CN112853738B - 一种基于电磁场调控的等离子体改性装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁场调控的等离子体改性装置，包括从左到右依次设置的电源组件一、等离子改性部件、电源组件二、等离子体发生器、废气收集装置和储气装置。本发明通过导电圆管和导电线圈，可以分别对喷射等离子改性区域的电场和磁场进行调控，利用电磁场对改性区域的等离子体进行偏转，实现对等离子体运动速度和路径的改变，从而实现等离子体改性的均匀化，并可以调控等离子体与碳纤维的撞击强度，减小等离子体改性对纤维力学性能的损伤，同时提高碳纤维表面的化学活性。

Description

一种基于电磁场调控的等离子体改性装置

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，具体涉及到一种基于电磁场调控的等离子体改性装置。

背景技术

由碳纤维增强的复合材料已经广泛地应用于航天航空以及国防军工等领域。但是，作为制造高性能复合材料的增强体，由于碳纤维表面是非极性的，由高度结晶的基本面组成，所以碳纤维的浸润性较差，表面光滑，并且与大多数聚合物的化学键合较差。因此，碳纤维与基体之间的界面结合力较差，使得复合材料难以发挥出碳纤维本身优良的机械性能以及导电导热性能。对碳纤维进行适当的表面改性可以改变其浸润性，增强碳纤维与基体之间的界面结合。为此，已经开发出多种表面处理技术，其中等离子体改性处理相对更加环保、方便，对纤维的力学性能影响较小。

目前，工业上常用气体放电来产生等离子体进行纤维表面的改性处理，根据放电形式的不同，主要的放电方式有：辉光放电、电晕放电、射频放电、介质阻挡放电和滑动弧放电等。而在对碳纤维进行表面改性时，常用的三类低温等离子体改性处理装置为：射频等离子体处理装置、介质阻挡放电等离子体处理装置和滑动弧射流等离子体处理装置。滑动弧射流等离子体处理装置的原理是在两个电极上施加高压，引起两极之间的气体被击穿产生等离子体，气流带动等离子体从喷嘴喷出，作用于纤维表面进行改性处理。这种等离子体改性处理装置相比与其他两种，结构简单易行，成本低廉，装配灵活，是一种极具有前景的可大规模工业化应用的等离子体改性处理装置。

现有的滑动弧射流等离子体处理装置中，利用喷嘴直接对纤维表面进行喷涂改性，存在以下问题：1.等离子体只能作用于纤维的一侧，无法对纤维进行全方位改性喷涂；2.由于气体从喷嘴喷射出来后，整体呈扇形分布，无法保证对纤维表面改性的均匀性，甚至可能会使得纤维表面产生结构性缺陷；3.等离子体与纤维碰撞的作用力可控性较差，无法较为准确地控制等离子体改性程度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁场调控的等离子体改性装置，以解决现有滑动弧射流等离子体处理装置对碳纤维表面改性处理效果差的问题。

为达上述目的，本发明提供了一种基于电磁场调控的等离子体改性装置，包括从左到右依次设置的电源组件一、等离子改性部件、电源组件二、等离子体发生器、废气收集装置和储气装置；其中等离子改性部件包括密封罐和穿过密封罐中心的碳纤维，密封罐外侧依次固定设置有导电圆管和导电线圈，密封罐上端固定设置有若干气体喷嘴，气体喷嘴依次穿过导电圆管和导电线圈，密封罐下端设置有出气管道。

采用上述方案的有益效果是：通过电源组件一和电源组件二可以改变电场强度，进而改变负离子碰撞碳纤维时的动能，有利于等离子体改性的有效进行；等离子体气流从气体喷嘴中喷射，进入密封罐内部，在导电线圈产生的竖直向上的磁场作用下，负离子受到洛伦兹力的作用，同时在导电圆管与碳纤维之间产生的电场作用下，负离子受到了径向电场力的作用，使得负离子呈螺旋状态向纤维表面运动。并且在洛伦兹力和电场力的作用下，使得负离子在径向方向有较大的分力，使得负离子与碳纤维之间的碰撞更为强烈。通过储气装置可以储存和输送不同的改性气体，废气收集装置可以收集废气进行统一处理。

进一步地，电源组件一包括第一直流电源、分压可变电阻和分压电阻，第一直流电源负极接在导电圆管上并接地，正极接在碳纤维上，第一直流电源与分压可变电阻和分压电阻串联，分压电阻两端分别与碳纤维和导电圆管连接。

采用上述方案的有益效果是：碳纤维与导电圆管管壁平行，从而在碳纤维与导电圆管之间产生不均匀电场，使得负离子受到沿轴心方向的力，使得负离子加速碰撞碳纤维进行改性。通过改变分压可变电阻的阻值，改变碳纤维和导电管壁之间的电场强度，进而改变负离子碰撞碳纤维时的动能，负离子动能过大，将会使得碳纤维的力学性能受损，负离子动能过小，将会难以打破原有化学键，所以可调节的电场将有利于等离子体改性的有效进行。

进一步地，电源组件二包括第二直流电源、控制电流可变电阻和保护电阻，第二直流电源正负极分别与导电线圈相连，第二直流电源、保护电阻和控制电流可变电阻串联。

采用上述方案的有益效果是：导电线圈可以产生平行于碳纤维的磁场，使喷射入密封罐的负离子受到沿轴心方向的力，使得负离子沿螺线型路径向碳纤维前进。同时，由于离子的喷射速度不同，使得不同离子受到的洛伦兹力也不同，路径也不同，最终作用在碳纤维的位置也不同，使得等离子体对碳纤维的处理更加均匀化。

进一步地，出气管道分别连接有气体加压泵和废气储存罐，气体加压泵与出气管道之间设置有第一止回阀和第一气体阀门开关；气体加压泵与等离子体发生器相连，气体加压泵与等离子体发生器之间设置有第二气体阀门开关。

采用上述方案的有益效果是：通过气体加压泵对改性后的气体进行加压，再通往等离子体改性装置，使得某些气体可以循环使用，减少原料消耗。

进一步地，集气装置包括两个高压储气罐，高压储气罐与等离子体发生器连接，高压储气罐与等离子体发生器之间设置有第二气体质量流量控制器和第三气体阀门开关。

采用上述方案的有益效果是：高压储气罐内可以储存纯净空气、氮气、氧气等改性气体，并且通过气体质量流量控制器来控制混合气体的比例，以达到不同的改性效果。

进一步地，废气储存装置包括废气储存罐，废气储存罐与出气管道之间设置有第二止回阀和第四气体阀门开关。

采用上述方案的有益效果是：出气管道用来排放废气至废气储存罐内，或者直接进行处理排放，保证实验的安全；同时设置有止回阀，用来防止废气进入密封罐内，影响改性的正常进行。

进一步地，碳纤维竖直通过密封罐轴线方向，碳纤维两端分别缠绕在两个纤维卷上，纤维卷连接有电动机。

采用上述方案的有益效果是：可以使得碳纤维匀速通过密封罐内的等离子碰撞区，使得改性均匀。并且可以不间断地完成对长束碳纤维的改性处理，效率更高，也更有利于对改性碳纤维的大规模工业化生产。

进一步地，等离子体发生器与气体喷嘴相连，等离子发生器与气体喷嘴之间设置有第一气体质量流量控制器。

采用上述方案的有益效果是：等离子发生器可以将混合气体进行电离，形成等离子气体流，利用气体质量流量控制器来控制等离子体气流的喷射流量，从而调节等离子体的改性程度。

综上所述，本发明具有以下优点：

导电圆管和导电线圈，可以分别对喷射等离子改性区域的电场和磁场进行调控，利用电磁场对改性区域的等离子体进行偏转，实现对等离子体运动速度和路径的改变，从而实现等离子体改性的均匀化，并可以调控等离子体与碳纤维的撞击强度，减小等离子体改性对纤维力学性能的损伤，同时提高碳纤维表面的化学活性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的电磁场分布示意图；

图3为图1的A-A剖切示意图；

其中，1、第一止回阀；2、第一气体阀门开关；3、第二直流电源；4、出气管道；5、滚轮；6、碳纤维；7、纤维卷；8、导电圆管；9、导电线圈；10、气体喷嘴；11、第一直流电源；12、分压可变电阻；13、分压电阻；14、密封罐；15、第一气体质量流量控制器；16、控制电流可变电阻；17、保护电阻；18、等离子体发生器；19、第二气体阀门开关；20、气体加压泵；21、第二气体质量流量控制器；22、第三气体阀门开关；23、高压储气罐；24、废气储存罐；25、第二止回阀；26、第四气体阀门开关。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明提供了一种基于电磁场调控的等离子体改性装置，包括从左到右依次设置的电源组件一、等离子改性部件、电源组件二、等离子体发生器18、废气收集装置和储气装置；其中电源组件一包括第一直流电源、分压可变电阻和分压电阻，电源组件二包括第二直流电源、控制电流可变电阻和保护电阻。

其中等离子改性部件包括密封罐14和穿过密封罐14中心的碳纤维6，导电圆管8安装固定在密封罐14外侧，导电圆管8与密封罐14之间绝缘；导电线圈9安装固定在导电圆管8外侧，导电线圈9与导电圆管8之间绝缘；多个气体喷嘴10安装固定在密封罐14上方，气体喷嘴10穿过导电线圈9和导电圆管8；出气管道4安装固定在密封罐14底部。

在本发明中，等离子体气流从气体喷嘴10中喷射，进入密封罐14内部，在导电线圈9产生的竖直向上的磁场作用下，负离子受到洛伦兹力的作用，同时在导电圆管8与碳纤维6之间产生的电场作用下，负离子受到了径向电场力的作用，使得负离子呈螺旋状态向纤维表面运动。并且在洛伦兹力和电场力的作用下，使得负离子在径向方向有较大的分力，使得负离子与碳纤维之间的碰撞更为强烈。

在本发明实施例中，如图1所示，碳纤维6竖直通过密封罐14轴线方向，垂直于导电圆管8；碳纤维6两端分别缠绕在两个纤维卷7上，纤维卷7可以与电动机同步转动，可以带动碳纤维6匀速移动。

第一直流电源11的正极接在碳纤维6上，负极接在导电圆管8上并接地；第一直流电源11与分压可变电阻12和分压电阻13串联，分压电阻13两端分别与碳纤维6和导电圆管8相连。

在本发明中，纤维卷7可以使得碳纤维6匀速通过密封罐14内的等离子碰撞区，使得改性均匀。并且可以不间断地完成对长束碳纤维的改性处理，效率更高，也更有利于对改性碳纤维的大规模工业化生产。碳纤维6与导电圆管8管壁平行，从而在碳纤维6与导电圆管8之间产生不均匀电场，使得负离子受到沿轴心方向的力，使得负离子加速碰撞碳纤维进行改性。通过改变分压可变电阻的阻值，改变碳纤维6和导电圆管8管壁之间的电场强度，进而改变负离子碰撞碳纤维时的动能，负离子动能过大，将会使得碳纤维6的力学性能受损，负离子动能过小，将会难以打破原有化学键，所以可调节的电场将有利于等离子体改性的有效进行。

在本发明实施例中，如图1所示，第二直流电源3两端与导电线圈9相连，第二直流电源3与导电线圈9之间设置有控制电流可变电阻16和保护电阻17。

在本发明中，导电线圈9可以产生平行于碳纤维6的磁场，使喷射入密封罐14的负离子受到沿轴心方向的力，使得负离子沿螺线型路径向碳纤维6前进。同时，由于离子的喷射速度不同，使得不同离子受到的洛伦兹力也不同，路径也不同，最终作用在碳纤维6的位置也不同，使得等离子体对碳纤维6的处理更加均匀化。

在本发明实施例中，如图1所示，等离子体发生器18与气体喷嘴10相连，等离子发生器18与气体喷嘴10之间设置有第一气体质量流量控制器15；

高压储气罐23与等离子体发生器18相连，等离子体发生器18与高压储气罐23之间设置有第二气体质量流量控制器21和第三气体阀门开关22；

出气管道4分别与气体加压泵20和废气储存罐24相连；出气管道4与废气储存罐24之间设置有第二止回阀25和第四气体阀门开关26；

出气管道4与气体加压泵20之间设置有第一止回阀1和第一气体阀门开关2；气体加压泵20与等离子体发生器18相连，气体加压泵20与等离子体发生器18之间设置有第二气体阀门开关19。

在本发明中，等离子发生器18可以将混合气体进行电离，形成等离子气体流，利用第一气体质量流量控制器15来控制等离子体气流的喷射流量，从而调节等离子体的改性程度。高压储气罐23内可以储存纯净空气、氮气、氧气等改性气体，并且通过第二气体质量流量控制器22来控制混合气体的比例，以达到不同的改性效果。出气管道4用来排放废气至废气储存罐24内，或者直接进行处理排放，保证实验的安全；同时设置有第二止回阀25，用来防止废气进入密封罐14内，影响改性的正常进行。通过气体加压泵20对改性后的气体进行加压，再通往等离子体改性部件，使得某些气体可以循环使用，减少原料消耗。

在本发明实施例中，如图2所示，为该等离子体改性装置的电磁场分布示意图。

在本发明中，导电圆管8与碳纤维6之间产生了垂直于桶壁的不均匀电场，方向从碳纤维6指向导电圆管8，电场强度可调。

导线线圈9产生了平行于桶壁的均匀磁场，方向从出气管道4指向气体喷嘴10方向。

在本发明实施例中，如图3所示，为该等离子体改性装置的图1的A-A剖切示意图。

在本发明中，气体喷嘴10喷射出的负等离子体在电场和磁场的联合作用下，沿螺线型路径向碳纤维6前进，并均匀作用于碳纤维6的表面，进行改性。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于电磁场调控的等离子体改性装置，其特征在于，包括从左到右依次设置的电源组件一、等离子改性部件、电源组件二、等离子体发生器（18）、废气收集装置和储气装置；其中所述等离子改性部件包括密封罐（14）和穿过密封罐（14）中心的碳纤维（6），所述密封罐（14）外侧依次固定设置有导电圆管（8）和导电线圈（9），所述密封罐（14）上端固定设置有若干气体喷嘴（10），所述气体喷嘴（10）依次穿过导电圆管（8）和导电线圈（9），所述密封罐（14）下端设置有出气管道（4）；

其中所述电源组件一包括第一直流电源（11）、分压可变电阻（12）和分压电阻（13），所述第一直流电源（11）负极接在导电圆管（8）上并接地，正极接在碳纤维（6）上，所述第一直流电源（11）与分压可变电阻（12）和分压电阻（13）串联，所述分压电阻（13）两端分别与碳纤维（6）和导电圆管（8）连接；

所述电源组件二包括串联连接的第二直流电源（3）、控制电流可变电阻（16）和保护电阻（17），所述第二直流电源（3）正负极分别与导电线圈（9）相连。

2.如权利要求1所述的基于电磁场调控的等离子体改性装置，其特征在于，所述出气管道（4）分别连接有气体加压泵（20）和废气储存罐（24），所述气体加压泵（20）与出气管道（4）之间设置有第一止回阀（1）和第一气体阀门开关（2）；气体加压泵（20）与等离子体发生器（18）相连，气体加压泵（20）与等离子体发生器（18）之间设置有第二气体阀门开关（19）。

3.如权利要求1所述的基于电磁场调控的等离子体改性装置，其特征在于，储气装置包括两个高压储气罐（23），所述高压储气罐（23）与等离子体发生器（18）连接，所述高压储气罐（23）与等离子体发生器（18）之间设置有第二气体质量流量控制器（21）和第三气体阀门开关（22）。

4.如权利要求1所述的基于电磁场调控的等离子体改性装置，其特征在于，所述废气收集装置包括废气储存罐（24），所述废气储存罐（24）与出气管道（4）之间设置有第二止回阀（25）和第四气体阀门开关（26）。

5.如权利要求1所述的基于电磁场调控的等离子体改性装置，其特征在于，所述碳纤维（6）竖直通过密封罐（14）轴线方向，所述碳纤维（6）两端分别缠绕在两个纤维卷（7）上，所述纤维卷（7）连接有电动机。

6.如权利要求1所述的基于电磁场调控的等离子体改性装置，其特征在于，所述等离子体发生器（18）与气体喷嘴（10）相连，等离子体发生器（18）与气体喷嘴（10）之间设置有第一气体质量流量控制器（15）。

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