一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法技术

本发明专利技术公开了一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，属于大气压低温等离子体应用领域。本方法采用CF4或Ar/CF4混合气体作为工作气体，使用脉冲调制微波电源激励放电，基于同轴谐振腔原理设计放电装置，在装置开口端产生局域增强电场，高效电离工作气体，产生高密度、温度可控的大气压碳氟等离子体射流。本方法产生的大气压碳氟等离子体射流适用于聚合物绝缘材料的表面氟化处理，可以弥补现有的碳氟等离子体密度不高、对材料表面氟化程度不充分的缺点。不充分的缺点。不充分的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法


[0001]本专利技术涉及大气压低温等离子体应用
，具体为一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法。

技术介绍

[0002]电气工程中通常使用固体绝缘实现电气隔离与机械固定作用。由于沿面闪络现象的存在，固体绝缘与空气的交界面往往成为绝缘系统的薄弱环节，其沿面耐电强度远远低于其基体的耐电强度。因此，提升固体绝缘的沿面耐电性能具有重要的意义。含氟材料通常具有较高的电气绝缘强度和化学稳定性，在绝缘材料中具有广泛的应用。研究表明，将绝缘材料进行表面氟化处理可以有效提高其沿面耐电性能，同时不影响其基体性能。绝缘材料表面氟化最初通过F2或F2/N2混合气体处理直接进行，由于F2强烈的毒性与腐蚀性，反应需要在密闭的真空系统内进行，并且危险性极高。近年来，研究人员提出应用碳氟等离子体表面氟化绝缘材料的方法，通过碳氟气体放电产生活性碳氟基团与材料表面反应，从而避免F2的使用，同时碳氟等离子体可以在大气压下产生，无需昂贵的真空系统，可以降低成本，并且更加高效便捷。
[0003]目前大气压碳氟等离子体主要基于介质阻挡放电原理产生。由于氟元素具有极强的电子亲和性，大气压下的碳氟气体击穿场强较高，难以电离，即使在极强的外施电场激励下产生碳氟等离子体，也必然会使其气体温度过高而难以应用。为了解决这一问题，研究者通常使用大量惰性气体(常用Ar和He)进行混合，从而降低击穿场强和气体温度。然而，添加大量的惰性气体后，碳氟气体比例降低，产生的等离子体中碳氟基团含量大幅降低，使材料表面氟化程度不够充分。数据表明，应用F2或F2/N2混合气体直接氟化的材料，其表面氟含量可达30
‑
40％，而应用介质阻挡放电产生的大气压碳氟等离子体表面处理的材料，其表面氟含量通常在10
‑
20％范围。
[0004]综上所述，亟需发展一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，使绝缘材料表面氟化更加充分，同时，高密度的等离子体通常具有更高的气体温度，因此，必须使碳氟等离子体的气体温度可控，从而避免对作用对象的热损伤，适应于实际应用，另外也有其他需要解决的问题(详见下文)。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，解决了以下技术问题：
[0007]1、传统绝缘材料表面氟化最初通过F2或F2/N2混合气体处理直接进行，由于F2强烈的毒性与腐蚀性，反应需要在密闭的真空系统内进行，并且危险性极高；
[0008]2、氟元素具有极强的电子亲和性，大气压下的碳氟气体击穿场强较高，难以电离，即使在极强的外施电场激励下产生碳氟等离子体，也必然会使其气体温度过高而难以应
用；
[0009]3、添加大量的惰性气体后，碳氟气体比例降低，产生的等离子体中碳氟基团含量大幅降低，使材料表面氟化程度不够充分；
[0010]4、应用F2或F2/N2混合气体直接氟化的材料，其表面氟含量可达30
‑
40％，而应用介质阻挡放电产生的大气压碳氟等离子体表面处理的材料，其表面氟含量通常在10
‑
20％范围；
[0011]5、辉光放电的电子密度一般不超过10
17
/m3，而微波放电电子密度可达10
20
/m3，高密度的等离子体中活性粒子成分更加丰富，有利于提升绝缘材料表面氟化效果；
[0012]6、为了降低气体温度，常用增大气体流量或另设冷却气流的方式进行降温，但过大的气体流量将使工作气体由层流过渡到湍流状态，增大了放电的不稳定性，同时也减小了活性粒子密度，甚至会使放电熄灭。
[0013](二)技术方案
[0014]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，用于碳氟等离子体的产生，采用脉冲调制微波电源和同轴谐振腔装置产生放电，所述碳氟等离子的平均电子密度大于等于10
20
/m3，所述同轴谐振腔装置的工作气体在同轴谐振腔装置的开口端的局域增强电场作用下被电离，产生大气压碳氟等离子体射流。
[0015]优选的，所述同轴谐振腔装置的工作气体为CF4气体。
[0016]优选的，所述同轴谐振腔装置的工作气体为Ar/CF4混合气体。
[0017]优选的，所述脉冲调制微波电源能够通过调节占空比来调节气体温度。
[0018]优选的，所述同轴谐振腔装置能够在大气压下电离CF4气体。
[0019]优选的，所述脉冲调制微波电源的微波频率使用2.45GHz，输出功率在0
‑
200W范围，调制脉冲的频率在10Hz
‑
200kHz范围，占空比在1％
‑
99％范围。
[0020]优选的，所述同轴谐振腔装置的长度设计为四分之一微波波长30.6mm，一端开路，另一端短路，微波功率通过SMA接口馈入同轴谐振腔，位置距短路端内壁6.5mm，从而使内导体开路端为谐振位置，获得最大场强。
[0021](三)有益效果
[0022]本专利技术提供了一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法。具备以下有益效果：
[0023](1)、该高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法使用微波放电产生碳氟等离子体，其密度比介质阻挡放电产生的碳氟等离子体更高(如大气压介质阻挡辉光放电的电子密度一般不超过10
17
/m3)。
[0024](2)、该高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法同轴谐振腔装置产生局域增强电场，可以在大气压下直接电离纯CF4产生碳氟等离子体射流。
[0025](3)、高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法采用脉冲调制技术降低气体温度，结合其他参数可使气体温度在50
‑
500℃范围内调节，并根据作用对象的耐热性选择气体温度。
附图说明
[0026]图1为一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法原理图。
[0027]图2为纯CF4微波等离子体射流的图像。
[0028]图3为Ar/CF4微波等离子体射流的图像。
[0029]图4为He/CF4微波等离子体射流的图像。
[0030]图5为纯CF4微波等离子体射流的发射光谱。
[0031]图6为Ar/CF4微波等离子体射流的发射光谱。
[0032]图7为Ar/CF4微波等离子体射流的电子密度诊断图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]参照图1，以具体原理图说明一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法。采用脉冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，用于碳氟等离子体的产生，其特征在于：采用脉冲调制微波电源和同轴谐振腔装置产生放电，所述碳氟等离子的平均电子密度大于等于10
20
/m3，所述同轴谐振腔装置的工作气体在同轴谐振腔装置的开口端的局域增强电场作用下被电离，产生大气压碳氟等离子体射流。2.根据权利要求1所述的一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，其特征在于：所述同轴谐振腔装置的工作气体为CF4气体。3.根据权利要求1所述的一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，其特征在于：所述同轴谐振腔装置的工作气体为Ar/CF4混合气体。4.根据权利要求1所述的一种高密度大气压碳氟等离子体射流的产生方法，其特征在于：所述脉冲调制微波电源能够通过调节占空比来调节气体温度。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪隆臻，刘常鸿，陈思乐，金亚曦，王烨，吴曦翱，岳永彬，徐旭初，赵寅，杨黄华，曹军帅，谭清岩，汪斌斌，韦宇，吴世平，
申请(专利权)人：国网安徽省电力有限公司马鞍山供电公司，
类型：发明
国别省市：