CN115604897A

CN115604897A - 一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置

Info

Publication number: CN115604897A
Application number: CN202211408479.3A
Authority: CN
Inventors: 何桐桐; 郑怡泽; 郑跃胜
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2023-01-13

Abstract

本发明涉及一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置。包括：等离子体发生装置、等离子体电源、气体混合装置和三维移动平台。气体混合装置将氦气、氩气和反应媒质TEOS混合，通入等离子体发生装置的介质管中；等离子体电源提供高压激励，介质管内产生等离子体射流；需处理的绝缘材料由三维移动平台控制在等离子体射流下方匀速移动，使材料整个表面得到均匀处理。本发明克服现有等离子体材料处理装置的缺陷，使得氦气和氩气化学特性互补，提高活性粒子产生效率，从而提高绝缘材料处理效果。

Description

一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置

技术领域

本发明属于电力设备绝缘制备领域，涉及一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置。

背景技术

随着我国高压直流输电的不断发展，直流电场下绝缘材料的绝缘性能得到广泛关注。高分子聚合物材料有着良好的机械性能和绝缘性能，常作为绝缘材料应用于电力***高压设备中。例如环氧树脂（Epoxy Resin）凭借其优秀的电气性能、耐高温、易制备等特性大量用于气体绝缘输电线路（GIL）和气体绝缘开关（GIS）中。然而聚合物材料表面在高压直流下容易产生电荷积聚的现象，降低本身的耐压特性，使得沿面闪络出现的概率增大，使电力***设备的运行安全受到威胁。研究表明，对聚合物材料进行表面改性处理，可以有效提升材料绝缘性能，降低闪络发生的概率。将大气压等离子体射流应用于材料表面改性，具有操作简便、可控性强、可处理复杂表面、无环境污染等优点，是当下研究的热点。

氦气和氩气是大气压等离子体射流常用的工作气体。以这类惰性气体作为工作气体可以得到更低的等离子体激发电压，比起空气等离子体更容易控制。使用等离子体射流进行表面改性具有很强的灵活性，在射流工作气体中引入不同的反应媒质，可以产生大量不同种类的活性粒子与材料表面发生反应，实现不同需求的表面改性。如在工作气体中引入适量的H₂O，产生的等离子体射流对材料表面改性后，可改善材料表面的亲水性；在工作气体中加入含F、Si或Ti等元素的反应媒质,产生的等离子体射流对材料表面改性后，可在材料表面沉积薄膜，引入含F、Si或Ti基团，改善材料的表面电荷积累现象，提升绝缘特性。

采用等离子体对材料进行表面处理时，通常以氩气作为工作气体。相比于氦气，氩气等离子体化学活性高，处理材料时作用面积更大，且价格低廉，使用成本更低。但同时氩气等离子体也有着其放电的稳定性和均匀性较差、击穿电压较高等缺陷。氦气价格昂贵，用于材料改性时作用面积小，效率低，但放电均匀性和稳定性都较好，击穿电压低，更容易控制。综上，氦气和氩气作为等离子体工作气体都有相应的优点和缺陷，为了达到最佳的材料表面改性效果，亟需对当前用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置进行改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有等离子体材料处理装置缺陷，提供一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，采用一定比例的氩、氦混合气体作为射流工作气体，将两种气体的优点相结合，再掺杂反应媒质正硅酸乙酯TEOS，在聚合物材料表面进行等离子体薄膜沉积，实现最优的材料表面改性效果。基于该目的提出了一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，包括：等离子体发生装置、等离子体电源、气体混合装置和三维移动平台；所述等离子体发生装置用于向混合气体施加电场，电离出等离子体，产生含高浓度活性粒子的等离子体射流；所述等离子体电源用于为等离子体发生装置提供高电压激励；所述气体混合装置用于混合氦气、氩气和TEOS蒸汽；所述三维移动平台用于固定和移动需处理材料的位置。

在本发明一实施例中，所述等离子体发生装置包括：石英玻璃管、设置在石英玻璃管上部的高压电极和末端的地电极；所述气体混合装置包括三路通道和一个混气室，其中，三路通道中一路连接氦气气瓶并带有一台质量流量计，一路连接氩气气瓶并带有第二台质量流量计，一路连接氩气气瓶并带有第三台质量流量计，并通入装有反应媒质TEOS的洗气瓶，三路通道汇合并连接到混气室；所述等离子体电源连接高压电极；所述三维移动平台置于石英管口下方。

在本发明一实施例中，所述气体混合装置中第三路通道的洗气瓶置于水浴锅中均匀加热至60~70 ℃，以增大载气带出TEOS分子的数量。

在本发明一实施例中，所述混合气体体积比例设置为氩气70%、氦气29.8%、TEOS0.02%。

在本发明一实施例中，所述等离子体发生装置采用环-环电极结构，地电极采用铜箔胶带包裹在石英玻璃管外侧末端，高压电极也采用铜箔胶带包裹在地电极上方。

在本发明一实施例中，所述等离子体发生装置中，石英玻璃管的内径为2~4 mm；地电极长度为20 mm，与管口距离为5~10 mm；高压电极长度为20 mm，与地电极距离为10 mm。

在本发明一实施例中，所述等离子体电源为高频交流电源或脉冲电源；优选地，采用纳秒脉冲电源能够提高材料表面处理的均匀程度和效率。

在本发明一实施例中，所述三维移动平台固定需处理材料，调节Z轴方向高度将材料置于射流管口5~10 mm处，并在电机控制下水平X、Y轴移动，使材料表面每处处理时间相同，保证表面覆膜的均匀性。

在本发明一实施例中，多个所述等离子体发生装置共同组成一维阵列结构，增大射流处理面积，提高处理效率。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的技术方案将氦气、氩气和反应媒质TEOS混合作为工作气体产生等离子体射流，TEOS分子在等离子体氛围中发生反应，将Si-O-Si、Si-OH等含Si基团沉积环氧树脂等聚合物材料的表面，以实现表面改性。本发明通过一定的混合比例将氦气和氩气的优点结合，提高等离子体射流中活性粒子产生效率，在材料表面更快、更均匀地沉积含Si基团的薄膜，从而高效地减少聚合物材料表面电荷的积累，提升绝缘性能。

和使用纯氦气作为工作气体相比，混合了氩、氦的等离子体射流增大了垂直方向的表面处理面积，降低了使用成本；和使用纯氩气作为工作气体相比，混合了氩、氦的等离子体射流降低了等离子体气体温度，增强放电均匀性和稳定性，防止处理材料表面时过度刻蚀或局部灼烧，破坏已沉积的薄膜。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明装置的气体混合装置的结构示意图；

图3是本发明装置的一种等离子体发生装置的结构示意图；

图4是本发明装置的等离子体射流阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

如图1至图3所示，本发明提供了一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，包括以下4个部分：用于混合氦气、氩气和反应媒质TEOS的气体混合装置1；用于产生等离子体射流的等离子体发生装置2；用于提供高压激励的等离子体电源3；用于固定和移动处理材料的三维移动平台4。

所述气体混合装置1包括三路通道和一个混气室：一路连接氦气气瓶21并带有质量流量计23，一路连接氩气气瓶22并带有质量流量计24，一路连接氩气气瓶22并带有质量流量计25，并通入装有反应媒质TEOS的洗气瓶26，以上几路通道汇合并连接到混气室27；所述等离子体发生装置包括：进气口31、石英玻璃管32、高压电极33和地电极34；所述等离子体电源3连接高压电极33；所述三维移动平台4置于石英玻璃管32口下方5~10 mm。

所述气体混合装置1中第三路通道的洗气瓶26置于水浴锅中均匀加热至60~70℃，以增大载气带出TEOS分子的数量。

所述混合气体体积比例设置为氩气70%、氦气29.8%、TEOS 0.02%。

所述等离子体发生装置2采用环-环电极结构，地电极34采用铜箔胶带包裹在石英管外侧末端，高压电极33也采用铜箔胶带包裹在地电极34上方。

所述等离子体发生装置2中，石英玻璃管32的内径为2~4mm；地电极34长度为20mm，与管口距离为5~10 mm；高压电极34长度为20 mm，与地电极距离为10 mm。

所述等离子体电源3为高频交流电源或脉冲电源。优选地，采用纳秒脉冲电源可以提高材料表面处理的均匀程度和效率。

所述三维移动平台4固定需处理材料，调节Z轴方向高度将材料置于射流管口5~10mm处，并在电机控制下水平X、Y轴移动，使材料表面每处处理时间相同，保证表面覆膜的均匀性。

以下为本发明的具体实施例:

在实施例一中，装置整体结构图如图1所示, 下面结合图2和图3对进行说明。对氦气气瓶21加压，将氦气通入气管，使用质量流量计23控制通入的氦气占总体积分数29.8%；对氩气气瓶22加压，将氩气通入气管，气管分为两路，一路通入质量流量计24，控制其质量流量较大，作为稀释气体直接通入混气室27；一路通入质量流量计25，控制其流量较小，作为载气通入60 ℃水浴加热并装有TEOS的洗气瓶26中，两路合计产生占总体积分数0.2%的TEOS蒸汽和占总体积分数70%的氩气。将三路气体在混气室27充分混合，产生的均匀混合气体通过进气口31通入石英玻璃管32。需处理的聚合物材料环氧树脂片5放在三维移动平台4上，控制三维移动平台4的垂直升降，将环氧树脂片4置于距离石英玻璃管32管口5~10 cm。等离子体电源3对高压电极33施加电压，高压电极33和地电极34间电离出等离子体并由气流带出，产生等离子体射流35，对环氧树脂片5进行表面处理。通过电机控制三维移动平台4在水平X、Y轴方向上的运动，令环氧树脂片5在等离子体射流35下蛇形往返移动，使环氧树脂片5表面每处处理时间相同，实现均匀的薄膜沉积。

在实施例二中，等离子体发生装置2组成一维阵列结构，如图4所示。为加强表面处理效率并保证处理的均匀性，将几个相同的环-环电极结构的等离子体发生装置2垂直固定在一条直线上，再配合三维移动平台4，控制环氧树脂片5在射流阵列下蛇形往返移动，从而更高效地对环氧树脂片5进行均匀处理。

在实施例一和实施例二中，将等离子体发生装置2换成针-环电极结构等其他射流管结构，也能达成相同的效果；将环氧树脂片5换成其他聚合物材料，也能进行相应的等离子体表面改性，在其表面引入含Si基团，提升绝缘性能。实施例中三维移动平台适用于处理环氧树脂片5这类具有规则平面的材料，对于具有不规则形态的材料，则需设计相应的处理平台，以实现均匀处理。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，包括：等离子体发生装置、等离子体电源、气体混合装置和三维移动平台；所述等离子体发生装置用于向混合气体施加电场，电离出等离子体，产生含高浓度活性粒子的等离子体射流；所述等离子体电源用于为等离子体发生装置提供高电压激励；所述气体混合装置用于混合氦气、氩气和正硅酸乙酯TEOS蒸汽；所述三维移动平台用于固定和移动需处理材料的位置。

2.根据权利要求1所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述等离子体发生装置包括：石英玻璃管、设置在石英玻璃管上部的高压电极和末端的地电极；所述气体混合装置包括三路通道和一个混气室，其中，三路通道中一路连接氦气气瓶并带有一台质量流量计，一路连接氩气气瓶并带有第二台质量流量计，一路连接氩气气瓶并带有第三台质量流量计，并通入装有反应媒质TEOS的洗气瓶，三路通道汇合并连接到混气室；所述等离子体电源连接高压电极；所述三维移动平台置于石英管口下方。

3.根据权利要求2所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述气体混合装置中第三路通道的洗气瓶置于水浴锅中均匀加热至60~70 ℃，以增大载气带出TEOS分子的数量。

4.根据权利要求2所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述混合气体体积比例设置为氩气70%、氦气29.8%、TEOS0.02%。

5.根据权利要求2所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述等离子体发生装置采用环-环电极结构，地电极采用铜箔胶带包裹在石英玻璃管外侧末端，高压电极也采用铜箔胶带包裹在地电极上方。

6.根据权利要求2或5所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述等离子体发生装置中，石英玻璃管的内径为2~4 mm；地电极长度为20 mm，与管口距离为5~10 mm；高压电极长度为20 mm，与地电极距离为10 mm。

7.根据权利要求2所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述等离子体电源为高频交流电源或脉冲电源；优选地，采用纳秒脉冲电源能够提高材料表面处理的均匀程度和效率。

8.根据权利要求2所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，所述三维移动平台固定需处理材料，调节Z轴方向高度将材料置于射流管口5~10 mm处，并在电机控制下水平X、Y轴移动，使材料表面每处处理时间相同，保证表面覆膜的均匀性。

9.根据权利要求1所述的一种用于绝缘材料表面改性的等离子体射流装置，其特征在于，多个所述等离子体发生装置共同组成一维阵列结构，增大射流处理面积，提高处理效率。