介質(zhì)阻擋放電等離子體在碳材料表面改性中的應(yīng)用

趙楠 張燕

摘要：近年來，等離子體技術(shù)在材料科學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境科學(xué)和冶金化工等領(lǐng)域的應(yīng)用十分活躍，低溫等離子體的一個(gè)重要研究方向是在催化劑領(lǐng)域的應(yīng)用。低溫等離子體表面處理技術(shù)既能改變碳材料的表面化學(xué)性質(zhì)，又能控制材料的界面物性，可以使碳材料表面組成發(fā)生明顯的變化，在碳材料的表面處理方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景?；诖?，本文主要對介質(zhì)阻擋放電等離子體在碳材料表面改性中的應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：介質(zhì)阻擋放電;等離子體;碳材料;表面改性;應(yīng)用

1、介質(zhì)阻擋放電等離子體的特性

DBD是一種兼有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運(yùn)行的特點(diǎn)，能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，是一種典型的非平衡態(tài)交流氣體放電。

1.1結(jié)構(gòu)類型

等離子體的發(fā)生方式有很多種，自然界中日光、雷電和極光等都可以產(chǎn)生等離子體。實(shí)驗(yàn)室中主要通過氣體放電、燃燒、激光和射線輻照等方式產(chǎn)生。電暈等離子體是大氣壓下，對近距離的兩電極施加交流電壓，使電極間的氣體被擊穿而產(chǎn)生的。輝光等離子體是在適當(dāng)?shù)偷臍鈮合拢┘右欢ǖ碾妷菏箽怏w擊穿而產(chǎn)生的。微波等離子體是將微波能量轉(zhuǎn)換為氣體分子的內(nèi)能，使之激發(fā)、電離而產(chǎn)生的等離子體。DBD等離子體是在兩個(gè)放電電極之中至少有一個(gè)被電介質(zhì)覆蓋，兩電極之間施加中頻高壓交流電，使得電極與介質(zhì)或介質(zhì)與介質(zhì)間隙的氣體產(chǎn)生放電擊穿而形成的等離子體。DBD是絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種氣體放電，介質(zhì)可以覆蓋在電極上，也可以懸掛在放電空間里。電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式多種多樣，既可以是平面型，也可以是圓柱型。在實(shí)際應(yīng)用中，圓柱型的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中，而平面型電極結(jié)構(gòu)則被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中。

1.2工作機(jī)理

DBD通常是由正弦波型的交流高壓電源驅(qū)動，隨著供給電壓的升高，系統(tǒng)中反應(yīng)氣體的狀態(tài)會經(jīng)歷三個(gè)階段的變化，即會由絕緣狀態(tài)逐漸至擊穿最后發(fā)生放電。電子從外加交流電場獲得足夠能量，與放電間隙中的氣體分子或原子發(fā)生非彈性碰撞并傳遞幾乎全部的能量，從而激勵氣體產(chǎn)生電子雪崩，生成大量空間電荷。它們聚集在雪崩頭部形成本征電場并疊加在外電場上同時(shí)對電子作用，雪崩中的部分高能電子將進(jìn)一步得到加速向陽極方向逃逸，由逃逸電子形成的擊穿通道使電子電荷有比電子遷移更快的速度，從而形成了往返于電極間的兩個(gè)電場波。這樣一個(gè)導(dǎo)電通道能非?？斓赝ㄟ^放電間隙形成大量微細(xì)絲狀的脈沖流光微放電，其均勻、散漫、穩(wěn)定地充滿整個(gè)放電間隙。氣體被擊穿、導(dǎo)電通道建立后，空間電荷在放電間隙中輸送并積累在介質(zhì)上。

積聚電荷產(chǎn)生一個(gè)與外加電場方向相反的附加電場。隨著電荷積聚量的增加，附加電場的作用增強(qiáng)，氣隙中總的電場強(qiáng)度下降。當(dāng)氣隙中的場強(qiáng)無法維持放電時(shí)，放電熄滅。外加電壓繼續(xù)升高，氣隙場強(qiáng)增大，放電重新開始。所以絕緣介質(zhì)在放電過程中起著非常重要的作用，它使放電均勻分布在整個(gè)放電空間，產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的大氣壓等離子體。同時(shí)由于絕緣介質(zhì)的存在，放電過程中形成的壁電荷有效地限制了放電電流的無限增長，避免在高氣壓下形成電弧放電或火花放電。DBD裝置中須使用交流電源，以使放電過程再次啟動。因此DBD是一個(gè)放電、熄滅、重新放電的瞬態(tài)過程，對該過程起決定性作用的為電子和重離子之間的非彈性碰撞。

2、DBD在碳材料表面改性中的應(yīng)用

DBD等離子體絕緣材料表面改性是DBD等離子體與材料表面相互作用的過程，包括等離子體物理和等離子體化學(xué)兩個(gè)過程。值得注意的是，惰性氣體產(chǎn)生的DBD等離子體中不含有反應(yīng)性粒子，因此用惰性氣體DBD進(jìn)行材料表面改性時(shí)，表面基團(tuán)的引入，主要是由于DBD等離子體作用后的材料在空氣中放置時(shí)，等離子體作用在材料表面產(chǎn)生的大分子自由基與空氣中的物質(zhì)結(jié)合而產(chǎn)生的。低溫等離子體在處理材料表面的過程中，高速電子使反應(yīng)分子激發(fā)、電離或斷裂成自由基碎片;正離子以及那些能與被處理材料表面某些基團(tuán)結(jié)合形成揮發(fā)性小分子物質(zhì)的中性原子對被處理材料表面有刻蝕作用;另外一些中性原子及自由基則在被處理材料表面形成沉積層。這些活性粒子與材料表面的相互作用包括：通過離子、電子、中性粒子、光子將能量傳遞給被吸附在固體表面的原子或分子，使它們克服吸附力（范德瓦爾斯力或化學(xué)鍵合力）而解吸離開固體表面;由于負(fù)電極或由于電子快速轟擊器壁表面，使器壁建立層電位而帶負(fù)電性，帶正電荷的粒子被吸引向負(fù)電性表面運(yùn)動，電子與正離子發(fā)生復(fù)合過程，復(fù)合中多余的能量由器壁帶走，并加速了復(fù)合過程;當(dāng)離子或中性粒子與固體表面作用時(shí)，入射粒子的動能通過碰撞級聯(lián)將能量傳遞給表面原子，使表面原子獲得超過結(jié)合能的動能而濺射，濺射粒子返回固體表面還會產(chǎn)生白濺射過程，降低材料表面的分子量;具有一定能量的電子、離子及中性粒子轟擊固體表面，打入固體內(nèi)部與固體內(nèi)原子結(jié)合，引起固體結(jié)構(gòu)的變化，增加材料表面的分子量;電弧或等離子體不穩(wěn)定性發(fā)作時(shí)會引起局部熱沉積和蒸發(fā);等離子體中粒子與表面原子或分子結(jié)合生成揮發(fā)性產(chǎn)物，這些產(chǎn)物從表面揮發(fā)掉而造成等離子體在材料表面的刻蝕。簡單概括低溫等離子體在改性過程中的作用，可以分為以下三個(gè)方面]。

（1）對材料表面的刻蝕作用

刻蝕可以將材料表面弱邊界除去，使材料表面產(chǎn)生起伏，變粗糙，并有鍵的斷裂，形成自由基。因?yàn)榭涛g作用，樣品表面粗化，形成許多坑洼，增大了樣品的比表面。同時(shí)表面粗糙化將使接觸角變小，從而有利于潤濕，此即表面粗糙化可提高濕潤性能的基本原理。

（2）交聯(lián)的產(chǎn)生

惰性氣體等離子體中的高能粒子包括電子、光子、激發(fā)態(tài)粒子、自由基等。通過轟擊或化學(xué)反應(yīng)，使材料表面的化學(xué)鍵斷裂，形成自由基。在無其他反應(yīng)物質(zhì)情況下，自由基之間重新鍵合，在材料表面形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)。在反應(yīng)過程中有雙鍵形成，從而使材料的力學(xué)性質(zhì)、表面性能改善。

（3）官能團(tuán)的引入

如果放電氣體為可反應(yīng)性氣體，在活化了的材料表面將會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。通過低溫等離子體處理在表面引入特定的官能團(tuán)，如羥基，OH，氨基.NH2，羧基.COOH，酞胺基.CONH等，它們對水分子有相當(dāng)?shù)挠H和能力。這類基團(tuán)數(shù)目越多，材料表面的親水性越強(qiáng)，吸濕能力越高。

3、結(jié)語

雖然DBD等離子體材料表面改性技術(shù)已取得一定進(jìn)展，在一些領(lǐng)域已經(jīng)獲得應(yīng)用并正向新的領(lǐng)域擴(kuò)展，但是至今人們對低溫等離子體與被改性的碳材料表面的作用機(jī)制尚無明確統(tǒng)一的認(rèn)識。這主要由于在等離子體物理、化學(xué)的基礎(chǔ)理論上存在許多地方還有疑問;低溫等離子體中存在的粒子的復(fù)雜多樣性導(dǎo)致其與碳材料表面的反應(yīng)復(fù)雜多變，而粒子的能量也在作用中不斷更新、衰落，反應(yīng)過程中過渡態(tài)的物質(zhì)更是千差萬別，而且這些反應(yīng)的中間產(chǎn)物無法用在線測試手段進(jìn)行直觀分析測試，無法明確低溫等離子體和表面發(fā)生反應(yīng)的過程和中間產(chǎn)物;影響低溫等離子體處理效果的因素很多，放電的氣體成分、外加激勵電壓的幅值和頻率、功率、氣體流量、電極的幾何形狀等都直接影響處理效果。

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