等離子體的產(chǎn)生和應(yīng)用 等離子體(Plasma)是物質(zhì)除氣態(tài),固態(tài),液態(tài)外,廣泛存在
于宇宙大自然中的一種基本形態(tài).在外加能量作用下,如進(jìn)行加熱,加外電場,激光照射等時(shí),氣體分子或原子會發(fā)生電離,形成帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的離子.當(dāng)電離產(chǎn)生的帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),電離氣體變成由帶電粒子和中性粒子組成的集合體,改變了原來的狀態(tài),由于此時(shí)電離氣體的正負(fù)離子總數(shù)相等,整體呈電中性,故稱其為物質(zhì)的第四態(tài)———等離子態(tài).
生成等離子體的能量供給途徑主要有電能,熱能,核能,輻射能和機(jī)械能五種,實(shí)驗(yàn)室中的電離方法主要有:
(1)放電法 通過從直流到微波所有頻率帶的放電,都可以產(chǎn)生各種不同電離狀態(tài)的等離子體.
(2)燃燒法 通過燃燒,使氣體發(fā)生熱電離.例如火焰中的高能粒子相互碰撞會發(fā)生熱電離;此外,特定的熱化學(xué)反應(yīng)所放出的能量也能引起氣體電離.
(3)沖擊波法 通過急劇壓縮氣體,產(chǎn)生高溫,使氣體發(fā)生熱電離而產(chǎn)生等離子體.
(4)光,X射線,β射線照射法 電離所需的能量由光,X射線,β射線提供,放電的起始電荷是電離生成的離子,這種電離方法形成的電荷密度一般較低.
(5)激光照射法 通過激光照射可使物質(zhì)蒸發(fā)而電離,
(6)堿金屬蒸氣與高溫金屬板的接觸 使堿金屬蒸氣與高溫金屬板接觸生成等離子體.當(dāng)氣體接觸到具有比其電離能大的金屬時(shí),則發(fā)生電離.堿金屬蒸氣的電離能小,故容易發(fā)生電離.
工業(yè)上應(yīng)用的等離子體主要分為兩種:一種為平衡"高溫"等離子體,即其體系中的電子溫度與中性粒子溫度相等,溫度可高達(dá)5×103～2×104K;另一種為非平衡"低溫"等離子體,其反應(yīng)主要靠電子動(dòng)能來激發(fā),實(shí)際工作中,電子動(dòng)能大多為1～10eV,體系中電子溫度高達(dá)104～105K,而離子溫度不過幾百度甚至接近室溫.高溫等離子體目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在金屬切割,高熔點(diǎn)金屬的熔煉,提純等方面.近年來,低溫等離子體應(yīng)用于紡織材料的表面處理技術(shù)研究則十分活躍.低溫等離子體主要由氣體放電產(chǎn)生,放電方式可分為電暈放電(Coronadischarge),輝光放電(Glowdischarge),介質(zhì)阻擋放電(Dielectricbarrierdischarge),射頻放電(Radiofrequencydischarge)及微波放電(Microwavedischarge)等幾種.
但是,多數(shù)低溫等離子體是在幾百帕的低氣壓下通過氣體放電產(chǎn)生的,應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)時(shí)存在兩個(gè)重要缺陷:
一是低效率的分批處理方式.由于時(shí)常需要打開真空處理室,取出產(chǎn)品及添加試品,難以生產(chǎn)連續(xù).二是需要復(fù)雜的真空系統(tǒng),投資較高.雖然大氣壓下,空氣中電暈,電弧和介質(zhì)阻擋放電都能產(chǎn)生等離子體,但電暈放電是絲狀放電,且放電太弱,因而處理不均勻,效率低;電弧放電太強(qiáng),易損壞試品;介質(zhì)阻擋放電通常由一些具有較高能量密度的放電細(xì)絲組成,難以對材料進(jìn)行均勻處
紡織品常壓輝光放電等離子體處理技術(shù)印 染(2006No.21)理,并也可能損壞試品.所以,最適用于工業(yè)生產(chǎn)的是大氣壓下功率密度適中(100mW/cm2)的均勻輝光放電,即APGD(Atmos2phereGlowDischarge)產(chǎn)生的等離子體.
在過去40年中,很多文獻(xiàn)提及了應(yīng)用等離子體來改變紡織品的表面性能.一些真空等離子體的DGPW也證明了等離子體工業(yè)化應(yīng)用的可行性,但是其存在真空設(shè)備無法滿足紡織工業(yè)連續(xù)生產(chǎn),以及成本過高和生產(chǎn)速度緩慢等問題,無法使之真正大規(guī)模地用于實(shí)際生產(chǎn).只有大氣壓下的等離子體技術(shù)才能滿足紡織工業(yè)生產(chǎn)的要求.
APGD實(shí)驗(yàn)室小樣試驗(yàn)已獲成功,但應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中仍面臨很多問題.例如,一些紡織品的三維空間的多孔結(jié)構(gòu)的
特殊性能;織物表面含有的茸毛,塵埃等雜質(zhì)和大面積的表面加工等,都會影響等離子體處理效果
[1].2 電暈放電
2.1 電暈放電的產(chǎn)生
電暈放電可以在大氣壓或更高的氣壓下工作,但電壓必須足夠高,以增強(qiáng)電暈部位的電場.所以,一般都在高電壓(>15kV)和較高頻率(20～40kHz)條件下放電.電暈是一種自持放電,在電暈放電中,電極的幾何形狀非常重要,故電暈放電大多在曲率半徑很小的電極,如針狀電極或絲狀電極上施加高電壓.電場的不均勻性,使主要的電離過程局限于局部電場很高的電極附近,特別是發(fā)生在曲率半徑很小的電極附近或大或小的薄層中,并伴隨明顯的光亮,這個(gè)區(qū)域稱為電離區(qū)域,或稱之為電暈層或起暈層.在電暈層外,電場強(qiáng)度很低,不發(fā)生或很
少發(fā)生電離.電流的傳導(dǎo)依靠正離子和負(fù)離子或電子的遷移運(yùn)動(dòng),通常稱之為遷移區(qū)或外圍區(qū).形成電暈放電所需的最低電壓稱為起暈電壓.經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算公式為[2～3]:U0=31md(1+0.308rd)式中:U0———起暈電壓,kV/cm;
M———與電暈線表面狀態(tài)有關(guān)的系數(shù),光滑表面取1,粗糙表面取0.92,絞合的金屬線取0.82;
d———相對空氣密度(d=0.0294p/T);
r———電暈線曲率半徑;
p,T———當(dāng)?shù)貧鈮汉蜌鉁?
電暈放電的極性取決于具有小曲率半徑的電極極性.如果電極帶正電位,則發(fā)生的電暈稱為正電暈;反之稱為負(fù)電暈.在正電暈情況下,隨著極間電壓的增加,將出現(xiàn)閃爍脈沖電暈,流光電暈,輝光電
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