介質阻擋放電等離子體在碳材料表面改性中的應用

趙楠 張燕

摘要：近年來，等離子體技術在材料科學、生物學、環境科學和冶金化工等領域的應用十分活躍，低溫等離子體的一個重要研究方向是在催化劑領域的應用。低溫等離子體表面處理技術既能改變碳材料的表面化學性質，又能控制材料的界面物性，可以使碳材料表面組成發生明顯的變化，在碳材料的表面處理方面顯示出廣闊的應用前景。基于此，本文主要對介質阻擋放電等離子體在碳材料表面改性中的應用進行分析探討。

關鍵詞：介質阻擋放電;等離子體;碳材料;表面改性;應用

1、介質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行的特點，能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內工作，是一種典型的非平衡態交流氣體放電。

1.1結構類型

等離子體的發生方式有很多種，自然界中日光、雷電和極光等都可以產生等離子體。實驗室中主要通過氣體放電、燃燒、激光和射線輻照等方式產生。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生的。輝光等離子體是在適當低的氣壓下，施加一定的電壓使氣體擊穿而產生的。微波等離子體是將微波能量轉換為氣體分子的內能，使之激發、電離而產生的等離子體。DBD等離子體是在兩個放電電極之中至少有一個被電介質覆蓋，兩電極之間施加中頻高壓交流電，使得電極與介質或介質與介質間隙的氣體產生放電擊穿而形成的等離子體。DBD是絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電，介質可以覆蓋在電極上，也可以懸掛在放電空間里。電極結構的設計形式多種多樣，既可以是平面型，也可以是圓柱型。在實際應用中，圓柱型的電極結構被廣泛的應用于各種化學反應器中，而平面型電極結構則被廣泛的應用于工業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工作機理

DBD通常是由正弦波型的交流高壓電源驅動，隨著供給電壓的升高，系統中反應氣體的狀態會經歷三個階段的變化，即會由絕緣狀態逐漸至擊穿最后發生放電。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生非彈性碰撞并傳遞幾乎全部的能量，從而激勵氣體產生電子雪崩，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對電子作用，雪崩中的部分高能電子將進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電場波。這樣一個導電通道能非常快地通過放電間隙形成大量微細絲狀的脈沖流光微放電，其均勻、散漫、穩定地充滿整個放電間隙。氣體被擊穿、導電通道建立后，空間電荷在放電間隙中輸送并積累在介質上。

積聚電荷產生一個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，氣隙中總的電場強度下降。當氣隙中的場強無法維持放電時，放電熄滅。外加電壓繼續升高，氣隙場強增大，放電重新開始。所以絕緣介質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放電空間，產生穩定均勻的大氣壓等離子體。同時由于絕緣介質的存在，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是一個放電、熄滅、重新放電的瞬態過程，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兩個過程。值得注意的是，惰性氣體產生的DBD等離子體中不含有反應性粒子，因此用惰性氣體DBD進行材料表面改性時，表面基團的引入，主要是由于DBD等離子體作用后的材料在空氣中放置時，等離子體作用在材料表面產生的大分子自由基與空氣中的物質結合而產生的。低溫等離子體在處理材料表面的過程中，高速電子使反應分子激發、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結合形成揮發性小分子物質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鍵合力）而解吸離開固體表面;由于負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電性，帶正電荷的粒子被吸引向負電性表面運動，電子與正離子發生復合過程，復合中多余的能量由器壁帶走，并加速了復合過程;當離子或中性粒子與固體表面作用時，入射粒子的動能通過碰撞級聯將能量傳遞給表面原子，使表面原子獲得超過結合能的動能而濺射，濺射粒子返回固體表面還會產生白濺射過程，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，打入固體內部與固體內原子結合，引起固體結構的變化，增加材料表面的分子量;電弧或等離子體不穩定性發作時會引起局部熱沉積和蒸發;等離子體中粒子與表面原子或分子結合生成揮發性產物，這些產物從表面揮發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，使材料表面產生起伏，變粗糙，并有鍵的斷裂，形成自由基。因為刻蝕作用，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）交聯的產生

惰性氣體等離子體中的高能粒子包括電子、光子、激發態粒子、自由基等。通過轟擊或化學反應，使材料表面的化學鍵斷裂，形成自由基。在無其他反應物質情況下，自由基之間重新鍵合，在材料表面形成網狀交聯結構。在反應過程中有雙鍵形成，從而使材料的力學性質、表面性能改善。

（3）官能團的引入

如果放電氣體為可反應性氣體，在活化了的材料表面將會發生復雜的化學反應。通過低溫等離子體處理在表面引入特定的官能團，如羥基，OH，氨基.NH2，羧基.COOH，酞胺基.CONH等，它們對水分子有相當的親和能力。這類基團數目越多，材料表面的親水性越強，吸濕能力越高。

3、結語

雖然DBD等離子體材料表面改性技術已取得一定進展，在一些領域已經獲得應用并正向新的領域擴展，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制尚無明確統一的認識。這主要由于在等離子體物理、化學的基礎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雜多樣性導致其與碳材料表面的反應復雜多變，而粒子的能量也在作用中不斷更新、衰落，反應過程中過渡態的物質更是千差萬別，而且這些反應的中間產物無法用在線測試手段進行直觀分析測試，無法明確低溫等離子體和表面發生反應的過程和中間產物;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。

參考文獻：

[1]李天鳴，閆光緒，郭紹輝.低溫等離子體放電技術應用研究進展[J].石化技術，2007，14（2）：59-62.

[2]楊寬輝，王保偉，許根慧.介質阻擋放電等離子體特性及其在化工中的應用[J].化工學報，2007，58（7）：1609-1616.

[3]蔡憶昔，劉志楠，趙衛東，等.介質阻擋放電特性及其影響因素[J].江蘇大學學報（自然科學版），2005，26（6）：476-479.