大气压大面积高压纳秒脉冲均匀DBD稳定性控制及芳纶纤维改性研究

Nanosecond pulsed discharge is an ideal method to generate atmospheric pressure homogeneous discharge plasmas with high degree of nonthermal eqilibrium and high homogeneity, for its high efficiency, energy conservation and easy to control online. Certain important progresses have been achieved in this study at present, however, there are still some prominent problems need to be solved, especially the studies on how to generate large area nanosecond pulsed homogeneous discharge plasma for industrial application and control of discharge unstability. However, solving these problems is the key point to achieve industrialized application. In this project, further study of the physical mechanism in generating large area nanosecond pulsed homogeneous discharge plasmas would be developed by ICCD images, optical emission spectra and recording waveforms of applied voltage and current. The generation of large area nanosecond pulsed homogeneous discharge and the stability control would be detail studied. The formation mechanism of large area nanosecond pulsed homogeneous discharge plasams would be deeply revealed by comparing with theoretical analysis and numerical simulation. Proper physical model would be presented and the govering principles and technique would be provided to realize the stable running of large area homogeneous discharge plasmas at atmospheric pressure. The reaction mechanism in twaron fibers modification by nanosecond pulsed homogeneous discharge plasma at atmospheric pressure would be also investigated.

高压纳秒级脉冲放电是建立高非平衡度、高空间均匀性的大气压均匀放电等离子体的理想途径，它高效、节能、无污染和易于在线控制，在许多技术领域都具有重要的应用价值。目前该研究已经取得了一些重要进展，但仍然存在一些亟待解决的突出问题，尤其是在大气压下产生大面积可工业化应用的纳秒脉冲均匀放电等离子体以及放电不稳定性控制研究尚不深入，而解决好这些问题是实现工业化应用的关键。我们拟采用快速ICCD摄像、发射光谱、电压、电流测试等技术相结合对产生大面积纳秒级脉冲均匀放电的物理机制进行深入研究，重点研究大面积纳秒级脉冲均匀放电的产生和稳定性控制的基本规律。通过与理论分析、数值模拟比较，深入揭示大面积纳秒脉冲均匀放电等离子体的形成机理。提出恰当的物理模型和给出抑制不稳定性的指导原则和技术方法，实现大气压大面积均匀放电等离子体的稳定运行。进而研究大气压纳秒脉冲均匀放电等离子体对芳纶纤维改性中的反应机理。

在大气压空气、氮气以及混合气体中利用双极性纳秒脉冲，单极性纳秒正脉冲，单极性纳秒负脉冲多针-板式电极结构和板-板式和管式电极结构放电获得了大面积均匀弥散型放电等离子体。在多针-板式电极结构放电中，从放电发光图像可以看到，放电在针电极附近发光最强，由针电极向板电极方向发光强度逐渐减弱。而在介质片附近其发光强度略微增强。在介质片附近放电面积增加到最大。由放电图像中可以明显看出，双极性纳秒脉冲驱动下的放电强度远大于单极性脉冲(正脉冲和负脉冲)驱动下的放电强度。实现了对均匀放电转变为丝状放电或弧光放电不稳定性的主动控制，并对纳秒脉冲均匀放电等离子体电学特性、等离子体气体温度、活性物种种类和浓度等进行了细致的诊断研究，深入研究和探讨了影响大气压大面积空气、氮气以及混合气体均匀纳秒脉冲放电的主要外部参数，获得了在大气压下空气、氮气及混合气体中纳秒脉冲均匀放电稳定运行的基本规律。. 在大气压空气中分别利用高压纳秒脉冲电源和正弦交流电源进行了线-板式介质阻挡放电改善芳纶纤维亲水性方面的研究，通过对比研究发现，纳秒脉冲介质阻挡放电具有较高的能量利用效率、较低的等离子体气体温度和更加均匀的放电形貌，更适有利于提高芳纶纤维的亲水性。同时利用扫描电镜和傅里叶红外光谱分析了提高芳纶亲水性的机理。通过放电图像、电压电流波形和发射光谱研究了放电的等离子体特性。通过水接触角、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱表征了芳纶纤维的亲水性、表面结构和化学成分等。通过X射线光电子能谱可以得到芳纶纤维表面各化学元素的含量以及官能团的比例。研究发现，等离子体处理后的芳纶纤维表面碳元素减少，氧元素增加。官能团的变化为：C-C，CO和O=CN减少，C-N和O=CO增加。芳纶纤维表面化学组成的变化是因为等离子体中的活性氧基团和紫外辐射对样品表面的氧化作用。