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 物理科學與技術學院，遼寧 大連 116622）

均勻、穩(wěn)定的放電等離子體對采用等離子體技術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渡到多端電極的設計，利用3種不同規(guī)格的多端電極，結合電學測量系統(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。實驗結果表明三種多端電極中1號放電電極配置（電極外徑為28.00 mm，齒間距0.83 mm，反應間距為3.3 mm）放電波形更加均勻穩(wěn)定；當電壓為5.0 kV，放電頻率為60.0 kHz，氣體是Ar和NH3時放電會更加穩(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，在多個領域被廣泛應用。利用等離子體放電技術制備磁性液體是近年發(fā)展起來的一種高效的制備方法[1]。通常采用的大氣壓脈沖介質阻擋放電等離子體[2]，除擁有較好的穩(wěn)定性、均勻性、化學活性和非熱平衡性，而且具備較強的氧原子、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換效率[3]。

用氣將Fe（CO）5及NH3等通過等離子體反應器，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，即可獲得氮化鐵磁性液體，此為常見等離子體放電技術制備磁性液體。前人在改進反應裝置和條件以提高活化效果和促進分解、重新組合上作了諸多研究和貢獻[4-5]——縮短了反應流程，對相關磁性液體飽和磁化強度的最佳實驗條件給出了對應的參數(shù)。本文提出用新型多尖端電極對一個同心圓筒型固定電極的等離子體反應器，實現(xiàn)大氣壓介質阻擋放電后，利用電學測量系統(tǒng)進行等離子體診斷，得出最優(yōu)放電條件，對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，也可應用于其他等離子體放電領域，比如等離子體改性、催化甲烷、污染物處理等工業(yè)應用。

2 實驗介紹

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

大氣壓多端放電等離子體反應器采用多尖端鋸齒狀電極結構，分別是1號、2號、3號放電電極，其中，1號電極外徑為28.00 mm，齒間距0.83 mm；2號電極外徑為26.00 mm，齒間距0.83 mm；3號電極外徑為24.00 mm，齒間距0.78 mm。石英玻璃管作為介質阻擋層，反應器的外徑為34.60 mm，內徑為30.60 mm，石英玻璃厚度為2 mm。地電極直接套在石英玻璃外，所以反應間距1號電極為3.3 mm，2號電極為4.3 mm，3號電極為5.3 mm。而NH3、N2和Ar的混合氣體自下而上進入放電腔，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。實驗通過改變不同的實驗參數(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—反應腔；3—排氣口；4—氣液分隔層；5—高壓電極；6—放電腔；7—進氣口。

3 等離子特性研究

3.1 不同電極對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號的實驗條件下，測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，當放電電極是1號電極時，在整個放電周期內，放電電流主要是由比較雜亂無章的細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是絲狀放電，但2號電極的放電電流脈沖峰值比1號、3號都大，這說明2號電極的電極配置以及放電的間距更加容易進行等離子體放電，其所需要的放電電壓更低。3號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號放電電極，1，2號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的實驗條件下，測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章的細絲狀的電流脈沖組成，當放電外加電壓峰峰值是3.0 kV時，其放電電流峰值較小，且放電電流脈沖不是很穩(wěn)定。當外加電壓峰峰值是5.0 kV、6.0 kV時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。這說明隨著電壓的增加放電的電流脈沖數(shù)會增加，電流峰值也會隨之增加。

4 結論

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，使用電學測量系統(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章的絲狀放電。其中1號放電電極配置（電極外徑為28.00 mm，齒間距0.83 mm，反應間距為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)會增加，電流的峰值也會隨之增加，其放電也更加劇烈。當電源電壓較低時如為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，強度也更大。但是當放電電壓為6.0 kV時，盡管放電強烈，但是局部能量過大放電不均勻。所以外加電壓5.0 kV時放電能量大且更加均勻。

［1］李學慧，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，于達仁，孫文廷，等.大氣壓放電等離子體研究進展綜述［J］.高電壓技術，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.電極配置對多針-板脈沖等離子體反應器放電特性的影響［J］.環(huán)境工程學報，2016，10（1）：262-266.

O53

A

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，大連大學光電信息科學與工程專業(yè)。

部德才（1972—），男，黑龍江寧安人，碩士，副教授，研究方向為納米磁性液體特性、放電等離子體應用。

2018年遼寧省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（編號：201811258067）；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（編號：201802019023）；大連大學2018年教學改革項目（編號：2018073）

〔編輯：張思楠〕