CN111918472B - 以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器属于介质阻挡放电等离子体发生器领域，其特征在于，以铝合金弹力弹簧和流体封闭在一起构成的流体型介质阻挡放电电极代替了由不易弯曲的金属放电电极和固体介质阻挡材料组成的固体型介质阻挡放电电极，所述流体是指处理材料表面时所需活性离子的溶液或其喷雾流，以解决等离子体均匀性不足甚至产生丝状放电的问题；经化学腐蚀工艺得到的镂空掩膜层贴附于被处理物体表面，其中的镂空图案与待处理表面位置区域、面积、形状相一致，以解决等离子体束处理不同需求的物体表面时无法调整等离子体束作用参数的问题，从而实现了应用的普适性和特殊性。

Description

以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器

技术领域

以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器属于柔性平板介质阻挡放电等离子体发生器领域，尤其涉及用于材料表面改性和处理的柔性平板介质阻挡放电式等离子体发生器领域。

技术背景

在等离子体材料表面改性与处理领域，被处理材料表面，在宏观上近似于有一定弯曲度(如凸起或下陷)的平板，微观上大部分材料的被处理表面是一个非平整的面，其纵截面为不规则锯齿状。根据被处理材料本身化学组成成分和表面处理工艺的不同，在面对不同种类的表面处理时，放电等离子体强度及其内部活性粒子的组成成份也各不同，如用于表面改性的等离子体与用于表面沉积的等离子体，其活性基团的组成不同。目前广泛采用的介质阻挡放电等离子体发生器技术，其介质阻挡放电高压电极一般由金属放电电极和固体介质阻挡材料组合而成，如把金属放电电极埋在固体介质阻挡材料之中，或在固体介质阻挡放电平板上加装矩阵形式的水电极以用于产生大面积平板沿面放电，所述水电极是把金属针状高压电极直接插入装水的U形管中，见公开号为CN103025040A的中国专利，其共同缺点是：(1)其等离子体发生器本身无法适应被处理物体表面有不同弯度的要求，一是：金属放电电极一般采用金属针电极或金属条状电极，其抗弯强度低，易于损坏。二是：作用于被处理表面的等离子体分布不均匀，易产生高能量的弧光或丝状放电，进而损伤被处理物表面，且有的等离子体发生器为固定结构，本身无法弯曲，如上述专利中提及的水电极。(2)固体介质阻挡材料组成的等离子体发生器，其介质阻挡材料的介电常数已经确定，在面向不同的被处理材料时，只能借助于电源参数的改变或调配不同浓度的混合气体以达到不同被处理材料需要不同等离子体强度的处理要求。(3)固定结构的等离子体发生器在面对不同种类的表面处理时，无法调控放电等离子体内部活性基团的组成成份。

本发明提出了一种以铝合金弹力弹簧为金属放电单元，以栅状形式排列的具有高抗弯强度的金属放电电极，以掺入了不同活性离子的“溶液”作为介质阻挡放电的介质材质，栅状排列的金属放电电极以平行于待处理物表面的形式完全浸入到离子溶液中，从而形成了介质阻挡层的介电常数可调的柔性平板型介质阻挡放电等离子体发生装置，再以掺有活性物质的离子喷雾流作为介质阻挡放电中“气-液”两相放电的工质，解决了上述三个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，为在用介质阻挡放电技术产生的等离子体处理任何物体表面时，提供一种由可弯曲的金属放电电极和密闭在水囊袋中作为介质阻挡材料的离子“溶液”共同组成的柔性平板型介质阻挡放电等离子体发生器。同时，也提供了一种放置在被处理材料表面的刻有对应于被处理物体表面等离子体作用区域的镂空图案的绝缘薄膜，所述镂空图案由掩膜化学腐蚀工艺得到，以解决依据不同的物体表面处理的要求来改变输出等离子体束的作用区域位置、面积以及形状，以提供一种可变几何参数的等离子体发生器。上述两者相结合，解决了平板等离子体发生器在处理物体表面时的特殊需求和一般需求的问题。

本发明的特征在于，以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器包括：固定层1、流体型介质阻挡放电电极层、可调等离子体腔体3以及贴附于被处理物体表面的镂空掩膜4，其中：

所述固定层1，是一块可弯曲的弹性绝缘橡胶板，上端面开有纵向流体进水口11和流体出水口12，下端面开设与水囊相对应的凹槽；

所述流体型介质阻挡放电电极层，是由外壳21和流体介质阻挡放电电极层组成，其中：

所述外壳21，是一个横截面为任意形状的中空环形体，由可弯曲的弹性绝缘材料制成，其上端面与所述固定层1的环状下端面粘接，左侧端面沿水平方向开设有高压电源接线孔，右侧面接地；

所述流体型介质阻挡放电电极层，是由金属放电电极、用于浸没所述金属放电电极的流体23和密闭水囊24共同组成，其中：

所述金属放电电极是一个栅状电极，由连接高压电源接线柱224的左金属拉伸杆221、连接接地端的右金属拉伸杆222以及连接在两拉伸杆之间的至少一个以上等间距排列的铝合金弹力弹簧223组合而成，且与被处理物体表面平行安装；

所述流体23，是掺入所需活性离子的混合水溶液，简称离子溶液，根据掺入活性离子的种类和浓度调节所述离子溶液的整体电导率；

所述离子溶液用一种带有相同活性离子的离子喷雾流代替，所述离子喷雾流通过流体进水口(11)输入到所述密闭水囊(24)时，作为介质阻挡放电中流体型介质；所述离子喷雾流通过工质气体进气孔(31)输入到所述可调等离子体腔体(3)时，就作为介质阻挡放电中“气-液”两相放电的工质，以达到增强等离子体强度和调整等离子体中活性基团种类的目的；

所述离子喷雾流，是所述离子溶液经高压喷头、低压雾化或超声震动中至少一种方法形成的；

所述密闭水囊24，是由柔性导电橡胶制成的密闭储水囊袋241，左右两侧设有可供电源线通过的绝缘橡胶密闭塞242，所述密闭水囊24上端面与所述固定层1的下端面连接，侧面与所述外壳21的内侧面环形连接；

所述可调等离子体腔体3，是由弹性材料制作的环形橡胶圈，其内侧面设有锯齿形凸起，与所述外壳21的外侧面的锯齿形凹陷紧密配合，通过调节锯齿的咬合位置达到等离子体放电腔高度可调的目的，所述可调等离子体腔体3侧面开有工质气体进气孔31。

所述贴附于被处理物体表面的镂空掩膜4，是一片可弯曲的弹性绝缘橡胶膜，贴附于被处理物表面，中间部分有至少一个用掩膜工艺化学腐蚀后形成的镂空图案41，所述镂空图案41在形状上与被处理物体表面上用线条图表示的等离子体束作用区域位置、形状相一致。

本发明的优势在于，解决了采用固体介质阻挡材料结构的等离子体发生装置普遍存在的两个缺陷：解决了介质阻挡放电等离子体发生器中介质层的介电常数的调节问题，弥补了大气压开放环境中等离子体发生器无法调整输出等离子体束的作用区域、位置、面积和形状以适应在等离子体处理物体表面时对输出等离子体束输出几何参数的不同需求的问题缺陷。

附图说明

图1柔性平板等离子体发生器纵剖视图。

图2栅状金属放电电极俯视图。

附图标注记作如下：

1、固定层；11、流体进水口；12、流体出水口；

21、外壳；221、左金属拉伸杆；222、右金属拉伸杆；223、铝合金弹力弹簧；224、高压电源接线柱；23、流体；24、密闭水囊；241、密闭储水囊袋；242、绝缘橡胶密闭塞；

3、可调等离子体腔体；31、工质气体进气孔；

4、贴附于被处理物体表面的镂空掩膜；41、镂空图案。

具体实施方式

在等离子体材料表面改性与处理领域，被处理材料表面，在宏观上近似于有一定弯曲度(如凸起或下陷)的平板，微观上大部分材料的被处理表面是一个非平整的面，其纵截面为不规则锯齿状。根据被处理材料本身化学组成成分和表面处理工艺的不同，在面向不同种类的表面处理时，等离子体中活性基团的组成成份也各不同。

针对上述现实要求，本发明在等离子体发生器顶部设置固定层，固定层上端面开设有流体的进水口和出水口，下端面有与水囊形状相对应的凹槽。所述固定层为柔性绝缘材料聚二甲基硅氧烷，其柔韧性、绝缘性、可塑性和生物相容性较好，在等离子体材料表面处理过程中，大大降低了对材料表面平整度和材料外观轮廓的要求，在实际应用过程中具有很好的实用性。

针对上述现实要求，本发明基于流体介质阻挡材料设计了流体型介质阻挡放电电极层，所述流体型介质阻挡放电电极层，是由外壳和流体介质阻挡放电电极层组成，其中，外壳是一个横截面为任意形状的中空环形体，由可弯曲的弹性绝缘材料(包括高弹橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺等)制成，其上端面与所述固定层的环状下端面粘接，左侧端面沿水平方向开设有电源接线柱，右侧面接地；实际工作中，在采用高频交流电源和以离子水溶液为介质材料的工况下，电压峰峰值在5～7kV的范围、电源频率约为9kHz时即可在发生器底部可调等离子体腔内产生等离子体，此时电流峰值小于10mA，电流较小，避免在处理热敏感材料时出现热损伤。在采用离子喷雾流作为介质阻挡放电的介质时，所需电压幅值相应增高，但电流峰值依旧小于10mA，不会在被处理物体表面产生不可控损伤。

其中，流体介质阻挡放电电极，是由金属放电电极、密闭水囊和用于浸没所述金属放电电极的离子“溶液”共同组成，所述金属放电电极是一个由铝合金弹力弹簧按照栅状等间距排列而成的金属电极，且与物体被处理表面平行安装，两侧分别连接电源接线柱和外壳接地端；栅状弹簧金属电极的存在解决了金属电极在面对弯曲被处理表面时不可拉伸、不可扭转及无法贴合被处理物表面等问题。

所述密闭水囊，是由柔性导电橡胶制成的密闭储水囊袋，左右两侧设有可供电源线通过的绝缘橡胶密闭塞，所述密闭水囊上端面与所述固定层的下端面连接，环状侧面与所述外壳的内侧面环形连接。

所述流体，是掺入所需活性离子的混合水溶液，简称离子溶液，根据掺入活性离子的种类和浓度调节所述离子溶液的整体电导率；所述离子溶液为水溶液形态，水溶液通过进水口注入所述密封水囊中，水溶液随发生器的弯曲而流动；所述流体型介质阻挡放电电极层解决了面对有不同弯曲度的材料表面时发生器放电电极底面与被处理物体表面距离均匀性不足问题，进而保证了放电时等离子体的均匀性。

针对上述现实要求，所述离子溶液可以用一种带有相同活性离子的离子喷雾流代替，所述离子喷雾流，是所述离子溶液经高压喷头、低压雾化或超声震动中至少一种方法形成的。

所述离子喷雾流通过流体进水口输入到所述密闭水囊时，作为介质阻挡放电中流体型介质；所述离子喷雾流通过工质气体进气孔)输入到所述可调等离子体腔体时，就作为介质阻挡放电中“气-液”两相放电的工质，通过掺入不同种类、浓度的活性物质，以达到增强等离子体强度和调整等离子体中活性基团种类的目的。

针对上述现实要求，在被处理物体表面贴附一层镂空掩膜，所述贴附于被处理材料表面的镂空掩膜，是一片可弯曲的弹性绝缘橡胶膜，贴附于被处理物表面，中间部分有至少一个用掩膜工艺化学腐蚀后形成的镂空图案，所述镂空图案在形状上与被处理物体表面上用线条图表示的等离子体束作用区域位置、形状相一致。通过在被处理物体表面设置镂空掩膜，等离子体可以精确的作用在所述镂空图案位置上，而不需要处理的材料表面则被镂空图案之外的掩膜橡胶隔绝。

Claims (2)

1.以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器，其特征在于，包括：固定层(1)、流体型介质阻挡放电电极层、可调等离子体腔体(3)以及贴附于被处理物体表面的镂空掩膜(4)，其中：

所述固定层(1)，是一块可弯曲的弹性绝缘橡胶板，上端面开有纵向流体进水口(11)和流体出水口(12)，下端面开设与水囊相对应的凹槽；

所述流体型介质阻挡放电电极层，是由外壳(21)和流体介质阻挡放电电极层组成，其中：

所述外壳(21)，是一个横截面为任意形状的中空环形体，由可弯曲的弹性绝缘材料制成，其上端面与所述固定层(1)的环状下端面粘接，左侧端面沿水平方向开设有高压电源接线孔，右侧面接地；

所述流体型介质阻挡放电电极层，是由金属放电电极、用于浸没所述金属放电电极的流体(23)和密闭水囊(24)共同组成，其中：

所述金属放电电极是一个栅状电极，由连接高压电源接线柱(224)的左金属拉伸杆(221)、连接接地端的右金属拉伸杆(222)以及连接在两拉伸杆之间的至少一个以上等间距排列的铝合金弹力弹簧(223)组合而成，且与被处理物体表面平行安装；

所述流体(23)，是掺入所需活性离子的混合水溶液，简称离子溶液，根据掺入活性离子的种类和浓度调节所述离子溶液的整体电导率；

所述密闭水囊(24)，是由柔性导电橡胶制成的密闭储水囊袋(241)，左右两侧设有可供电源线通过的绝缘橡胶密闭塞(242)，所述密闭水囊(24)上端面与所述固定层(1)的下端面连接，侧面与所述外壳(21)的内侧面环形连接；

所述可调等离子体腔体(3)，是由弹性材料制作的环形橡胶圈，其内侧面设有锯齿形凸起，与所述外壳(21)的外侧面的锯齿形凹陷紧密配合，通过调节锯齿的咬合位置达到等离子体放电腔高度可调的目的，所述可调等离子体腔体(3)侧面开有工质气体进气孔(31)；

所述贴附于被处理物体表面的镂空掩膜(4)，是一片可弯曲的弹性绝缘橡胶膜，贴附于被处理物表面，中间部分有至少一个用掩膜工艺化学腐蚀后形成的镂空图案(41)，所述镂空图案(41)在形状上与被处理物体表面上用线条图表示的等离子体束作用区域位置、形状相一致。

2.根据权利要求1所述的以流体作阻挡介质的柔性平板等离子体发生器，其特征在于，所述离子溶液能用一种带有相同活性离子的离子喷雾流代替，所述离子喷雾流通过流体进水口(11)输入到所述密闭水囊(24)时，作为介质阻挡放电中流体型介质；所述离子喷雾流通过工质气体进气孔(31)输入到所述可调等离子体腔体(3)时，就作为介质阻挡放电中“气-液”两相放电的工质，以达到增强等离子体强度和调整等离子体中活性基团种类的目的。

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