新型電極等離子體放電制備磁性液體最優(yōu)放電條件的研究＊

唐鵬捷，部德才

新型電極等離子體放電制備磁性液體最優(yōu)放電條件的研究＊

唐鵬捷，部德才

（大連大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116622）

均勻、穩(wěn)定的放電等離子體對(duì)采用等離子體技術(shù)制備納米材料具有重要意義。為了得到均勻、穩(wěn)定的放電等離子體，提出了由尖端平板電極過(guò)渡到多端電極的設(shè)計(jì)，利用3種不同規(guī)格的多端電極，結(jié)合電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在不同參數(shù)下得到了大氣壓多端放電等離子體的放電電壓-電流波形和放電形貌。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三種多端電極中1號(hào)放電電極配置（電極外徑為28.00 mm，齒間距0.83 mm，反應(yīng)間距為3.3 mm）放電波形更加均勻穩(wěn)定；當(dāng)電壓為5.0 kV，放電頻率為60.0 kHz，氣體是Ar和NH3時(shí)放電會(huì)更加穩(wěn)定。

磁性液體；等離子體放電；新型電極；放電均勻性

1 引言

納米磁性液體是一種新型的功能材料，在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。利用等離子體放電技術(shù)制備磁性液體是近年發(fā)展起來(lái)的一種高效的制備方法[1]。通常采用的大氣壓脈沖介質(zhì)阻擋放電等離子體[2]，除擁有較好的穩(wěn)定性、均勻性、化學(xué)活性和非熱平衡性，而且具備較強(qiáng)的氧原子、臭氧和超基等活性粒子與真空紫外線制備的能力以及具有較高的電子溫度、等離子體密度和能量轉(zhuǎn)換效率[3]。

用氣將Fe（CO）5及NH3等通過(guò)等離子體反應(yīng)器，靠等離子體激發(fā)使Fe（CO）5分解，產(chǎn)生的F與等離子態(tài)的氮發(fā)生化合反應(yīng)，即可獲得氮化鐵磁性液體，此為常見等離子體放電技術(shù)制備磁性液體。前人在改進(jìn)反應(yīng)裝置和條件以提高活化效果和促進(jìn)分解、重新組合上作了諸多研究和貢獻(xiàn)[4-5]——縮短了反應(yīng)流程，對(duì)相關(guān)磁性液體飽和磁化強(qiáng)度的最佳實(shí)驗(yàn)條件給出了對(duì)應(yīng)的參數(shù)。本文提出用新型多尖端電極對(duì)一個(gè)同心圓筒型固定電極的等離子體反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)大氣壓介質(zhì)阻擋放電后，利用電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行等離子體診斷，得出最優(yōu)放電條件，對(duì)于大氣壓等離子體放電制備納米磁性液體有著積極意義。同時(shí)，也可應(yīng)用于其他等離子體放電領(lǐng)域，比如等離子體改性、催化甲烷、污染物處理等工業(yè)應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)介紹

大氣壓多端放電等離子體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由配氣系統(tǒng)、多端放電等離子體反應(yīng)器組成。外加電源峰峰值在0～20 kV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出頻率在10～80 kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。實(shí)驗(yàn)利用數(shù)字示波器記錄放電電壓-電流波形。實(shí)驗(yàn)主要用三種氣體（Ar、N2、NH3）作為放電等離子體的反應(yīng)氣氛。實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)做氣密性檢測(cè)，然后將不同的氣體種類和不同的氣體流量通入反應(yīng)腔，反應(yīng)過(guò)程中排出的氣體通過(guò)尾氣處理系統(tǒng)排放。

大氣壓多端放電等離子體反應(yīng)器采用多尖端鋸齒狀電極結(jié)構(gòu)，分別是1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)放電電極，其中，1號(hào)電極外徑為28.00 mm，齒間距0.83 mm；2號(hào)電極外徑為26.00 mm，齒間距0.83 mm；3號(hào)電極外徑為24.00 mm，齒間距0.78 mm。石英玻璃管作為介質(zhì)阻擋層，反應(yīng)器的外徑為34.60 mm，內(nèi)徑為30.60 mm，石英玻璃厚度為2 mm。地電極直接套在石英玻璃外，所以反應(yīng)間距1號(hào)電極為3.3 mm，2號(hào)電極為4.3 mm，3號(hào)電極為5.3 mm。而NH3、N2和Ar的混合氣體自下而上進(jìn)入放電腔，在高頻高壓脈沖電源的作用下產(chǎn)生放電，形成大氣壓多端放電等離子體。實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用數(shù)字示波器采集其放電的電壓-電流波形并分析其放電的均勻穩(wěn)定性。

1—高壓脈沖電源；2—反應(yīng)腔；3—排氣口；4—?dú)庖悍指魧樱?—高壓電極；6—放電腔；7—進(jìn)氣口。

3 等離子特性研究

3.1 不同電極對(duì)大氣壓多端放電等離子體的影響

電源頻率為60.0 kHz，外加電壓峰峰值p-p為4.0 kV，Ar流量為141.5 mL/min。放電電極分別是1，2，3號(hào)的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量了大氣壓多端放電等離子體的放電電壓-電流波形，如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)放電電極是1號(hào)電極時(shí)，在整個(gè)放電周期內(nèi)，放電電流主要是由比較雜亂無(wú)章的細(xì)絲狀的電流脈沖組成，放電模式是絲狀放電。由于電子的不穩(wěn)定性和熱不穩(wěn)定性，大氣壓下脈沖放電從宏觀上看十分均勻，但是仍以絲狀放電為主。因此大氣壓多端放電等離子體放電的本質(zhì)是絲狀放電，但2號(hào)電極的放電電流脈沖峰值比1號(hào)、3號(hào)都大，這說(shuō)明2號(hào)電極的電極配置以及放電的間距更加容易進(jìn)行等離子體放電，其所需要的放電電壓更低。3號(hào)放電電極放電電流是由雜亂的電流脈沖組成，其電流脈沖不均勻且放電電流峰值較小。相比3號(hào)放電電極，1，2號(hào)放電電極的放電電流更加均勻穩(wěn)定。

3.2 不同放電電壓對(duì)大氣壓多端放電等離子體的影響

電源頻率為60.0 kHz，放電電極為1號(hào)電極，Ar流量為141.5 mL/min，NH3流量為71.9 mL/min。外加電壓峰峰值p-p分別是3.0 kV、4.0 kV、5.0 kV、6.0 kV的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)量了大氣壓多端放電等離子體的放電電壓-電流波形，如圖3所示。

圖3 不同放電電壓的電壓-電流波形

放電電流主要是由比較雜亂無(wú)章的細(xì)絲狀的電流脈沖組成，當(dāng)放電外加電壓峰峰值是3.0 kV時(shí)，其放電電流峰值較小，且放電電流脈沖不是很穩(wěn)定。當(dāng)外加電壓峰峰值是5.0 kV、6.0 kV時(shí)其放電模式也是絲狀放電。電壓峰峰值為6.0 kV的放電電流脈沖峰值比其他電壓時(shí)都大，其放電的電流脈沖數(shù)也有所增多，并且放電電流脈沖更加穩(wěn)定。這說(shuō)明隨著電壓的增加放電的電流脈沖數(shù)會(huì)增加，電流峰值也會(huì)隨之增加。

4 結(jié)論

本文從放電電極、放電電壓等方面研究大氣壓多端放電等離子體特性，使用電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)研究不同參數(shù)下的大氣壓多端放電等離子體的放電電壓-電流波形，得到了以下結(jié)論：在不同放電電極方面，由其放電電壓-電流波形可以得到大氣壓多端放電等離子體放電模式主要是雜亂無(wú)章的絲狀放電。其中1號(hào)放電電極配置（電極外徑為28.00 mm，齒間距0.83 mm，反應(yīng)間距為3.3 mm）放電波形更加均勻穩(wěn)定。在不同放電電源電壓方面，由放電電壓-電流波形可以得到隨著電壓的增加放電的電流脈沖數(shù)會(huì)增加，電流的峰值也會(huì)隨之增加，其放電也更加劇烈。當(dāng)電源電壓較低時(shí)如為3.0 kV，其放電顏色不明亮；隨著電壓的增加，放電顏色更加明亮，強(qiáng)度也更大。但是當(dāng)放電電壓為6.0 kV時(shí)，盡管放電強(qiáng)烈，但是局部能量過(guò)大放電不均勻。所以外加電壓5.0 kV時(shí)放電能量大且更加均勻。

［1］李學(xué)慧，齊銳，薛志勇，等.等離子體活化法制備納米磁性液體［J］.稀有金屬材料與工程，2004（8）：858-860.

［2］李和平，于達(dá)仁，孫文廷，等.大氣壓放電等離子體研究進(jìn)展綜述［J］.高電壓技術(shù)，2016，42（12）：3697-3727.

［3］ZHAO G，WANG H H，SI X L，et al.The discharge characteristics in nitrogen helicon plasma［J］. Phys.Plasmas，2017（24）：1235071-1235078.

［4］WU Y，LI Y，JIA M，et al.Optical emission characteristics of surface nanosecond pulsed dielectric barrier discharge plasma［J］.Journal of Applied Physics，2013，113（3）：033303.

［5］董冰巖，周海金，施志勇.電極配置對(duì)多針-板脈沖等離子體反應(yīng)器放電特性的影響［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2016，10（1）：262-266.

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.010

2095－6835（2019）14－0026－02

唐鵬捷（1998—），男，陜西漢中人，本科，大連大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)。

部德才（1972—），男，黑龍江寧安人，碩士，副教授，研究方向?yàn)榧{米磁性液體特性、放電等離子體應(yīng)用。

2018年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201811258067）；教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（編號(hào)：201802019023）；大連大學(xué)2018年教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：2018073）

〔編輯：張思楠〕