新型电极等离子体放电制备磁性液体最优放电条件的研究＊

唐鹏捷，部德才

新型电极等离子体放电制备磁性液体最优放电条件的研究＊

唐鹏捷，部德才

（大连大学 物理科学与技术学院，辽宁 大连 116622）

均匀、稳定的放电等离子体对采用等离子体技术制备纳米材料具有重要意义。为了得到均匀、稳定的放电等离子体，提出了由尖端平板电极过渡到多端电极的设计，利用3种不同规格的多端电极，结合电学测量系统在不同参数下得到了大气压多端放电等离子体的放电电压-电流波形和放电形貌。实验结果表明三种多端电极中1号放电电极配置（电极外径为28.00 mm，齿间距0.83 mm，反应间距为3.3 mm）放电波形更加均匀稳定；当电压为5.0 kV，放电频率为60.0 kHz，气体是Ar和NH3时放电会更加稳定。

磁性液体；等离子体放电；新型电极；放电均匀性

1 引言

纳米磁性液体是一种新型的功能材料，在多个领域被广泛应用。利用等离子体放电技术制备磁性液体是近年发展起来的一种高效的制备方法[1]。通常采用的大气压脉冲介质阻挡放电等离子体[2]，除拥有较好的稳定性、均匀性、化学活性和非热平衡性，而且具备较强的氧原子、臭氧和超基等活性粒子与真空紫外线制备的能力以及具有较高的电子温度、等离子体密度和能量转换效率[3]。

用气将Fe（CO）5及NH3等通过等离子体反应器，靠等离子体激发使Fe（CO）5分解，产生的F与等离子态的氮发生化合反应，即可获得氮化铁磁性液体，此为常见等离子体放电技术制备磁性液体。前人在改进反应装置和条件以提高活化效果和促进分解、重新组合上作了诸多研究和贡献[4-5]——缩短了反应流程，对相关磁性液体饱和磁化强度的最佳实验条件给出了对应的参数。本文提出用新型多尖端电极对一个同心圆筒型固定电极的等离子体反应器，实现大气压介质阻挡放电后，利用电学测量系统进行等离子体诊断，得出最优放电条件，对于大气压等离子体放电制备纳米磁性液体有着积极意义。同时，也可应用于其他等离子体放电领域，比如等离子体改性、催化甲烷、污染物处理等工业应用。

2 实验介绍

大气压多端放电等离子体实验装置如图1所示，主要由配气系统、多端放电等离子体反应器组成。外加电源峰峰值在0～20 kV范围内连续可调，输出频率在10～80 kHz范围内连续可调。实验利用数字示波器记录放电电压-电流波形。实验主要用三种气体（Ar、N2、NH3）作为放电等离子体的反应气氛。实验前需要对整个反应系统做气密性检测，然后将不同的气体种类和不同的气体流量通入反应腔，反应过程中排出的气体通过尾气处理系统排放。

大气压多端放电等离子体反应器采用多尖端锯齿状电极结构，分别是1号、2号、3号放电电极，其中，1号电极外径为28.00 mm，齿间距0.83 mm；2号电极外径为26.00 mm，齿间距0.83 mm；3号电极外径为24.00 mm，齿间距0.78 mm。石英玻璃管作为介质阻挡层，反应器的外径为34.60 mm，内径为30.60 mm，石英玻璃厚度为2 mm。地电极直接套在石英玻璃外，所以反应间距1号电极为3.3 mm，2号电极为4.3 mm，3号电极为5.3 mm。而NH3、N2和Ar的混合气体自下而上进入放电腔，在高频高压脉冲电源的作用下产生放电，形成大气压多端放电等离子体。实验通过改变不同的实验参数，利用数字示波器采集其放电的电压-电流波形并分析其放电的均匀稳定性。

1—高压脉冲电源；2—反应腔；3—排气口；4—气液分隔层；5—高压电极；6—放电腔；7—进气口。

3 等离子特性研究

3.1 不同电极对大气压多端放电等离子体的影响

电源频率为60.0 kHz，外加电压峰峰值p-p为4.0 kV，Ar流量为141.5 mL/min。放电电极分别是1，2，3号的实验条件下，测量了大气压多端放电等离子体的放电电压-电流波形，如图2所示。由图2可知，当放电电极是1号电极时，在整个放电周期内，放电电流主要是由比较杂乱无章的细丝状的电流脉冲组成，放电模式是丝状放电。由于电子的不稳定性和热不稳定性，大气压下脉冲放电从宏观上看十分均匀，但是仍以丝状放电为主。因此大气压多端放电等离子体放电的本质是丝状放电，但2号电极的放电电流脉冲峰值比1号、3号都大，这说明2号电极的电极配置以及放电的间距更加容易进行等离子体放电，其所需要的放电电压更低。3号放电电极放电电流是由杂乱的电流脉冲组成，其电流脉冲不均匀且放电电流峰值较小。相比3号放电电极，1，2号放电电极的放电电流更加均匀稳定。

3.2 不同放电电压对大气压多端放电等离子体的影响

电源频率为60.0 kHz，放电电极为1号电极，Ar流量为141.5 mL/min，NH3流量为71.9 mL/min。外加电压峰峰值p-p分别是3.0 kV、4.0 kV、5.0 kV、6.0 kV的实验条件下，测量了大气压多端放电等离子体的放电电压-电流波形，如图3所示。

图3 不同放电电压的电压-电流波形

放电电流主要是由比较杂乱无章的细丝状的电流脉冲组成，当放电外加电压峰峰值是3.0 kV时，其放电电流峰值较小，且放电电流脉冲不是很稳定。当外加电压峰峰值是5.0 kV、6.0 kV时其放电模式也是丝状放电。电压峰峰值为6.0 kV的放电电流脉冲峰值比其他电压时都大，其放电的电流脉冲数也有所增多，并且放电电流脉冲更加稳定。这说明随着电压的增加放电的电流脉冲数会增加，电流峰值也会随之增加。

4 结论

本文从放电电极、放电电压等方面研究大气压多端放电等离子体特性，使用电学测量系统研究不同参数下的大气压多端放电等离子体的放电电压-电流波形，得到了以下结论：在不同放电电极方面，由其放电电压-电流波形可以得到大气压多端放电等离子体放电模式主要是杂乱无章的丝状放电。其中1号放电电极配置（电极外径为28.00 mm，齿间距0.83 mm，反应间距为3.3 mm）放电波形更加均匀稳定。在不同放电电源电压方面，由放电电压-电流波形可以得到随着电压的增加放电的电流脉冲数会增加，电流的峰值也会随之增加，其放电也更加剧烈。当电源电压较低时如为3.0 kV，其放电颜色不明亮；随着电压的增加，放电颜色更加明亮，强度也更大。但是当放电电压为6.0 kV时，尽管放电强烈，但是局部能量过大放电不均匀。所以外加电压5.0 kV时放电能量大且更加均匀。

［1］李学慧，齐锐，薛志勇，等.等离子体活化法制备纳米磁性液体［J］.稀有金属材料与工程，2004（8）：858-860.

［2］李和平，于达仁，孙文廷，等.大气压放电等离子体研究进展综述［J］.高电压技术，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］董冰岩，周海金，施志勇.电极配置对多针-板脉冲等离子体反应器放电特性的影响［J］.环境工程学报，2016，10（1）：262-266.

O53

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.010

2095－6835（2019）14－0026－02

唐鹏捷（1998—），男，陕西汉中人，本科，大连大学光电信息科学与工程专业。

部德才（1972—），男，黑龙江宁安人，硕士，副教授，研究方向为纳米磁性液体特性、放电等离子体应用。

2018年辽宁省大学生创新创业训练计划项目（编号：201811258067）；教育部产学合作协同育人项目（编号：201802019023）；大连大学2018年教学改革项目（编号：2018073）

〔编辑：张思楠〕