材料表面处理高频高压低温等离子体放电电源技术的研究

论文摘要

大气压下的等离子体可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体,非热平衡等离子又称低温等离子体,它的特点是电子温度远高于重粒子温度。近年来,对低温等离子体的研究逐渐成为等离子体学科的研究热点。其主要原因是低温等离子体在许多工程领域,特别是在材料表面改性方面具有重要的应用价值。低温等离子体材料表面处理不仅可以使材料表面变粗糙,并且可以引入羟基（—OH）,羰基（—C=O）,氨基（—NH2）等亲水基团,从而提高材料的表面能,改善材料表面的润湿性和粘结性。 目前电力电子技术已广泛地应用于低温等离子体的材料表面处理,但由于现有的高压低温等离子体放电电源系统的低效率和高成本,严重影响了它的进一步推广。研究一种适合多种材料负载的高效低温等离子体表面处理系统已成为必然。本文的研究是低温等离子体科学、电力电子技术和材料科学的交叉学科研究,因此本文的主要研究内容也包括了这三方面。 1、对介质阻挡放电的影响因素进行了系统地分析和研究。 a) 首次确定了接地电极转动对介质阻挡放电的影响。实验的结果表明:接地电极静止或转动,介质阻挡放电将呈现不同的放电形式和电流波形,对其原因进行了讨论。 b) 讨论了不同电极结构和不同放电形式的介质阻挡放电的特点。提出了一种采用介质阻挡放电的电极结构,在空气中产生大气压下均匀放电的方法。 c) 详细分析了绝缘介质位置不同对介质阻挡放电电流波形的影响和绝缘介质对放电起始电压的影响,并对绝缘介质对介质阻挡放电特性的影响进行了分析和总结。 2、通过大量的仿真和实验,详细分析了介质阻挡放电的负载特性。分别给出了变压变频、定频变压、和定压变频的动态变化曲线,并通过20kW塑料薄膜表面处理机的研制对分析结果进行了验证。在此基础上设计了一系列不同功率等级和不同控制方案的低温等离子体放电电源,满足不同应用场合的需求。 a) 提出了一种基于脉冲密度调制（PDM）和脉冲频率调制（PFM）混合控制的材料表面处理电源。PDM用来调节逆变器的输出功率,PFM用来补偿温度和其它环境因素对放电的影响。实验结果表明基于PDM和PFM混合控制的串联谐振逆变器（SRI）使材料表面处理电源系统简单,

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 低温等离子体技术及其在材料表面处理中的应用
• 1.2.1 等离子体的概念
• 1.2.2 低温等离子体的基本概念及分类
• 1.2.3 低温等离子体在材料表面处理中的应用
• 1.3 介质阻挡放电等离子体技术
• 1.3.1 介质阻挡放电的基本原理
• 1.3.2 介质阻挡放电的不同形式
• 1.3.3 介质阻挡放电参数的测量
• 1.4 大气压辉光放电等离子体技术
• 1.4.1 大气压辉光放电表面处理的优点
• 1.4.2 大气压辉光的产生方法综述
• 1.5 高频高压放电电源的研究现状
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 介质阻挡放电的影响因素分析
• 2.1 介质阻挡放电的分类
• 2.2 电极结构和激励方式对介质阻挡放电的影响
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 不同电极结构的介质阻挡放电
• 2.2.3 不同形式的介质阻挡放电
• 2.3 接地电极转动对电极不对称介质阻挡放电的影响
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 实验结果分析
• 2.3.3 实验中应注意的问题
• 2.4 绝缘介质对介质阻挡放电的影响
• 2.4.1 实验装置
• 2.4.2 绝缘介质位置不同对放电电流波形的影响
• 2.4.3 绝缘介质对放电起始电压的影响
• 2.4.4 绝缘介质对介质阻挡放电特性的影响
• 2.5 其它条件对介质阻挡放电的影响
• 2.5.1 气隙宽度对介质阻挡放电的影响
• 2.5.2 激励电压幅值和频率对介质阻挡放电的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 介质阻挡放电的负载特性和控制方法
• 3.1 介质阻挡放电的负载特性分析
• 3.1.1 介质阻挡放电的等效模型
• 3.1.2 介质阻挡放电的负载特性
• 3.2 介质阻挡放电的仿真研究
• 3.2.1 微放电波形的仿真模拟与分析
• 3.2.2 频率变化对微放电的影响
• 3.3 负载特性的实验结果分析
• 3.3.1 20kw塑料薄膜表面处理系统的描述
• 3.3.2 实验结果分析
• 3.3.3 实验现象的讨论
• 3.4 控制方案的分析与比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 介质阻挡放电电源的研制
• 4.1 PAM控制的介质阻挡放电电源的研制
• 4.1.1 电源系统描述
• 4.1.2 控制电路设计
• 4.1.3 PAM控制的中等功率放电电源实验结果
• 4.1.4 50kW大功率高频高压放电电源实验结果
• 4.2 移相脉冲宽度调制控制的介质阻挡放电电源研制
• 4.2.1 主电路描述
• 4.2.2 PS-PWM控制
• 4.2.3 锯齿波的产生
• 4.2.4 实验结果分析
• 4.3 PDM和PFM混合控制的介质阻挡放电电源的研制
• 4.3.1 PDM和PFM混合控制
• 4.3.2 实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 大气压辉光放电电源的研制
• 5.1 大气压辉光放电的仿真研究
• 5.2 大气压辉光放电和介质阻挡放电（细丝放电）的比较
• 5.3 大气压辉光放电的负载特性分析
• 5.3.1 负载等效模型的建立
• 5.3.2 负载谐振频率分析
• 5.4 大气压辉光放电的控制方案选择
• 5.4.1 限制条件分析
• 5.4.2 控制方案选择
• 5.5 PDM控制的大气压类辉光放电实验研究
• 5.6 高压交流方波激励的大气压均匀放电
• 5.7 大气压辉光放电实验中应注意的问题
• 5.8 本章小结
• 第六章 低温等离子体放电在材料表面处理中的应用研究
• 6.1 介质阻挡放电等离子体对高分子材料的表面处理
• 6.1.1 聚丙烯（PP）的表面改性
• 6.1.1.1 实验方法
• 6.1.1.2 实验结果分析
• 6.1.2 聚氯乙稀（PVC）的表面改性
• 6.1.3 聚乙烯（PE）的表面改性
• 6.1.4 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的表面改性
• 6.2 处理条件对高分子材料表面改性的影响
• 6.2.1 处理时间对处理效果的影响
• 6.2.2 处理电压对处理效果的影响
• 6.2.3 工作频率对处理效果的影响
• 6.2.4 气隙间距对处理效果的影响
• 6.2.5 经时效应
• 6.3 介质阻挡放电对无机材料的表面处理
• 6.3.1 对金属材料铜的表面处理
• 6.3.2 对无机非金属材料玻璃的表面处理
• 6.4 大气压辉光放电对羊毛纤维的表面改性
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 今后工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢