CN105555000A - 大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，包括真空腔体、设置于真空腔体内部的上电极和下电极、设置于真空腔体上端的外加气氛接口、设置于真空腔体下端的抽气和泄气接口、设置于真空腔体一侧的真空腔门，还包括穿过真空腔体分别与上、下电极相连接的驱动电源，所述驱动电源为调制脉冲驱动电源，同时，在相对设置的上电极下表面和下电极上表面上，分别设置一层稀土元素氧化物镀层。本发明针对现有的低温等离子体材料处理装置存在的放电同时会产生大量的热能问题，提出了一种可在500~5000pa气压条件下产生均匀的辉光放电和接近常温的辉光放电低温等离子体的材料处理装置。

Description

大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置

技术领域

本发明公开了一种大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，涉及低温等离子体材料处理技术领域。

背景技术

气体放电产生的低温等离子体中含有大量的、种类繁多的活性粒子，这些活性粒子与材料接触，能使其表面发生刻蚀、氧化、还原、交联、聚合、接枝等反应，引起材料表面化学成分和物理化学性质的变化。这种表面处理方法具有工艺简单、操作简便、耗能低、对环境无污染等特点。特别是在医用材料行业中，这种方法用于刻蚀活化、接枝改性、聚合或沉积覆膜等，对表层进行清洁、活化、粗糙化，或通过在材料表面引进新的化学基团、低温等离子中的活性粒子与材料表面反应聚合沉积形成薄膜等过程来达到表面改性的目的。

对高分子材料进行表面处理时，通常利用低气压辉光放电方式来获得材料表面处理所需的低温等离子体，或在大气压下进行电晕放电、电弧放电、介质阻挡放电产生的低温等离子体对材料表面进行处理。但目前所有这些产生低温等离子体的方法，在放电的过程中都会产生热能，即施加多少能量基本上就产生多少焦耳热，处理时间越长，放电温度即越高。这对处理许多不耐温的材料，如人工晶体，人造血管，隐形眼镜，无纺布，高分子薄膜，生物芯片等材料，如果用目前常规的这些放电方式产生低温等离子体就会因为放电过程中产生的热和比较高的温度而损坏这些类型的材料，或使材料因热变形，或使材料尺寸收缩，或使材料击穿。

在常规的介质阻挡放电中，只能产生丝状放电，特别是大的放电间距（几十毫米以上）很难产生均匀的辉光放电，在比较小的放电功率驱动下只能产生几个流注放电。同时，常规处理手段中，在放电的同时会产生大量热能，在安全性和稳定性上都是一大隐患。

在中国专利申请“辉光放电低温等离子体装置”中（申请号200620074948.2）公开的技术方案中，并没有提供解决放电间距较大的情况下，依然产生均匀的辉光放电的问题，也没有很好的解决放电发热的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，针对现有的低温等离子体材料处理装置存在的放电同时会产生大量的热能问题，提出了一种可在500~5000pa气压条件下产生均匀的辉光放电和接近常温的辉光放电低温等离子体的材料处理装置。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，包括真空腔体、设置于真空腔体内部的上电极和下电极、设置于真空腔体上端的外加气氛接口、设置于真空腔体下端的抽气和泄气接口、设置于真空腔体一侧的真空腔门，还包括穿过真空腔体分别与上、下电极相连接的驱动电源，其特征在于：所述驱动电源为调制脉冲驱动电源，同时，在相对设置的上电极下表面和下电极上表面上，分别设置一层稀土元素氧化物镀层；所述驱动电源的基波为正弦波，频率在2000～20000Hz；所述驱动电源的调制波形为矩形波，频率在20～200Hz，占空比为1%～99%。

作为本发明的进一步优选方案，所述稀土元素氧化物镀层的材料为氧化镧、氧化铷或者氧化镨。

作为本发明的进一步优选方案，使用所述调制脉冲驱动电源，采用差分馈电方式对所述上电极和下电极分别馈上幅度大小相等、相位相差180度的调制脉冲电源。

作为本发明的进一步优选方案，所述真空腔体为绝缘腔体。

作为本发明的进一步优选方案，所述真空腔体为金属腔体，在金属真空腔体的内壁包敷有绝缘层。

作为本发明的进一步优选方案，所述金属腔体绝缘层的材料为陶瓷、玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或者尼龙。

作为本发明的进一步优选方案，所述上、下电极通过上、下电极引线与驱动电源相连接，所述上、下电极引线经过设置于真空腔体侧边上的上、下电极引出绝缘子穿透真空腔体。

作为本发明的进一步优选方案，所述上电极和下电极的外侧包裹有电极绝缘层，所述上、下电极引线的外层也包覆有绝缘材料层。

作为本发明的进一步优选方案，所述电极绝缘层的材料为陶瓷、钢化玻璃、石英玻璃或者微晶玻璃；所述绝缘材料层的材料为硅橡胶或者氟橡胶。

作为本发明的进一步优选方案，所述真空腔体与真空腔门之间设置有密封圈。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）可以在几佰至几千帕的气压条件下使任何气态物质产生均匀的和接近常温的低温等离子体（比环境温度仅高1～3度）。可以应用于各种不耐温的高分子材料、纤维材料的表面低温等离子体处理。特别是对许多不耐温的医用材料，如人工晶体，人造血管，隐形眼镜等进行低温等离子体处理。

2）由于低温等离子体的放电区域没有任何金属，在进行低温等离子体处理过程中，被处理的材料不会受到任何金属污染。

3）对设备的真空度要求低，使用普通的机械真空泵即能简单快速的达到几百至几千帕的真空要求。

4）由于等离子体区的气氛浓度高，在用于材料表面处理、接枝和聚合等工艺中速度快，在气态物质的反应中更有利于材料表面的化学合成，分解和接枝。

附图说明

图1是本发明第一个实施例的构造图，针对绝缘腔体的情况下；

图2是本发明第二个实施例的构造图，针对金属腔体内表面绝缘式的情况下；

图中：1真空腔体、2绝缘腔体壁、3金属腔体壁、4金属腔体壁绝缘层、5密封圈、6真空腔门、7抽气和泄气接口、8外加气氛接口、9上电极、10上电极绝缘层、11上电极引线、12上电极引线绝缘层、13上电极引出绝缘子、14上电极引出电极、15下电极、16下电极绝缘层、17下电极引线、18下电极引线绝缘层、19下电极引出绝缘子、20下电极引出电极、21差分式调制脉冲驱动电源、22低温等离子体放电区域、23稀土元素氧化物镀层、24***控制触摸屏。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明采用的技术方案是：

1）辉光放电低温等离子体装置，包括腔体、上电极、下电极，在密封腔体内的上和下金属电极都被如玻璃，石英玻璃，微晶玻璃等绝缘材料层包覆。

2）在两电极的相向面的玻璃表面都镀有一层稀土元素氧化物。在常规的介质阻挡放电中，只能产生丝状放电，特别是大的放电间距（几十毫米以上）很难产生均匀的辉光放电，在比较小的放电功率驱动下只能产生几个流注放电。如果在两电极的相向面的玻璃表面镀有一层稀土元素氧化物（如氧化镧，氧化铷，氧化镨）或将稀土元素氧化物直接烧结在玻璃里面，则可以在大的放电间距（几十毫米以上）产生均匀的辉光放电，即使比较小的放电功率驱动也能产生均匀的辉光放电。稀土元素的原子结构可以用4fx5d16s2表示，x从0→14，稀土元素从金属变成离子后，4f轨道的外侧仍包围着5s25p6的电子云，失去6s2电子及5d1或4f失去一个电子，形成4fx5s25p6的电子结构。在稀土金属中，6s电子和5d电子形成导带，4f电子则在原子中定域，这种4f电子的定域化和不完全填充都将反映在它们的种种物性之中4f电子位于原子内层轨道，5s25p6电子云对其有屏蔽作用，4f轨道伸展的空间很小，所以受结晶场、配位体场等的影响很小；与此相反，其自旋（MS）与轨道（ML）的相互作用都很大，使得f-f电子轨道L与自旋S相互耦合作用，E4f***成许多能级有微小差别的能级亚层，在交流高压电场作用下，稀土元素的***的微量电子就比较容易溢出而在放电电极中形成种子电子而引发辉光放电。

3）驱动电源采用调制脉冲电源，电源的基波为正弦波，频率在2000～20000Hz，调制波形为矩形波，频率在20～200Hz，占空比为1%～99%。由于常规的低温等离子体放电后，气体被电离为电子和离子，电子和离子在放电区域产生不规则运动和碰撞后湮灭，湮灭过程发光和发热，即施加多少能量基本上就产生多少焦耳热，在真空环境下，由于放电电极基本上是处于绝热状态，处理时间越长，放电功率越大，放电温度即越高。采用调制脉冲电源后，在驱动波形上采用不连续的激励，使电子和离子在放电区域的空间产生分离和分层，减少电子和离子间的碰撞机率，即减少了发热。由于电子几乎没有质量，质量基本集中在离子上，在放电区域施加不连续的高压电场时，其等离子体放电也是不连续的，施加高压电场放电时，电子的质量非常小，电子在电场中的运动加速度比较快，离子的质量远大于电子，其运动的速度比较慢，电子和离子即被分层，碰撞的机率也大大的降低，因而放电后产生的热也显著降低。

4）两电极的馈电方式采用差分馈电方式，即在两个电极上分别馈上幅度大小相等（AC500V～AC3000V），相位相差180度的调制脉冲电源。由于放电电极是放置在腔体中，如果采用常规的单极性电源驱动，则电源的输出电压比较高，电极和金属腔体之间的间距需要比较大，否则高压电极和金属腔体很容易产生无效的放电，既损失能量，也很容易烧坏绝缘。采用差分馈电方式，则电极和金属腔体之间的电压降低了一半，电极和金属腔体之间的绝缘间距可以减少一半，腔体的有效利用率可以提高一倍。

5）如果电极和密封腔体的距离比较近且体积又不大，则可以选用绝缘的材料做腔体。

6）如果腔体是金属的，则在金属腔体内壁包敷绝缘材料层。

7）上电极和下电极的背面包覆有绝缘材料层，上电极和下电极的引出线上包覆有绝缘材料层。上电极和下电极也可全部包裹在绝缘材料层内。

8）腔体内可以施加包括空气在内的其它各种气态物质，即可产生相应气态物的低温等离子体。

实施例一

图1为本发明专利的一个实施例，为了防止电极和真空腔壁发生放电，本实施例真空腔体1的腔体壁采用绝缘腔体壁2，绝缘腔体壁2的绝缘材料可以是陶瓷、玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、尼龙等材料。真空腔体1右侧为真空腔门6，材料可以为钢化玻璃，真空腔门6与腔体接触之间设有密封圈5。下腔体壁上设有抽气和泄气接口7，上腔体壁上设有外加气氛接口8。上电极9与下电极15相对设在真空腔体1内，上电极9通过上电极引线11与差分式调制脉冲驱动电源21的（+）端相连，下电极15通过下电极引线17与差分式调制脉冲驱动电源（-）21相连。上电极9的外表包覆有绝缘层10，绝缘材料可以为陶瓷，钢化玻璃，石英玻璃，微晶玻璃，上电极引线11上包覆有上电极引线绝缘层12，材料为硅橡胶，氟橡胶，通过上电极引出电极14与差分式调制脉冲驱动电源（+）21相连，上电极引出电极14包覆在上电极引出绝缘子13内。下电极15上包覆有下电极绝缘层16，绝缘材料可以为陶瓷，钢化玻璃，石英玻璃，微晶玻璃，下电极引线17上包覆有下电极引线绝缘层18，通过下电极引出电极20与差分式调制脉冲驱动电源21（-）相连，下电极引出电极20包覆在下电极引出绝缘子19内。上下电极9和15外表包覆的电极绝缘层10和16的相向面表面镀有一层稀土元素氧化物镀层。

实际操作时，先关闭外加气氛接口８和真空腔门６，用真空泵将真空腔体１内的气体从抽气和泄气接口７处抽出，使真空腔体１内的气压约为500~5000pa。再在上电极9、下电极15引出电极14和20上施加一定功率的差分式调制脉冲驱动电源，则在上电极9、下电极15之间的间隙空间内22就能产生常温辉光放电的低温等离子体。

如果需要，可以通过外加气氛接口８施加各种气体，即可以产生对应气氛的低温等离子体。

上电极9、下电极15的外表面必须用一定厚度的绝缘介质，如陶瓷、玻璃、钢化玻璃、石英玻璃等材料包覆，并在其它的相关部位，如电极的背面、电极引出线等，出现不需要的放电时施加良好的绝缘处理，使辉光放电只局限在上下两电极的相向面内产生。

上电极9、下电极15可以是金属镀膜、金属网、金属薄或金属板等金属材料，也可以是石墨等非金属的导电材料。

实施例二

图2为本发明的第二个实施例，本实施例真空腔体1的腔体壁为金属腔体壁3，为了防止电极和金属腔体壁3发生放电，在金属腔体壁3的内表面覆盖有绝缘层4，金属腔体壁绝缘层4采用了诸如玻璃、聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚四氟乙烯、硅橡胶等材料。本实施例的其它结构与实施例一相同，具体实施时，其操作方法也与实施例一相同。本实施例适用于真空腔体1的体积比较大的设备上。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，包括真空腔体、设置于真空腔体内部的上电极和下电极、设置于真空腔体上端的外加气氛接口、设置于真空腔体下端的抽气和泄气接口、设置于真空腔体一侧的真空腔门，还包括穿过真空腔体分别与上、下电极相连接的驱动电源，其特征在于：所述驱动电源为调制脉冲驱动电源，同时，在相对设置的上电极下表面和下电极上表面上，分别设置一层稀土元素氧化物镀层；

所述驱动电源的基波为正弦波，频率在2000～20000Hz；

所述驱动电源的调制波形为矩形波，频率在20～200Hz，占空比为1%～99%。

2.如权利要求1所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述稀土元素氧化物镀层的材料为氧化镧、氧化铷或者氧化镨。

3.如权利要求1或2所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：使用所述调制脉冲驱动电源，采用差分馈电方式对所述上电极和下电极分别馈上幅度大小相等、相位相差180度的调制脉冲电源。

4.如权利要求3所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述真空腔体为绝缘腔体。

5.如权利要求3所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述真空腔体为金属腔体，在金属真空腔体的内壁包敷有绝缘层。

6.如权利要求5所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述金属腔体绝缘层的材料为陶瓷、玻璃、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯或者尼龙。

7.如权利要求1所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述上、下电极通过上、下电极引线与驱动电源相连接，所述上、下电极引线经过设置于真空腔体侧边上的上、下电极引出绝缘子穿透真空腔体。

8.如权利要求6所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述上电极和下电极的外侧包裹有电极绝缘层，所述上、下电极引线的外层也包覆有绝缘材料层。

9.如权利要求8所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述电极绝缘层的材料为陶瓷、钢化玻璃、石英玻璃或者微晶玻璃；

所述绝缘材料层的材料为硅橡胶或者氟橡胶。

10.如权利要求1所述的大放电间距下常温辉光放电低温等离子体材料处理装置，其特征在于：所述真空腔体与真空腔门之间设置有密封圈。