利用大气脉冲微波氟碳等离子体射流对氧化铝陶瓷进行高效表面氟化处理

《Applied Surface Science》：Efficient surface fluorination of alumina ceramics using atmospheric pulsed microwave fluorocarbon plasma jet

表面放电现象制约了陶瓷绝缘的整体性能，脉冲调制微波CF4/Ar等离子体喷射技术可有效提升陶瓷表面电气性能。通过调控CF4体积分数（20%-100%），发现当CF4占比20%-40%时，氧化铝表面氟含量可达70%，表面形成氟碳基团沉积层，有效抑制电荷注入和二次电子发射，显著提高表面闪络电压强度。研究建立了等离子体参数与陶瓷表面改性效果的关系模型，为高电压设备陶瓷绝缘表面处理提供了新方法。（

　　在电气工程领域，固体绝缘材料在确保导体之间电势隔离和提供机械固定方面起着关键作用。然而，绝缘材料与气体（或真空）之间的界面往往是整个绝缘系统中的薄弱环节。在强电场作用下，两个导体之间可能会发生沿表面的破坏性放电，这种现象被称为表面闪络。当表面闪络发生时，所施加的电场强度远低于相同几何结构的固体或气体/真空绝缘材料自身的击穿电场强度。因此，表面闪络限制了陶瓷绝缘的整体性能。如何有效地提高陶瓷绝缘的表面介电强度，已成为高压绝缘研究中的热点和难点问题，这对提升高压电力设备和电子组件的安全性和稳定性具有重要意义。

陶瓷材料因其优异的热稳定性和化学稳定性，常被用于高压电力设备和电子组件中的固体绝缘。然而，它们仍然面临表面闪络的问题。例如，氧化铝陶瓷的电气击穿强度约为300–400千伏/厘米，而真空击穿强度约为350千伏/厘米。然而，真空与氧化铝陶瓷界面之间的表面闪络强度通常低于100千伏/厘米。因此，表面闪络成为限制陶瓷绝缘性能的关键因素。如何有效改善陶瓷绝缘的表面介电性能，是当前高压绝缘研究中的重要课题。

表面氟化是提升绝缘材料表面电性能的一种有效方法。最初，表面氟化主要通过直接氟化的方式进行。直接氟化可以在材料表面形成氟化层，从而起到抑制电荷注入、加快表面电荷消散速率的作用。这种技术被认为能够降低二次电子发射系数，并增强表面的电气阻抗。受到直接氟化技术的启发，研究人员提出了使用氟碳等离子体进行表面氟化的方法。早在2014年，T. Shao等人就曾报道过使用氟碳等离子体提高绝缘材料表面电气性能的研究。他们发现，由于元素氟的电子亲和力，材料表面的电子捕获能力得到了增强，从而降低了二次电子发射系数，被认为是真空闪络电压提升的主要原因。在我们之前的实验中，采用He/CF4大气压等离子体喷射（APPJ）对环氧树脂进行表面改性，结果发现环氧树脂在真空环境下的闪络电阻性能显著提升。该研究从三个方面探讨了氟碳等离子体处理如何改善环氧树脂的真空表面闪络性能：等离子体处理参数、表面物理化学性质以及表面电气性能。此外，研究人员还在不同条件下对绝缘材料的氟碳等离子体改性进行了更广泛的研究，并得出了相似的结论。

然而，目前大多数用于生成氟碳等离子体的方法是在常温常压下进行的介质阻挡放电（DBD）。由于生成氟碳等离子体的工质CF4在常压下难以电离，因此通常需要添加惰性气体，如氩气或氦气。惰性气体的加入虽然降低了工质的击穿电场强度，同时也降低了等离子体的温度。当前研究表明，DBD放电在聚合物处理方面较为有效。然而，当处理像高温耐受性较强的氧化铝陶瓷这样的无机材料时，由于缺乏能量和温度，氟化效果较差。这些困难限制了氟碳等离子体在氧化铝等无机材料表面改性中的应用和推广。

近年来，微波等离子体因其高密度和丰富的活性物质而被广泛应用。微波放电通常基于共振原理产生，可以在局部增强效应下成功电离纯CF4，从而生成等离子体喷射。然而，微波放电的能量效率较低，并且容易产生较高的气体温度。通过使用脉冲调制技术，可以调节等离子体喷射的温度，同时利用脉冲上升沿和下降沿的离子增强效应，提高活性物质的组成和等离子体电子密度。也就是说，在脉冲上升沿，电场的快速增加会生成大量高能电子，而在脉冲下降沿，电场的迅速减弱则能有效抑制电子复合，从而在单位平均功率下实现更高的活性物质密度。这种机制是实现高效表面氟化的关键。因此，由脉冲调制微波放电生成的等离子体喷射适用于氧化铝陶瓷的表面处理，这种材料具有高温耐受性和化学稳定性。

本研究采用脉冲调制微波放电生成CF4/Ar等离子体喷射，用于氧化铝陶瓷表面的处理。在不同CF4体积分数（20–100%）条件下，对大气压CF4/Ar微波等离子体喷射（CF4/Ar APPJ）的放电图像、发射光谱、气体温度等特性进行了分析。此外，还通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）对不同处理条件下氧化铝陶瓷的表面形貌和化学组成进行了表征。提出了一种反应机制，用于解释这些等离子体如何与陶瓷表面相互作用，从而实现氧化铝陶瓷表面的高效氟化。

实验平台和研究方法部分，展示了用于微波CF4/Ar等离子体喷射处理的装置。整个系统包括等离子体生成和测量两部分。等离子体生成部分可以分为三个子系统：电源、放电单元和气体供应。测量系统则包括数字单反相机、发射光谱仪和红外热成像仪。在氧化铝陶瓷的等离子体喷射表面处理过程中，选择陶瓷的中心区域进行处理，以便更好地观察等离子体对材料表面的影响。

放电形态方面，大气压脉冲微波CF4/Ar等离子体喷射的形态对样品表面的处理区域具有重要影响，这在氧化铝陶瓷的表面改性过程中至关重要。图2展示了微波CF4/Ar APPJ的放电形态以及随着CF4体积分数变化的等离子体喷射长度。如图所示，微波CF4/Ar等离子体喷射呈现出分层现象，其中内层呈现出明亮的绿色，而外层则呈现较暗的绿色。这种分层现象可能与等离子体内部的化学反应和活性物质的分布有关，进一步影响了氧化铝陶瓷表面的氟化效果。

实验结果表明，使用CF4/Ar APPJ可以高效地实现氧化铝陶瓷表面的氟化。当CF4体积分数为20–40%时，氧化铝陶瓷表面的氟含量可达到约70%。这种氟化效果主要归因于氟碳基团在陶瓷表面的沉积。通过这种方法，可以显著提升陶瓷绝缘的表面性能，从而改善其整体应用效果。因此，本研究提出的表面氟化方法为陶瓷绝缘材料的表面改性提供了理论依据和实践基础。

此外，本研究还对不同处理条件下的表面形貌和化学组成进行了系统分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）技术，观察到氟化处理后氧化铝陶瓷表面出现了不同的微观结构变化。例如，表面可能会出现微小的凹凸结构，这些结构的形成可能与等离子体的化学反应和能量分布有关。同时，XPS分析结果显示，氟化处理后陶瓷表面的氟元素含量显著增加，这表明氟碳基团成功沉积在陶瓷表面，从而改善了其表面电性能。

在实验过程中，研究人员还对等离子体的放电图像和发射光谱进行了详细分析。放电图像显示了等离子体喷射的形态变化，而发射光谱则提供了等离子体内部化学反应的证据。这些数据有助于进一步理解等离子体如何与陶瓷表面相互作用，并为优化处理参数提供了依据。通过调节CF4体积分数，可以控制等离子体的活性物质组成，从而影响氟化效果。同时，通过调整脉冲调制参数，可以调节等离子体的温度和电子密度，进一步提升氟化效率。

在研究过程中，研究人员还探讨了等离子体处理对氧化铝陶瓷表面物理化学性质的影响。例如，氟化处理后陶瓷表面的粗糙度可能会发生变化，这种变化可能与等离子体对表面的蚀刻和沉积作用有关。此外，氟化处理还可能改变陶瓷表面的化学键结构，从而影响其表面电性能。这些变化为理解氟化处理对陶瓷绝缘性能的提升提供了重要的理论支持。

本研究的结果表明，通过脉冲调制微波放电生成的CF4/Ar等离子体喷射，能够有效地实现氧化铝陶瓷表面的氟化。这种处理方式不仅提高了陶瓷表面的氟含量，还改善了其表面电性能。实验数据表明，在CF4体积分数为20–40%时，氧化铝陶瓷表面的氟含量可达到约70%，这表明氟化处理具有较高的效率。此外，通过优化处理参数，如脉冲频率和CF4体积分数，可以进一步提高氟化效果，从而提升陶瓷绝缘的整体性能。

本研究还对不同处理条件下的等离子体喷射特性进行了分析。例如，通过调节CF4体积分数，可以改变等离子体的活性物质组成，从而影响氟化效果。同时，通过调整脉冲调制参数，可以控制等离子体的温度和电子密度，进一步提升氟化效率。这些发现为未来在陶瓷绝缘材料表面氟化处理中的参数优化提供了理论依据和实验支持。

在实际应用中，表面氟化处理可以显著提高陶瓷绝缘材料的表面介电强度，从而改善其整体性能。这不仅有助于提升高压电力设备和电子组件的安全性和稳定性，还可能为其他领域的绝缘材料改性提供参考。因此，本研究提出的表面氟化方法具有重要的应用价值。

此外，本研究还对等离子体处理过程中可能产生的副反应进行了探讨。例如，除了氟化作用外，等离子体还可能对陶瓷表面产生其他化学反应，如氧化或还原反应。这些副反应可能会对陶瓷表面的性能产生一定影响，因此在研究过程中需要对这些反应进行控制和优化，以确保氟化处理的效果。

在实验过程中，研究人员还对等离子体喷射的气体温度进行了测量。通过红外热成像仪，可以直观地观察到等离子体喷射的温度分布。这些数据有助于进一步理解等离子体处理过程中能量的传递和分布情况，从而优化处理参数。此外，通过调节CF4体积分数，可以控制等离子体的温度，从而影响氟化效果。

在研究过程中，研究人员还对等离子体喷射的放电形态进行了详细分析。例如，不同CF4体积分数下的等离子体喷射长度和形态可能会发生变化。这些变化可能与等离子体内部的化学反应和活性物质的分布有关，进一步影响了氧化铝陶瓷表面的氟化效果。因此，通过对放电形态的分析，可以更好地理解等离子体处理过程中的物理和化学机制。

综上所述，本研究通过脉冲调制微波放电生成的CF4/Ar等离子体喷射，实现了氧化铝陶瓷表面的高效氟化。实验结果表明，这种方法能够显著提高陶瓷表面的氟含量，并改善其表面电性能。这些发现为陶瓷绝缘材料的表面改性提供了新的思路和方法，具有重要的理论和应用价值。同时，本研究还对等离子体处理过程中的物理和化学机制进行了探讨，为未来的研究提供了基础。