣品之間的距離為10～15mm，即射流等離子體羽的焰頭剛好接觸到樣品，不會灼燒樣品。

步驟4，調(diào)整氣路A中的載氣流量為100～500sccm，所述氣路B中的激發(fā)氣體流量為1～3slm，至所述鼓泡瓶內(nèi)有均勻氣泡冒出，射流管的底端管口有連續(xù)氣體吹出；

步驟5，調(diào)整高壓電源A的頻率為500Hz～2500Hz，電壓幅值為10kV～20kV，所述射流管內(nèi)產(chǎn)生均勻的等離子體羽且沒有細絲，對環(huán)氧樹脂樣品進行沉積處理60s。對所述環(huán)氧樹脂樣品沉積處理完成后，將處理后的環(huán)氧樹脂樣品靜置48h后，對其進行表面電位測量，以表征其表面電荷積聚及分布情況。

本發(fā)明所使用表面電位測量裝置如圖2所示，包括：

平移臺19，可以在兩個步進電機的推動作用下沿X軸與Y軸方向移動，平移臺19上放置樣品18；

放電針電極20和探頭B17分別設于所述平移臺19的上方；所述放電針電極20與樣品18表面距離為5mm，且所述放電針電極20與高壓直流電源B16連接；所述探頭B17與樣品18表面距離為2mm，所述探頭B17連接靜電電壓表13，所述靜電電壓表13為靜電電壓表Trek 347，測量數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡輸出并存儲在電腦上。所述平移臺19、放電針電極20和探頭B17均位于有機玻璃腔12內(nèi)。

整個充電與測量過程均在有機玻璃腔內(nèi)進行，保證腔內(nèi)溫度為20℃，相對濕度為40％。首先將樣品18平移到放電針電極20正下方，打開高壓直流電源B16施加5kV直流電壓，對樣品表面充電。充電1min后關閉高壓直流電源B16，將樣品18平移至探頭B正下方進行表面電位測量。在測量過程中，樣品18在步進電機的作用下呈Z字型往返經(jīng)過探頭B17下方，使探頭B17對樣品表面中心位置20×20mm范圍內(nèi)441個點的表面電位進行測量，并根據(jù)此繪制出剛撤壓時表面電位三維分布圖，整個掃描測量過程耗時210s。測量完成后，將樣品18平移至探頭B17與放電針電極20中間空曠位置靜置900s和1800s后，再將樣品18平移到探頭B17下方進行掃描測量，分別得到撤壓900s和1800s后的表面電位三維分布圖。由于樣品表面電荷密度近似正比于其表面電位值，因此表面電位的分布情況可以表征表面電荷的積聚與分布特性。

實施例1

使用所述表面電位測量裝置對未處理的環(huán)氧樹脂樣品表面電位進行測量，具體的，使用5kV直流電源充電1min后，分別對撤壓0s、撤壓900s和撤壓1800s這三個時刻下的表面電位進行掃描測量，其三維分布圖如圖3a～圖3c所示。在撤壓0s時，樣品表面電位分布呈圓錐狀分布，在靠近樣品中心位置有一個明顯的凸起，并沿徑向向四周減小，且電位最高點2426V在坐標(8,16)處。在撤壓900s及撤壓1800s后，表面電位分布仍呈圓錐狀分布，而且在撤壓的前900s內(nèi)表面電位衰減較快，在撤壓1800s后表面電位最高值為1105V，表明樣品表面仍有大量電荷積聚。

實施例2

采用大氣壓等離子體射流沉積處理2mm厚環(huán)氧樹脂樣品，設置放電電壓幅值18kV，重復頻率1500Hz，射流管口距離樣品表面10mm，惰性氣體選擇氬氣，載氣流量設為500sccm，激發(fā)氣體流量設為2slm，加熱平臺預熱至60℃，處理時間60s。

使用所述表面電位測量裝置對處理后的環(huán)氧樹脂樣品表面電位進行測量，具體的，使用5kV直流電源充電1min后，分別對撤壓0s、撤壓900s和撤壓1800s這三個時刻下的表面電位進行掃描測量，其三維分布圖如圖3d～圖3e所示。撤壓0s時，樣品表面電位分布近似呈均勻的傾斜平面，沿y坐標減小方向近似呈線性減小，即撤壓初始時刻表面電位迅速衰減。在撤壓900s和1800s后，其表面電位分布仍然為均勻的傾斜平面，但與撤壓0s時相比，其傾斜度變緩。結果表明，沉積處理可以有效抑制樣品表面電荷的積聚。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。