大氣壓介質阻擋放電與應用的研究現狀及問題

姚聰偉

摘 要：本文從高電壓工程出發，簡介了放電等離子體的類型、產生機制及其交叉學科的發展歷程，分析了大氣壓介質阻擋放電的優勢和必要性;闡述了大氣壓介質阻擋放電結構類型，以及在生物醫學和輔助燃燒等領域應用現狀及其存在的問題;歸納了高電壓氣體放電等離子體交叉學科應用中的共性科學問題。

關鍵詞：高電壓技術;介質阻擋放電;交叉學科應用

中圖分類號：O461.21 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0135-02

0 引言

在高電壓輸變電工程中，氣體擊穿會導致電力設備絕緣結構的失效，可能導致重大電力系統事故，所以在傳統高電壓工程中，人們傾向于抑制氣體擊穿。然而，氣體放電等離子體具有高化學活性[1]，可以降低許多化學反應閾值。近年來，等離子體這一特性在諸多交叉學科領域引起了重視。根據等離子體中電子、離子和宏觀溫度的平衡狀態，可將等離子體分類為完全熱平衡、局域熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體[2]。本文主要關注大氣壓非熱平衡等離子體。

非熱平衡等離子體既可通過無電極的微波波導結構或電感耦合型結構氣體放電產生，也可通過電容耦合型結構氣體放電產生[3]。其中，電場驅動電容耦合放電是產生人造非熱平衡等離子體的重要方式。50年代，由核技術和空間探索技術衍生的等離子體焊接、切割和噴涂等技術使等離子體技術走向應用[2];70年代后，等離子體技術先后在集成電路和顯示器等領域成功應用[3]。21世紀后，隨著氣體放電在光源、氣相沉積和半導體工藝等應用的日漸成熟，及在生物醫學、輔助燃燒和材料處理等領域的前景[2]，人們對等離子體穩定性、可控性和高效性有了更高要求。

1 大氣壓介質阻擋放電及其應用

1.1 介質阻擋放電結構

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）通過在電極之間添加絕緣介質，阻礙放電貫通高低壓電極，使等離子體處于非熱平衡狀態，避免其發展為破壞性較大的電弧放電，是產生非熱平衡等離子體的重要方式。幾類大氣壓DBD結構可見參考文獻[4]，可分為體放電和沿面放電兩種類型。如圖1所示。

大氣壓DBD產生的非熱平衡等離子體具有富含高化學活性粒子、宏觀溫度接近于室溫和可在大氣壓氛圍中產生等優勢，可改善部分化學反應的啟動條件，降低生產成本，在材料表面處理、生物醫學和輔助燃燒等交叉學科領域均有應用。

1.2 材料處理

將DBD在材料領域應用的歷史較長，但由于傳統的低氣壓放電等離子體技術需要成本較高的真空設備，近年來，人們開始探索大氣壓DBD在不同類型材料表面處理的應用，主要聚焦材料親疏水性、粘附性和粗糙度等表面物化性能的改變。例如，使用He、N2、O2及其混合氣體DBD處理聚丙烯薄膜，可減小表面水接觸角，降幅可達66%，且輝光放電引起的水接觸角變化更顯著，同時，輝光放電處理后，表面碳元素含量更低，氧氮含量比例也更小[5];使用含CF4的DBD等離子體對材料表面進行處理，可改變表面親水性，增加粗糙度，提高了材料沿面耐電性能，有可能增強材料對表面電荷的束縛能力，降低高能電子引起的真空二次電子發射系數[6]。目前，對DBD等離子體材料表面改性機制的認識包括：一方面，DBD等離子體中的高能粒子轟擊材料表面，會清除材料表面部分雜質，并破壞材料表面物理形貌，使材料表面粗糙度提高;另一方面，高能電子、離子或激發態粒子可以破壞材料表面化學鍵，在材料表面形成斷鍵，激活材料表面化學活性，進一步地，材料表面的斷裂化學鍵可能重新鍵合，形成網狀結構，實現聚合物表面交聯，也可能使等離子體中的活性自由基與材料表面斷鍵發生接枝反應，引入新元素或新基團，從而改變材料表面物化性能。

1.3 生物醫學

大氣壓DBD非熱平衡等離子體由于具有特殊化學活性和低溫特性在生物醫學領域存在巨大應用潛力，包括較為成熟的等離子體滅毒殺菌技術，和仍在研究階段的癌癥治療與創傷修復等。1990至2000年人們發現非熱平衡等離子體可以使細胞脫吸附，引起真核細胞凋亡，提出了使用等離子體殺滅病原體和創傷修復的可能性[7]。2000年至今，研究證明了等離子體能高效滅活金黃色葡萄球菌和艾滋病病毒等病原體，具有低溫、高效和普適等特性[8];發現腫瘤細胞對等離子體的耐受能力弱于正常細胞，等離子體能在不損傷正常細胞的情況下殺滅腫瘤細胞，減小腫瘤大小[8];將等離子體應用于創傷修復，發現等離子體殺滅傷口有害病菌的同時，可促進成纖維細胞增殖，加速創傷修復進程[7]。實驗與理論研究表明等離子體中的OH和H2O2等ROS可以滲透組織液，在分子層面上引起細胞膜表面分子的變化，并對細胞生理功能產生影響，但等離子體活性粒子在溶液中滲透深度量化計算方法和對細胞具體作用途徑則尚未明晰。

1.4 輔助燃燒

燃料高效燃燒是能源領域關注的重要問題。人們發現了非熱平衡等離子體可縮短燃料點火時延，提高燃燒效率[9]。為增強等離子體的可控性，DBD結構被應用于輔助燃燒，以提高低氣壓、高流速等極端環境中的燃燒穩定性。目前，人們發現非熱平衡等離子體可在三個方面影響燃燒進程：溫升效應：放電引起氣體局部溫度升高，提升了燃燒反應速率，使點火時延縮短、火焰傳播速率增加等;化學效應：等離子體中的O、OH、CH等活性粒子是燃燒鏈式反應的過渡粒子，通過放電產生可以加快燃燒反應，拓展燃燒極限;氣流輸運效應：帶電粒子在電場作用下會定向遷移，其動量傳遞給燃燒氣體，引起湍流，在一定范圍內，可使燃料與助燃劑混合更加充分，提高燃燒效率，但擾動過大使燃燒不穩定。

2 結論

綜上所述，大氣壓DBD等離子體應用更便利，極具前景。但是，DBD在相關領域應用仍存在一些問題，例如，大氣壓DBD容易產生不均勻放電，引起材料表面改性不均勻、等離子體溫度過高則會灼傷生物組織、放電過于劇烈會增加氣流湍流程度而破壞火焰穩定性等等。因此，其共性問題為如何有效調控大氣壓DBD等離子體的宏觀溫度、放電類型和活性粒子等性質;其關鍵科學問題是探明大氣壓DBD基礎理論，即掌握不同氣體氛圍、不同電源驅動形式和不同放電結構的大氣壓DBD等離子體特性及其調控規律，并建立具有普適性的大氣壓DBD理論體系，實現對特定應用場景DBD等離子體源設計的指導。

參考文獻

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