本發(fā)明屬于氣體放電等離子體生成技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種輝光放電等離子體生成裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，材料工程與科學(xué)領(lǐng)域在工業(yè)應(yīng)用中呈現(xiàn)出空前的發(fā)展前景。而材料表面改性作為一種改善材料表面屬性的新技術(shù)在材料科學(xué)與科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展中扮演著不可或缺的重要角色。所謂的表面改性技術(shù)(surfacemodifiedtechnique)是采用化學(xué)的、物理的方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)以提高機(jī)器零件或材料性能的一類熱處理技術(shù)。它包括化學(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等);表面涂層(低壓等離子噴涂、低壓電弧噴涂、激光重熔復(fù)合等薄膜鍍層、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等)和非金屬涂層技術(shù)等。這些用以強(qiáng)化零件或材料表面的技術(shù)，賦予零件耐高溫、防腐蝕、耐磨損、抗疲勞、防輻射、導(dǎo)電、導(dǎo)磁等各種新的特性。使原來(lái)在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作的零件，提高了可靠性、延長(zhǎng)了使用壽命，具有很大的經(jīng)濟(jì)意義和推廣價(jià)值。

而低溫等離子體技術(shù)作為一種新的表面改性手段，能快速、高效、無(wú)污染地改善材料的表面性能，賦予新的特征，同時(shí)又不改變材料的本體特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越被世界各國(guó)的研究人員所重視，等離子體表面處理是利用氣體放電產(chǎn)生的等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行物理和化學(xué)反應(yīng)。參與反應(yīng)的有激發(fā)態(tài)粒子、自由基和離子，也包括等離子體輻射紫外線的作用。通過(guò)表面反應(yīng)有可能在表面引入特定官能團(tuán)，產(chǎn)生表面活化和刻蝕，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)或生成表面自由基。這些作用一般不是單一的，往往某種作用為主，幾種作用并存。正是這些作用決定了等離子體表面處理的有效性。

應(yīng)用于材料表面處理的等離子體放電形式主要有電暈放電等離子體、低氣壓輝光放電等離子體、常規(guī)介質(zhì)阻擋間隙放電以及大氣壓輝光放電等離子體。其中，電暈放電等離子體放電極不均勻，放電功率低，導(dǎo)致對(duì)材料表面的改性不夠均勻，改性效果不佳；低氣壓輝光放電雖然放電均勻，對(duì)材料表面改性效果良好，但是必須配備必要的低氣壓設(shè)備，處理工序復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用；常規(guī)的板-板電極結(jié)構(gòu)、或者線-板電極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋放電雖然具有足夠的能量且可以在大氣壓空氣環(huán)境下對(duì)材料表面進(jìn)行連續(xù)處理，但放電不夠均勻，容易產(chǎn)生細(xì)絲狀的流注放電，從而引起放電處溫度局部過(guò)高，導(dǎo)致被處理材料局部灼傷或穿孔；而大氣壓輝光放電則可以避免上述問(wèn)題，放電均勻，功率適中，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，是進(jìn)行材料表面處理的最佳放電形式。但是，在大氣壓空氣條件下很難形成均勻穩(wěn)定的輝光放電等離子體。

目前，存在一些利用等離子體對(duì)材料進(jìn)行表面處理的發(fā)明專利。其中，公開(kāi)號(hào)為cn1932132a、名稱為紡織品和無(wú)紡布等離子體表面處理裝置的中國(guó)專利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種使用大氣壓空氣等離子體對(duì)纖維織物進(jìn)行表面處理的裝置，該專利采用的放電形式是一般意義上的介質(zhì)阻擋放電，高壓電極和接地電極間存在空氣間隙，且不含任何提供初始電子的結(jié)構(gòu)或者方法，放電電壓偏高，放電成細(xì)絲狀的流注放電，因而，在處理效果方面，由于放電為不均勻的流注放電，造成對(duì)材料表面的處理不夠均勻，且容易引起放電處溫度局部過(guò)高，導(dǎo)致被處理材料局部灼傷或穿孔。

公開(kāi)號(hào)cn203128919u、名稱為紡織品表面處理機(jī)的中國(guó)實(shí)用新型專利，采用的結(jié)構(gòu)與前述發(fā)明專利申請(qǐng)類似，也是采用絲狀放電的形式對(duì)表面織物進(jìn)行處理，cn02151228.0中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)，也是采用類似的間隔開(kāi)的電極，且不含任何提供初始電子的結(jié)構(gòu)或者方法，這種放電容易轉(zhuǎn)化為絲狀放電，造成對(duì)材料表面的處理不夠均勻，且容易引起放電處溫度局部過(guò)高，導(dǎo)致被處理材料局部灼傷或穿孔。

另外，單純從氣體放電領(lǐng)域來(lái)講，在現(xiàn)有的使用高頻電源和介質(zhì)阻擋放電方式生成大氣壓空氣均勻或者輝光放電等離子體的裝置中，其放電間隙一般不超過(guò)3mm,例如清華大學(xué)羅海云等在他們的論文“l(fā)uoh,liuk,ranj,etal.studyofdielectricbarriertownsenddischargein3-mmairgapatatmosphericpressure[j].plasmascienceieeetransactionson,2014,42(5):1211-1215.”使用特殊的鋁板作為阻擋介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了3mm的大氣壓空氣均勻放電，并宣稱在他們之前沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)“使用高頻電源實(shí)現(xiàn)氣隙寬度超過(guò)2mm的大氣壓空氣彌散介質(zhì)阻擋放電”的相應(yīng)研究。顯然，產(chǎn)生較寬氣隙的大氣壓均勻空氣放電對(duì)材料表面處理領(lǐng)域具有重要意義。

而對(duì)于現(xiàn)有的大氣壓等離子體射流生成裝置，其大多數(shù)采用惰性氣體來(lái)作為工作氣體。且為數(shù)不多的使用氮?dú)饣蛘呖諝獾确嵌栊詺怏w的大氣壓等離子體射流裝置的放電形式為局部電暈放電、絲狀放電或者電弧放電，很少有均勻的輝光放電，且其生成的射流直徑在亞毫米級(jí)別。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于在大氣壓空氣條件下產(chǎn)生較寬間隙的輝光放電等離子體，或者生成尺度較大的大氣壓非惰性氣體輝光放電等離子體射流，進(jìn)而對(duì)材料進(jìn)行表面處理。因此，提出一種在放電間隙提供均勻分布的初始電子來(lái)抑制絲狀放電的方法和基于此方法的一系列的帶有懸浮電極的電極結(jié)構(gòu)。這一系列的電極結(jié)構(gòu)的高壓電極和懸浮電極能夠跟隨處理物自由旋轉(zhuǎn)，可以在大氣壓空氣條件下產(chǎn)生較寬間隙的輝光放電等離子體或者大氣壓非惰性氣體輝光放電等離子體射流并能對(duì)材料表面進(jìn)行大面積連續(xù)處理的裝置。該裝置無(wú)需真空和密封設(shè)備，放電電壓低，放電均勻，并且擁有良好的改性效果。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種輝光放電等離子體生成裝置，可以用于材料表面處理，包括高壓電極103和懸浮電極104，所述高壓電極103與懸浮電極104的間距小于500μm；所述輝光放電等離子體生成裝置還包括接地電極101，高壓電極103和接地電極101之間設(shè)有氣體間隙105；接通電源后，高壓電極103和懸浮電極104之間的微小間隙放電，放電產(chǎn)生的電子為氣體間隙105提供初始放電電子，使存在一定電場(chǎng)強(qiáng)度的氣體間隙105在足夠多的初始電子的作用下產(chǎn)生均勻的輝光放電等離子體；將待處理的材料從氣體間隙105穿過(guò)，氣體間隙內(nèi)生成的輝光放電等離子體即對(duì)其進(jìn)行處理。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述待處理的材料為金屬材料、高分子材料或無(wú)機(jī)非金屬材料。

本發(fā)明還公開(kāi)了另一種輝光放電等離子體生成裝置，可以用于生成輝光放電等離子體射流，包括高壓電極103和懸浮電極104，所述高壓電極103與懸浮電極104的間距小于500μm；所述輝光放電等離子體生成裝置還包括接地電極101，高壓電極103和接地電極101之間設(shè)有氣體間隙105氣體間隙105形狀為圓形、橢圓形、多邊形或者不規(guī)則圖形；所述輝光放電等離子體生成裝置還包括噴氣裝置，噴氣裝置向氣體間隙105噴出氣流；接通電源后，高壓電極103和懸浮電極104之間的微小間隙放電，放電產(chǎn)生的電子為氣體間隙105提供初始放電電子，使存在一定電場(chǎng)強(qiáng)度的氣體間隙105在足夠多的初始電子的作用下產(chǎn)生均勻的輝光放電等離子體；氣流通過(guò)時(shí)，由氣體間隙內(nèi)生成的輝光放電等離子體在氣流的作用下，外側(cè)可以生成輝光放電等離子體射流。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述輝光放電等離子體生成裝置包括多組高壓電極103和懸浮電極104。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述電等離子體生成裝置包括多個(gè)高壓電極103和懸浮電極104，各個(gè)高壓電極103和懸浮電極104的間距小于500μm。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述懸浮電極104被連接到另外一個(gè)電源的高壓端，通過(guò)2個(gè)電源進(jìn)行供電，通過(guò)匹配高壓電極103和懸浮電極104之間的電壓差別來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體間隙的輝光放電。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述接地電極101的形狀為矩形狀、薄片狀、圓柱狀或者不規(guī)則形狀，材料為導(dǎo)電性能好的金屬材料或者碳纖維。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述輝光放電等離子體生成裝置還包括阻擋介質(zhì)102，所述阻擋介質(zhì)102位于接地電極101周圍或者包裹住接地電極101，外形為球狀、橢球狀、方形狀或者不規(guī)則形狀，阻擋介質(zhì)102的材料為聚四氟乙烯、硅橡膠、石英玻璃、玻璃、陶瓷或環(huán)氧乙烯的一種。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述高壓電極103為導(dǎo)電性能好的金屬材料或碳纖維制成的裸導(dǎo)體，或者為帶有絕緣層包裹的導(dǎo)線，所述絕緣層材料為聚四氟乙烯、硅橡膠，石英玻璃，玻璃，陶瓷或環(huán)氧乙烯。

進(jìn)一步的改進(jìn)，所述懸浮電極104為導(dǎo)電性能好的金屬材料或者碳纖維制成的裸導(dǎo)體，或者為帶有絕緣層包裹的導(dǎo)線，所述絕緣層材料為聚四氟乙烯、硅橡膠，石英玻璃，玻璃，陶瓷或環(huán)氧乙烯。

進(jìn)一步的改進(jìn)，工作電源為交流電源、脈沖電源或射頻電源；所述氣體間隙105內(nèi)的工作氣體為氦氣、氬氣、氮?dú)狻⒀鯕?、空氣、混合氣體、氣態(tài)化合物、氣態(tài)有機(jī)物和氣態(tài)無(wú)機(jī)物。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的一系列帶有懸浮電極的電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)高壓電極與懸浮電極之間的電壓差所產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)，在二者之間的亞毫米間隙內(nèi)首先放電產(chǎn)生足夠多的初始電子，這些均勻分布的初始電子在存在于高壓電極、懸浮電極和外側(cè)的接地電極間的較弱的電場(chǎng)作用下，在氣體間隙內(nèi)發(fā)生大量的電子雪崩，當(dāng)大量的電子雪崩連成一片時(shí)，放電變得均勻，從而在大氣壓空氣條件下形成了均勻的輝光放電。這種放電形式相較于一般的平行板電極或者線-板電極結(jié)構(gòu)的介質(zhì)阻擋間隙放電，放電電壓更低，處理更加均勻，避免了絲狀放電對(duì)被處理物產(chǎn)生燒蝕的現(xiàn)象；相較于傳統(tǒng)低氣壓輝光放電，省去了放電所需的真空設(shè)備，簡(jiǎn)化了處理裝置的結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本；通過(guò)采用旋轉(zhuǎn)電極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料的連續(xù)改性處理，提高了生產(chǎn)效率；在等離子體射流領(lǐng)域，相較于現(xiàn)有的大氣壓等離子體射流生成裝置，其采用氮?dú)饣蛘呖諝獾确嵌栊詺怏w，生產(chǎn)成本較低。

附圖說(shuō)明

當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，通過(guò)參照下面的詳細(xì)描述，能夠更完整更好地理解本發(fā)明以及容易得知其中許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，但此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，其中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的實(shí)驗(yàn)照片示意圖，其中圖2a為大氣壓空氣輝光放電等離子體照片，圖2b為圖2a中所對(duì)應(yīng)的電壓電流波形；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的橫剖面圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例4的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明其余實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例5的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖7（a）為大氣壓輝光放電等離子體射流生成裝置的三維結(jié)構(gòu)圖，圖7（b）為圖7（a）中所對(duì)應(yīng)的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

實(shí)施例1：

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；本發(fā)明的一種輝光放電等離子體生成裝置，包括接地電極101，阻擋介質(zhì)102，高壓電極103、懸浮電極104和氣體間隙105。其中，高壓電極103與懸浮電極104緊密接觸（或者有小于500μm的間隙）并與阻擋介質(zhì)102和接地電極101保持平行。該電極結(jié)構(gòu)接通電源后，高壓電極和懸浮電極之間的微小間隙先放電，放電產(chǎn)生的電子為氣體間隙105提供初始放電電子，使存在一定電場(chǎng)強(qiáng)度的氣體間隙105在足夠多的初始電子的作用下產(chǎn)生均勻的輝光放電等離子體。待處理的材料經(jīng)過(guò)此裝置的氣體間隙時(shí)，氣體間隙105內(nèi)生成的輝光放電等離子體就可以對(duì)其進(jìn)行有效地處理。

其中接地電極101為水平放置于阻擋介質(zhì)102上表面的銅片，接地電極也可以為2個(gè)，分別位于高壓電極的兩側(cè)，也可以根據(jù)需求設(shè)置更多的接地電極。阻擋介質(zhì)102為厚度為0.3mm的聚四氟乙烯板；高壓電極103為帶有聚四氟乙烯材料包裹的銅導(dǎo)線，其中聚四氟材料厚為0.065毫米，銅導(dǎo)線直徑為0.17毫米；懸浮電極104為帶有聚四氟乙烯材料包裹的銅導(dǎo)線，聚四氟材料厚為0.2毫米，銅導(dǎo)線直徑為0.6毫米；高壓電極103與懸浮電極104緊密接觸并與阻擋介質(zhì)102和接地電極101保持平行；氣體間隙105為2毫米。

圖2中，工作時(shí)，將本實(shí)例中所描述的高壓電極103和接地電極101分別接于電壓為0到10千伏可調(diào)，頻率為0到50千赫茲可調(diào)的交流電源的高壓端和接地端，將裝置放置在工作氣體環(huán)境中，在氣體間隙105內(nèi)產(chǎn)生較大面積的輝光放電等離子體，待處理的材料經(jīng)過(guò)此裝置的氣體間隙時(shí)，氣體間隙105內(nèi)生成的空氣輝光放電等離子體就可以對(duì)其進(jìn)行有效地處理。所述工作氣體可為氦氣、氬氣、氮?dú)?、氧氣、空氣、混合氣體、氣態(tài)化合物、氣態(tài)有機(jī)物和氣態(tài)無(wú)機(jī)物。

以大氣壓空氣為例，當(dāng)氣體間隙為2mm時(shí)，當(dāng)交流電源頻率為20千赫茲，電壓為4.4千伏時(shí)，在氣體間隙內(nèi)生成了均勻的空氣輝光放電等離子體，另外，其活性高，密度大，溫度略高于室溫，有利于對(duì)材料進(jìn)行表面改性。

圖2a是本實(shí)施例1在大氣壓空氣條件下，放電電壓為4.4千伏，頻率為20千赫茲條件下產(chǎn)生的大氣壓空氣輝光放電等離子體的照片。從圖中可以看出，氣體間隙內(nèi)的等離子體放電均勻，發(fā)光呈發(fā)散狀，屬于典型的輝光放電射流等離子體狀態(tài)。

圖2b是本實(shí)施例1在大氣壓空氣條件下，放電電壓為4.4千伏，頻率為20千赫茲條件下的放電電壓電流波形圖，圖中包括電壓波形圖和電流波形圖。從圖中可以看出，電壓為4.4千伏時(shí)，瞬時(shí)脈沖放電電流只有20毫安。本發(fā)明利用所述高壓電極與懸浮高壓電極交界處所形成的最大電場(chǎng)強(qiáng)度為整個(gè)放電空間提供初始電子，進(jìn)而降低起始放電電壓，實(shí)現(xiàn)輝光放電；懸浮電極在高壓電極的作用下會(huì)被感應(yīng)出一個(gè)略低于高壓電極，卻高于地電位的電位，從而在高壓電極、懸浮電極和接地電極之間形成了三種不同的電位，在氣體間隙內(nèi)形成了有利于輝光放電產(chǎn)生的電場(chǎng)分布；在外加電壓的作用下，高壓電極與懸浮電極之間的毫米間隙率先實(shí)現(xiàn)了輝光放電，其放電產(chǎn)生的帶電粒子可以作為氣體間隙的放電初始電電子，使其在較低電壓下產(chǎn)生均勻的輝光放電。通過(guò)圖2可以看出，氣體間隙內(nèi)的放電現(xiàn)象均勻穩(wěn)定，每次放電的電流脈沖數(shù)量極少，瞬時(shí)最大脈沖幅值為ma級(jí)別。這一種放電現(xiàn)象符合輝光放電電流的主要特征，可以認(rèn)為是輝光放電。工作電源為交流電源、脈沖電源或射頻電源。

實(shí)施例2：

如圖3所示，圖3位本發(fā)明結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。與實(shí)施例1區(qū)別在于高壓電極103與懸浮電極104均布設(shè)置2組以上，本實(shí)施例均布設(shè)置有3組，每組之間相隔一定的間距或者沒(méi)有間距；圖3中每組高壓電極與懸浮電極均相隔一定的間距。

工作過(guò)程與實(shí)施例1相同，此處不再贅述。

實(shí)施例3：

如圖4所示，本實(shí)施例其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于懸浮電極被連接到另外一個(gè)電源的高壓端。其通過(guò)2個(gè)電源對(duì)放電電極進(jìn)行供電，通過(guò)匹配高壓電極103和懸浮電極104之間的電壓差別來(lái)實(shí)現(xiàn)氣體間隙的輝光放電，工作過(guò)程與實(shí)施例1相同，此處不再贅述。

實(shí)施例4：

如圖5所示，本實(shí)施例其余結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，區(qū)別在于接地電極101和阻擋介質(zhì)103為不規(guī)則形狀，接地電極101埋于阻擋介質(zhì)103內(nèi)部，懸浮電極104與高壓電極103交替出現(xiàn)，工作過(guò)程與實(shí)施例1相同，此處不再贅述。

另外，所述接地電極101和阻擋介質(zhì)102在氣體間隙105周圍，接地電極101形狀為薄片狀、圓柱狀或者不規(guī)則形狀（如圖6所示）。

實(shí)施例5：

如圖7所示，本實(shí)施例是一種生成輝光放電等離子體射流的裝置。本實(shí)施例結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1類似，區(qū)別在于氣體間隙被做成能夠通氣的通孔，噴氣裝置向通孔噴射氣流。當(dāng)氣流通過(guò)通孔時(shí)，由氣體間隙內(nèi)生成的輝光放電等離子體在氣流的作用下，通孔外側(cè)可以生成輝光放電等離子體射流。以上其他實(shí)施例中闡述的輝光放電結(jié)構(gòu)也可以用于生成輝光放電等離子體射流，不再贅述。

所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。