空氣中多針-平板電極介質(zhì)阻塞放電特性研究

空氣中多針-平板電極介質(zhì)阻塞放電特性研究

1平板-平板dbd放電特性介質(zhì)阻抗放電（dap）也稱為噪波放電，是一種將氣體放電空間置于固體絕緣體的介質(zhì)。該放電在常壓下就能產(chǎn)生大量具有較高電子能量的化學(xué)反應(yīng)所需的活性粒子,十分適合于對材料進(jìn)行表面改性。近年來用DBD對材料表面進(jìn)行改性受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,并已在工業(yè)生產(chǎn)上獲得了初步的應(yīng)用[3～6]。目前國內(nèi)外的研究中大多采用的是平板-平板電極結(jié)構(gòu)或同軸線筒結(jié)構(gòu)的DBD。這種形式DBD的放電空間出現(xiàn)大量的時間上和空間上隨機分布的高強度的放電電流細(xì)絲,在進(jìn)行材料表面改性時,控制不當(dāng)容易使材料灼傷或穿孔,而且不適合對一些特殊形狀材料進(jìn)行表面處理。為克服平板-平板電極DBD的缺點,本文設(shè)計了一種多針-平板電極結(jié)構(gòu)的DBD,它既具有傳統(tǒng)DBD的特性,又具有針-板電極電暈放電的特性。本文測量了這種放電的放電特性,并與傳統(tǒng)的平板-平板DBD的放電特性進(jìn)行了比較。通過實驗研究了放電間隙距離、多針電極針的密度、阻擋介質(zhì)材料性質(zhì)等因素對多針-平板電極DBD放電功率的影響,以便在實際應(yīng)用中為優(yōu)化反應(yīng)器設(shè)計和提高放電效率提供參考。2設(shè)備和測量方法的實驗2.1平板電極結(jié)構(gòu)試驗本文采用的實驗裝置及其電氣接線如圖1所示。電極布置分別采用多針-平板結(jié)構(gòu)和平板-平板結(jié)構(gòu)。多針電極面積為20mm×20mm,8×8個不銹鋼針均勻地分布其上,針與針之間的距離為2.5mm,針尖直徑約為0.05mm。下電極面積為20mm×20mm的黃銅平板電極,介質(zhì)覆蓋在下電極表面,氣隙距離在1～30mm范圍內(nèi)可調(diào)。當(dāng)使用平板-平板電極結(jié)構(gòu)時,上電極換為同下電極面積相同的平板電極。電源由50Hz工頻變壓器產(chǎn)生,其最大輸出電壓為50kV,試驗中采用的記錄儀器是TDS3052示波器。試驗是在實驗室敞開的空氣環(huán)境下進(jìn)行的,試驗時的溫度為室溫(18℃),氣壓為95kPa。2.2放電電流的測量介質(zhì)阻擋放電裝置實際上是由放電電極、電介質(zhì)層、放電間隙構(gòu)成的有損耗電容器,在低頻下可以等效為阻容性負(fù)載,圖2為介質(zhì)阻擋放電裝置的等效電路圖,其中為介質(zhì)的等效電容,為氣隙的等效電容。放電電壓的波形由分壓器測得,其高壓臂電阻R1為60MΨ,低壓臂電阻R2為200kΨ,分壓比為300。放電電流由一個串接在放電回路中的r為100Ψ的無感電阻測得,由于選取電阻的阻值較小,不會對放電產(chǎn)生影響。電壓波形由示波器的CH1通道輸入,電流或電荷波形由CH2通道輸入。本文采用電壓—電荷李薩育圖形法測量放電功率,該方法的測量原理為:在放電反應(yīng)器的接地側(cè)串進(jìn)測量電容Cm,Cm兩端的的電壓為Vm,若放電輸送的電荷為Q,則流過回路的電流為I=dQ/dt=d(CmVm)/dt=CmdVm/dt,所以放電功率P為:如果把分壓器測得的電壓V和Cm兩端的電壓Vm分別加到示波器的CH1和CH2通道,則可以得到一條閉合曲線;由于Vm正比于電荷Q,所以該圖形通常稱作電壓—電荷李薩育圖形,其形狀近似為平行四邊形。閉合曲線內(nèi)所圍的面積A同放電功率成正比,這樣可求得放電功率。實驗時注意測量電容Cm的選取,要以不影響放電反應(yīng)器工作和方便測量Cm的電壓為原則,本文選取的Cm的值為2nF。3比較負(fù)載性能3.1放電電流脈沖的特性圖3給出了多針-平板DBD的電壓電流波形和電壓-電荷李薩育圖形。試驗條件為:氣隙距離3mm,玻璃介質(zhì)(厚度3mm),電源電壓10kV。由圖3a可以看出,多針-平板DBD的電流波形在電壓的正負(fù)半周表現(xiàn)出不對稱性。放電電流脈沖在電壓的正半周期的幅值較大,但比較稀疏。而在電壓的負(fù)半周期放電電流脈沖的幅值長短不一,且幅值均低于正半周期,其特征表現(xiàn)為DBD和電暈放電相疊加的效果,其中相對短小而密集的脈沖為電暈放電電流產(chǎn)生的脈沖,而幅值相對較大的脈沖則為DBD放電電流產(chǎn)生的脈沖。這種特征主要是因為針板電極放電為非均勻電場放電,故在電壓的正負(fù)半周期電流表現(xiàn)為不同的形式,由于介質(zhì)引入放電空間使這種放電又具有DBD放電的特征。因此這種形式的放電既有傳統(tǒng)的DBD的特點,又具有針-板電極電暈放電的特點。3.2多針-平板電極放電結(jié)果圖4給出了在與圖3相同的實驗條件下測得的平板-平板DBD的電壓電流波形和電壓-電荷李薩育圖形。比較圖4a和圖3a可以明顯地看出,在相同的放電條件下多針-平板電極DBD比平板-平板電極DBD強烈的多。利用圖3b和圖4b中的李薩育圖形,由公式(1)可求得多針-平板電極DBD的放電功率為21.6mW,而平板-平板電極DBD的放電功率為18.68mW。由此可以看出,在相同條件下多針-平板電極DBD的放電功率要大于平板-平板電極DBD的放電功率。在相同的實驗條件下(玻璃介質(zhì),氣隙距離為3mm)分別采用多針-平板電極和平板電極進(jìn)行放電實驗。試驗測得,多針-平板電極DBD的起始放電電壓只有3.5kV,平板-平板電極DBD的起始放電電壓高達(dá)7.5kV。當(dāng)外加電壓均為10kV時,多針-平板電極放電比較穩(wěn)定、均勻,在暗室中可以觀察到放電空間內(nèi)每個針尖下均為一穩(wěn)定的圓錐形粒子束,如圖5a拍攝的放電照片所示。而采用平板-平板電極DBD時,在暗室中可以看到放電空間內(nèi)是隨機出現(xiàn)的一些明亮的、跳動的細(xì)絲,如圖5b所示。4影響多針斷裂帶的因素研究4.1不同氣隙距離時放電功率的變化采用2mm厚的聚四氟乙烯作為阻擋介質(zhì),在不同的氣隙距離下測量多針-平板DBD放電功率。圖6給出不同外加電壓下,放電功率隨氣隙距離變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,當(dāng)氣隙距離相同時,放電功率隨著外加電壓的升高而增大。同一氣隙距離下,外加電壓為15kV時放電功率最大,外加電壓為12.5kV時次之,外加電壓為8kV時放電功率最小。外加電壓固定,放電功率則隨氣隙距離的增加而減小。這是因為在外加電壓一定時,隨著氣隙距離的增大,氣隙中的場強減小,同時放電的起始電壓也將提高,因此氣隙中的放電減弱,測量到的放電功率降低。4.2加壓機功率隨加壓電壓的關(guān)系在氣隙距離保持為1cm時,采用2mm厚的聚四氟乙烯作為阻擋介質(zhì),分別用16針電極(4個/cm2)和64針電極(16個/cm2)進(jìn)行實驗。圖7給出了這兩種針密度下的放電功率隨外加電壓變化的關(guān)系曲線。由圖可以看出兩條曲線十分接近,這說明針的密度對放電功率的影響不大,因此在材料進(jìn)行表面處理時可以采用較大密度的針電極使材料表面處理更加均勻。從圖中還可以看到,相同電壓下16針電極比64針電極放電功率要稍大一些;這是因為16針電極針的密度比64針電極針的密度要小,導(dǎo)致16針電極比64針電極的放電空間內(nèi)的電場更加不均勻,更易產(chǎn)生電暈放電,消耗一定的能量,所以放電功率要大一些。4.3加電壓對放電功率的影響保持氣隙距離為3mm不變,選用不同的材料作為阻擋介質(zhì),材料的選擇見表1所示。圖8是三種不同介質(zhì)作為阻擋層時,測量得到的放電功率隨外加電壓變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出,當(dāng)外加電壓較低時三種材料的放電功率比較接近,這是因為當(dāng)電壓較低時放電空間主要以電暈放電為主,放電還未完全貫穿整個氣隙空間,因此材料的性質(zhì)影響不大。在較高的外加電壓下,三種材料的放電功率差別較大。在相同電壓下介電常數(shù)最大的玻璃作為阻擋介質(zhì)時消耗的放電功率最大,環(huán)氧介質(zhì)次之,聚四氟乙烯最小。這是因為介質(zhì)等效電容Cd是一個與介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān)的量,即Cd∝εr/ld。當(dāng)保持介質(zhì)厚度ld和氣隙距離固定時,隨著εr的增大Cd也將增大,而氣隙等效電容Cg不變,故Cg兩端的電壓升高,即氣隙中場強變大,放電劇烈,消耗的放電功率增加。5表面改性電導(dǎo)率低、放電功率(1)多針-平板電極DBD既具有傳統(tǒng)介質(zhì)阻擋放電的特性,又具有針—板電極電暈放電的特性。與平板-平板電極DBD相比在相同條件下具有起始電壓低、放電功率大的特點;用在材料表面改性