基于DCSBD技术的“极冷”线性氮气（N?）大气压等离子体射流，用于实现均匀的大面积表面处理

《Surface and Coatings Technology》：DCSBD-based “exceptionally cold” linear N 2 atmospheric-pressure plasma jet for uniform large area surface treatments

新型线性大气压等离子体喷射器生成厘米级低温氮等离子帷幕，功率密度达70 W/cm3，通过扩散共平面电容器放电技术实现均匀非热平衡等离子体，成功用于聚丙烯非织造布表面亲水化处理。

　　近年来，随着工业对高效、低成本等离子体处理技术的需求不断增长，大气压等离子体源（APPJ）的研究和发展成为了一个重要的研究方向。与传统真空等离子体处理相比，大气压等离子体技术能够处理那些在真空中难以操作的材料，例如高蒸汽压材料、复杂形状的材料以及生物组织等。然而，大气压等离子体处理仍然面临一些挑战，尤其是如何在不损害材料的前提下实现均匀的表面处理。

传统的等离子体处理方法通常依赖于稀有气体（如氦气或氩气）作为工作气体，以防止形成热点等离子体丝或电弧，这些现象可能会对被处理材料造成局部热损伤。然而，由于稀有气体的成本较高，工业界更倾向于使用成本较低的分子气体，如氮气、氧气、二氧化碳和水蒸气。尽管如此，分子气体在等离子体处理中容易产生丝状等离子体，这使得处理过程难以保持均匀性，尤其是在处理大面积或热敏材料时。

为了解决这一问题，研究人员开发了多种新型等离子体源，其中一种特别受到关注的是“扩散型共面屏障放电”（DCSBD）技术。这种技术能够在空气中生成一种视觉上扩散的等离子体，具有高功率密度（约100 W/cm3）和低温特性（甚至低于50°C），并且在连续卷材处理系统中表现出良好的均匀性和较低的老化率。DCSBD技术已经被证明在聚合物薄膜和织物的表面处理中具有显著的优势。

然而，对于需要远程处理的材料，如三维结构材料或多孔材料的内部表面，传统的直接等离子体处理方式可能并不适用。在这种情况下，等离子体喷射技术（APPJ）成为了一种替代方案。APPJ通过将等离子体从一个狭窄的喷嘴中喷射出来，形成一种可以扩展到几厘米长度的等离子体尾焰（AfPP）。这种技术特别适用于大面积、热敏材料的处理，因为它能够在不直接接触材料的情况下实现均匀的表面处理。

尽管APPJ技术在处理大面积材料方面具有优势，但其应用仍然受到一些限制。例如，许多APPJ设备生成的等离子体尾焰长度较短，通常不超过1厘米，这限制了其在处理较大三维材料或厚多孔材料时的适用性。此外，等离子体喷射过程中，尾焰的温度通常高于室温，这在处理生物材料或热敏材料时可能带来风险。

为了解决这些问题，研究者们开始探索使用氮气作为工作气体的等离子体喷射技术。氮气作为一种成本较低且易于获取的分子气体，在等离子体处理中表现出独特的特性。例如，氮气等离子体能够高效地生成氮的亚稳态激发态和原子氮，这些活性物种在等离子体尾焰中具有较长的寿命，因此能够有效实现材料的表面处理和功能化。

在此背景下，研究团队开发了一种新型的线性大气压等离子体喷射器（APPJ），该装置能够生成一种无丝状结构的氮气等离子体尾焰，其长度可达几厘米，并且温度保持在55°C以下。这种新型APPJ的核心技术是基于扩散型共面屏障放电（DCSBD）的等离子体源，该技术能够在特定的电极几何结构和操作参数下，实现高功率密度的等离子体生成，同时保持等离子体的均匀性和低温特性。

为了验证这种新型APPJ的性能，研究团队将其与市场上现有的商业APPJ设备进行了比较。其中，AcXys Technologies公司开发的“超轻型介质阻挡放电”（ULD）等离子体帘（plasma curtain）被认为是一个重要的参考。ULD设备在操作时能够生成一种扩散型等离子体，其特性与DCSBD类似，因此被视为一种基准。通过对比实验，研究团队发现，新型DCSBD-based APPJ在生成等离子体尾焰的长度、均匀性和温度控制方面具有显著优势。

此外，研究团队还对这种新型APPJ在处理热敏材料方面的应用进行了评估。例如，他们成功地将该设备应用于聚丙烯非织造织物的表面处理，这种织物常用于卫生、医疗和过滤材料等领域。实验结果表明，DCSBD-based APPJ能够有效提高织物的亲水性，同时避免对材料造成热损伤。这一发现为未来在更多领域中应用这种等离子体处理技术提供了重要的依据。

在实验设置方面，研究团队设计了一种基于DCSBD技术的线性APPJ装置。该装置的结构紧凑，易于操作，并且能够在空气中生成一种均匀的等离子体尾焰。通过调整氮气流量和电极间距等参数，研究团队优化了等离子体尾焰的长度和均匀性。这种装置在操作过程中不需要额外的冷却系统，因此具有较高的实用性和经济性。

在选择电极几何结构和操作参数时，研究团队进行了详细的实验分析。他们发现，氮气流量和电极间距对等离子体尾焰的长度和均匀性有显著影响。通过调整这些参数，可以实现更长的等离子体尾焰，同时保持其低温特性。此外，研究团队还测试了不同电源类型对等离子体生成的影响，最终选择了正弦波电源作为最佳方案，因为它具有较低的成本、良好的可扩展性和较高的稳定性。

在讨论部分，研究团队对新型DCSBD-based APPJ的性能进行了深入分析。他们指出，与传统的丝状等离子体放电相比，这种新型装置在等离子体生成过程中能够有效减少热点和局部热损伤的风险。此外，由于等离子体尾焰的温度较低，这种装置在处理生物材料和热敏材料时具有更高的安全性。这些特性使得DCSBD-based APPJ在多个工业和科研领域中具有广泛的应用前景。

在结论部分，研究团队总结了他们的研究成果。他们开发了一种新型的线性大气压等离子体喷射器，该装置能够生成几厘米长的氮气等离子体尾焰，并且保持低温特性。这种新型APPJ在设计上具有较高的功率密度，同时具备良好的均匀性和稳定性。此外，该装置在实际应用中表现出较高的效率，能够在不使用额外冷却系统的情况下实现对热敏材料的高效处理。这些特性使得DCSBD-based APPJ成为一种有前景的等离子体处理技术，尤其适用于需要远程处理的材料。

总之，这项研究展示了DCSBD-based APPJ在大气压等离子体处理中的潜力。通过优化电极几何结构和操作参数，研究团队成功开发了一种能够生成长且均匀的氮气等离子体尾焰的装置。这种装置不仅在处理热敏材料方面表现出色，而且在成本和操作便利性方面也具有显著优势。未来，随着更多实验数据的积累和实际应用的推广，这种新型APPJ有望在多个工业领域中发挥重要作用。