空氣中多針-平板電極介質阻塞放電特性研究

1平板-平板dbd放電特性介質阻抗放電（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。該放電在常壓下就能產生大量具有較高電子能量的化學反應所需的活性粒子,十分適合于對材料進行表面改性。近年來用DBD對材料表面進行改性受到了國內外學者的廣泛關注,并已在工業生產上獲得了初步的應用[3～6]。目前國內外的研究中大多采用的是平板-平板電極結構或同軸線筒結構的DBD。這種形式DBD的放電空間出現大量的時間上和空間上隨機分布的高強度的放電電流細絲,在進行材料表面改性時,控制不當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行表面處理。為克服平板-平板電極DBD的缺點,本文設計了一種多針-平板電極結構的DBD,它既具有傳統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,并與傳統的平板-平板DBD的放電特性進行了比較。通過實驗研究了放電間隙距離、多針電極針的密度、阻擋介質材料性質等因素對多針-平板電極DBD放電功率的影響,以便在實際應用中為優化反應器設計和提高放電效率提供參考。2設備和測量方法的實驗2.1平板電極結構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-平板結構和平板-平板結構。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,介質覆蓋在下電極表面,氣隙距離在1～30mm范圍內可調。當使用平板-平板電極結構時,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境下進行的,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阻擋放電裝置實際上是由放電電極、電介質層、放電間隙構成的有損耗電容器,在低頻下可以等效為阻容性負載,圖2為介質阻擋放電裝置的等效電路圖,其中為介質的等效電容,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:在放電反應器的接地側串進測量電容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(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半周表現出不對稱性。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生的脈沖,而幅值相對較大的脈沖則為DBD放電電流產生的脈沖。這種特征主要是因為針板電極放電為非均勻電場放電,故在電壓的正負半周期電流表現為不同的形式,由于介質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,氣隙距離為3mm)分別采用多針-平板電極和平板電極進行放電實驗。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7.5kV。當外加電壓均為10kV時,多針-平板電極放電比較穩定、均勻,在暗室中可以觀察到放電空間內每個針尖下均為一穩定的圓錐形粒子束,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是隨機出現的一些明亮的、跳動的細絲,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,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系曲線。從圖中可以看出,當氣隙距離相同時,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,分別用16針電極(4個/cm2)和64針電極(16個/cm2)進行實驗。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,導致16針電極比64針電極的放電空間內的電場更加不均勻,更易產生電暈放電,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,材料的選擇見表1所示。圖8是三種不同介質作為阻擋層時,測量得到的放電功率隨外加電壓變化的關系曲線。從圖中可以看出,當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最大的玻璃作為阻擋介質時消耗的放電功率最大,環氧介質次之,聚四氟乙烯最小。這是因為介質等效電容Cd是一個與介質的介電常數εr有關的量,即Cd∝εr/ld。當保持介質厚度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表面改性電導率低、放電功率(1)多針-平板電極DBD既具有傳統介質阻擋放電的特性,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