常压级联放电等离子体及其柔性聚合物表面改性研究

It is agreed that the low-temperature plasmas generated by atmospheric pressure glow discharges have much potential application scopes on material processing and biology, unfortunately, which is limited currently by the instabilities of discharge and its application to further investigation and wide application in industries. Here, the cascade discharge plasmas is proposed, which is obtained by coupling the pulsed discharge and radio frequency (RF) discharge temporally and spatially. It is suggested to improve the discharge stability and the plasma characteristics by the interaction of pulsed discharge and RF discharge, as required by the surface modifications of flexible polymers. The two-dimension fluid numerical model will be developed to simulate the discharge dynamics of coupled pulsed discharge and RF discharge, which is employed to investigate the dynamics of discharge and discharge interaction mechanism. The discharge characteristics, mechanism and stability will be studied experimentally by means of plasmas diagnostics, which provides the spatio-temporal evolution of discharges and transportation characteristics of reactive plasma species. The developed cascade discharge plasmas will be employed for surface modification studies of flexible polymers to correlate the plasma reactivity characteristics with the effects of surface modification. The studies will provide the theoretical and technical supports on the industrial applications of surface modification by atmospheric cascade discharge plasmas.

常压辉光放电产生的低温等离子体已在新材料和生物等领域体现了良好的应用前景，但放电和应用过程中的不稳定性限制了其深入研究和产业应用。本项目提出了级联放电等离子体，通过在时间和空间上耦合脉冲放电和射频放电，利用两种类型放电的相互作用机制，有效提升放电稳定性及其产生的反应性等离子体特性，满足柔性聚合物材料表面改性处理过程中对等离子体特性的多方要求。通过二维流体数值模拟和实验研究脉冲放电和射频放电在耦合过程中的放电动力学过程和相互作用机理；通过实验诊断研究级联放电中的脉冲放电和射频放电在耦合状态下的放电特性和机理，利用快速成像和光谱诊断技术揭示级联放电的时空演变过程和等离子体中反应性粒子的输运特性，探讨其对放电稳定性的影响；应用常压级联放电等离子体表面改性柔性聚合物材料，建立等离子体反应特性与表面物理和化学改性效果的关联，为发展具有产业应用价值的常压等离子体表面改性技术提供理论依据和技术支持。

该项目通过数值模拟和实验研究了由常压脉冲放电和射频放电组成的级联放电等离子体中放电基本物理过程和特性，及其在柔性聚合物表面改性效果，促进了常压等离子体放电理论和技术及其应用的发展。分别建立了平行板电极和管式组合电极的二维流体数值模型，研究了常压射频放电启辉和湮灭特性及过程，提出了放电空间中残余电子对射频放电起辉的影响以及在放电湮灭阶段主要由离子的输运特性决定；脉冲放电结束以后在放电空间的不均匀性形成了射频放电起辉阶段的非对称性；在组合电极放电结构中，脉冲放电产生的等离子体子弹由局域增强的空间电场形成的，并且以电离波的形式在放电管中传播；当等离子体子弹进入射频放电区域对射频放电起到了增强作用。在级联放电的实验研究中，脉冲放电与射频放电之间的相互作用主要体现在脉冲放电对射频放电起辉过程的辅助作用，主要通过脉冲放电的强度以及脉冲放电与射频放电之间时间间隔影响，其决定了脉冲放电中产生的等离子体活性粒子在射频放电起辉时在放电空间的分布和残余密度；反之射频放电也会影响脉冲放电过程，主要是对脉冲上升沿阶段的放电的影响。通过控制脉冲放电产生的等离子体射流的长度，对比研究发现脉冲放电产生的等离子体子弹进入射频放电区域以后，引入的高能电子增强了射频放电射流的长度和强度。另外也通过组合高压脉冲放电和正弦电压放电实现了对等离子体射流的抑制和增强效果，为等离子体射流特性控制提供有效技术路径。最后将发展的常压级联放电等离子体射流应用于涤纶织物和碳纤维的表面处理，在涤纶织物表面通过等离子体聚合反应，获得了超疏水性能；通过脉冲等离子体射流和射频放电射流的协同作用，有效降低了碳纤维表面的接触角，提高了碳纤维表面含氧极性基团。