介质阻挡放电材料对放电特性影响的研究

摘要

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge：DBD)产生的大面积均匀放电等离子体在工业上有着非常广阔的应用前景，但在大气压空气中还难以实现。介质阻挡材料对放电特性有着非常重要的影响，使用不同类型的阻挡材料所产生的放电形态有很大区别，因此研究不同类型介质阻挡材料影响放电特性的规律和机理，对于大气压下空气中实现大面积均匀放电具有重要的意义。 本文研究了氧化铝、石英、聚丙烯、聚四氟乙烯和硅橡胶5种不同介质阻挡材料在低气压空气中介质阻挡放电的特性，提出了采用低气压下得到均匀放电的气压范围作为衡量介质阻挡材料对放电形态影响的标准，准确地评价了不同材料对均匀放电影响的好坏程度。研究结果表明，有机材料得到的均匀放电范围明显大于无机材料。 研究了5种不同介质阻挡材料表面积累的电荷随时间变化的规律，比较了材料表面积累和保存电荷的能力与低气压下放电范围的关系，发现了材料表面积累电荷能力和保存电荷能力共同影响放电形态的规律，证实了材料表面电子解吸附作用对放电特性影响的推测。 利用热刺激电流的研究方法深入研究了不同材料陷阱分布的规律和特性，首次发现了材料低能级陷阱的数量决定低气压均匀放电范围的规律。介质阻挡材料表层中能级低于leV的陷阱数量越多，能够得到均匀放电的气压范围越大。 根据材料陷阱分布的特性，深入分析了引起介质阻挡材料表面电子发生解吸附的机制，亚稳态分子可能是影响材料表面电子发生二次电子发射的主要机制。 根据低能级陷阱数量决定均匀放电气压范围的规律，寻找到一种低能级陷阱数量更多的材料：电晕老化处理的硅橡胶，利用这种材料作为介质阻挡材料，在更宽的气压范围内(最高52kPa)得到了均匀放电，为进一步提高均匀放电的范围，最终在大气压空气中实现大面积均匀放电提供了一条可行的研究途径。

目录

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第一章 绪论

1.1介质阻挡放电的研究意义

1.2介质阻挡材料对放电影响的研究进展

1.2.1介质阻挡材料对电流的限制作用

1.2.2介质阻挡材料厚度的影响

1.2.3不同种类介质阻挡材料的影响

1.2.4材料表面电荷影响的试验和分析

1.2.5表面电子解吸附作用的假设

1.3介质阻挡材料对放电影响的研究存在的问题

1.4本文的研究内容

第二章 试验装置及测试方法

2.1低气压介质阻挡放电试验研究系统

2.1.1高频电压源

2.1.2试验电极结构

2.1.3实验腔系统

2.1.4测量系统

2.1.5测试方法

2.2表面电荷特性测量试验研究系统

2.2.1已有测量技术简介

2.2.2表面电荷测量系统

2.2.3表面电荷测量方法

2.3热刺激电流(TSC)试验研究系统

2.3.1热刺激电流简介

2.3.2热刺激电流试验系统

2.3.3热刺激电流试验方法

2.3.4热刺激电流试验参数的确定

2.3.5热刺激电流试验系统的改进

2.4小结

第三章 低气压介质阻挡放电形态研究

3.1放电形态随气压变化的规律

3.1.1判断放电形态放生变化的标准

3.1.2评价介质阻挡材料的标准

3.2不同材料放电特性的比较

3.2.1相同厚度的不同种类材料的比较

3.2.2相同种类的不同厚度材料的比较

3.3材料性质对放电影响的分析

3.4小结

第四章 介质阻挡材料表面电荷特性研究

4.1材料表面电荷密度随时间变化的规律

4.1.1氧化铝陶瓷

4.1.2石英

4.1.3聚丙烯

4.1.4聚四氟乙烯

4.1.5硅橡胶

4.2不同材料表面电荷特性的比较分析

4.2.1规律分析

4.2.2与DBD研究结果的比较

4.2.3解吸附频率的计算

4.2.4研究材料解吸附频率时存在的疑问

4.3小结

第五章 介质阻挡材料的陷阱特性研究

5.1固体介质材料的陷阱

5.1.1固体能带结构

5.1.2陷阱的形成

5.2利用数据曲线计算陷阱能级的方法

5.2.1单峰曲线的计算方法

5.2.2复杂曲线峰的计算方法

5.3材料陷阱分布特性的比较

5.4材料陷阱特性分析

5.4.1不同材料陷阱性的区别

5.4.2材料厚度对TSC曲线的影响

5.4.3陷阱特性与均匀放电气压范围的联系

5.7小结

第六章 介质材料对介质阻挡放电影响的分析

6.1表面电荷解吸附假设

6.1.1表面电荷的作用的分析

6.1.2陷阱分布对放电的影响

6.2二次电子发射理论

6.3陷阱电荷解吸附方式的分析

6.3.1正离子碰撞引起的解吸附

6.3.2光子照射引起的解吸附

6.3.3亚稳态引起的解吸附

6.3.4外电场对解吸附的影响

6.4其他因素对放电均匀性影响的分析

6.4.1材料表面电场的分析

6.4.2材料厚度的影响分析

6.5小结

第七章 老化硅橡胶的介质阻挡放电特性的研究

7.1电晕老化试验

7.1.1试验装置

7.1.2试验方法

7.2电晕老化处理的硅橡胶的低气压放电特性

7.3老化处理硅橡胶的陷阱特性研究

7.4研究结果分析

7.4.1扫描电镜分析

7.4.2傅立叶变换红外光谱分析

7.5小结

第八章 结论

8.1主要研究成果

8.2后续工作展望

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参加的科研工作