一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置

本发明涉及材料表面改性，特别涉及一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置。

背景技术：

1、等离子态是物质的第四态，可在常温常压下产生。等离子体含有大量高能量、高化学活性的电子、离子、激发态粒子等。这些活性粒子可直接作用于材料表面，在纳米至微米尺度上发生物理刻蚀、化学改性等复杂的物理化学作用。在改变材料表面的物理形貌和化学成分的同时不影响材料基本结构，可有效改善材料的疏水性、理化特性等表面特性，从而使材料满足日常使用的需求。与传统材料改性方法相比，等离子体材料表面改性具有节能环保、操作便捷、反应温度低、便于实现多场景应用等优点，在材料表面处理领域有着广阔的应用前景。

2、实际应用中很多待处理材料的尺寸较大，比如盆式绝缘子，它有着大体积，内外两侧都需处理的特点，因此对等离子体材料改性装置提出了要求。要实现等离子体材料改性对盆式绝缘子的应用，间接介质阻挡放电尤为重要。间接介质阻挡放电不受处理材料体积和反应空间的约束，通过吹出高能等离子体和反应媒质的方法，使得它能在待处理材料有限的空间内发挥最大的作用，例如可以伸进盆式绝缘子内侧进行处理，这是沿面介质阻挡放电做不到的。而想要实现间接介质阻挡放电仅需要考虑装置结构，放电阻挡介质的厚度，反应气体的浓度和它们的混合时机，以及环境的温湿度等因素。综上所述，传统的等离子体放电方法无法实现对大尺度盆式绝缘子的表面进行处理，而间接介质阻挡放电可以有效克服其它等离子体放电存在的一些问题。

3、中国专利公开号为cn117198665a的一种gis盆式绝缘子表面氟化装置通过氟化技术处理盆式绝缘子表面，在清扫表面灰尘的同时沉积一定厚度的薄膜，改善盆式绝缘子表面的电场强度分布。但氟化处理需要低气压环境，条件苛刻，且含氟气体的使用会对操作人员造成伤害；另外绝缘子表面均匀厚度的氟化薄膜对绝缘子表面的电场强度改进效果并不理想。

4、中国专利公开号为cn114423138b的一种用于产生大面积均匀等离子体的sdbd改性装置，通过沿面介质阻挡放电，在反应区间内引入电场梯度，反应气体浓度梯度，从而在处理对象表面形成梯度薄膜，但该方法只适用于较薄的处理对象，因为其反应空间较为狭窄，无法处理盆式绝缘子等大尺度装置。

5、中国专利公开号为cn114286488b的一种基于气路模块化的大气压大尺度dbd材料改性装置，该装置通过等离子体间接介质阻挡放电，在处理对象表面沉积近乎均匀厚度的薄膜，并且大尺寸可以同时处理多个样片。但均匀厚度的薄膜对盆式绝缘子表面场强的提升远不及梯度薄膜，并且由于装置尺度太大，不易对盆式绝缘子进行处理。

6、中国专利公开号为cn117382059a的一种低应变梯度结构盆式绝缘子的制备方法，该方法将三个不同梯度的填料含量控制在设定的体积分数中，制作的盆式绝缘子能够较好地保证其使用性能。但体绝缘子改性相对于盆式绝缘子表面材料改性来说，步骤复杂，且制作成本高，不适合大面积的应用和推广，而盆式绝缘子表面改性，绿色环保，步骤简单，且成本低廉。

7、中国专利公开号为cn117316558a的一种用于盆式绝缘子表面功能梯度改性的dbd装置，该方法通过侧通媒质的方法，在装置侧面引入逐渐变小的六个圆形媒质槽，从而达到控制梯度薄膜沉积的效果。但六个槽之间存在间距，无法保持梯度连续，每个槽之间会存在梯度断层，并且后添媒质的方法会使得媒质与惰性气体混合不充分，导致放电效果不理想。

8、近些年来，众多实验研究表明，在盆式绝缘子表面沉积梯度变化的薄膜的改性效果优于沉积均匀厚度的薄膜，因为盆式绝缘子高压电极三结合点电场强度畸变严重，越往地电极该现象越不明显，因此由高压电极到地电极厚度梯度递减的薄膜对于盆式绝缘子材料表面的改性效果更好。为了达到沉积功能梯度薄膜，众多学者提出了不同的方法，有一部分学者提出沉积离散梯度的薄膜，虽然改性效果提升，但是在每一层梯度之间都会存在电场畸变，对改性效果产生影响，所以沉积梯度连续递减的薄膜对盆式绝缘子的表面改性尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其优点是：使之可以在大气压下进行盆式绝缘子表面的改性，沉积梯度递减的薄膜，改善盆式绝缘子的表面电场强度分布，同时搭配储气装置，收集排出的工作气体，防止污染环境。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，包括流线形集气均气气路以及和流线形集气均气气路相连通的媒质泄漏浓度梯度模块，所述媒质泄漏浓度梯度模块连通有废气收集模块，所述废气收集模块连通有废气处理装置，所述媒质泄漏浓度梯度模块的一端连通有等离子体反应模块；

3、所述流线形集气均气气路包括鱼形仿生缓气弧，所述鱼形仿生缓气弧内开设有储气槽，所述储气槽的前端连通有五孔进气口，所述储气槽远离五孔进气口的一侧连通有输气槽，且输气槽上安装有若干个圆柱均气阀。

4、本发明进一步设置为：所述圆柱均气阀的数量具体为14个，且圆柱直径2.8-3.2mm，圆心间距5.2-5.6mm。

5、本发明进一步设置为：所述媒质泄漏浓度梯度模块包括连接在输气槽远离储气槽一侧的侧方漏气槽，所述侧方漏气槽一侧设置三角梯度挡板，所述三角梯度挡板内开设有呈梯形结构的梯度输气孔，所述侧方漏气槽与梯度输气孔相连通。

6、本发明进一步设置为：所述侧方漏气槽的长度为80mm，高度为2mm，且向下呈45°夹角。

7、本发明进一步设置为：所述废气收集模块包括与侧方漏气槽相连通的废气集气槽，所述废气集气槽的一端开口处连通有废气输气孔，所述废气输气孔与废气处理装置相连通。

8、本发明进一步设置为：所述废气输气孔为空心圆柱，直径是8-8.2mm，内径为5.8-6mm。

9、本发明进一步设置为：所述等离子体反应模块包括高地电极挡板，所述高地电极挡板的表面开设有与梯度输气孔相连通的侧方延长槽，所述侧方延长槽内顶底侧分别安装有高压电极与地电极，所述侧方延长槽内位于高压电机与地电极之间设置有放电阻挡介质，且高地电极挡板的背面开设有与侧方延长槽相连通的等离子体出气口。

10、本发明进一步设置为：所述等离子体出气口的尺寸的长度为78-82mm，宽度为2-4mm。

11、本发明进一步设置为：所述放电阻挡介质采用8200树脂材料，厚度为1.2-1.7mm。

12、本发明进一步设置为：所述高压电极与地电极的尺寸均为100mm*10mm*1mm。

13、综上所述，保证工作气体在进入反应腔体之前先泄漏一部分梯度递增气体，使得介质阻挡放电装置的出气口可以排出浓度递减的反应媒质，产生浓度梯度递减的等离子体，使之可以在大气压下进行盆式绝缘子表面的改性，沉积梯度递减的薄膜，改善盆式绝缘子的表面电场强度分布，同时搭配储气装置，收集排出的工作气体，防止污染环境。

技术特征：

1.一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：包括流线形集气均气气路(1)以及和流线形集气均气气路(1)相连通的媒质泄漏浓度梯度模块(4)，所述媒质泄漏浓度梯度模块(4)连通有废气收集模块(2)，所述废气收集模块(2)连通有废气处理装置，所述媒质泄漏浓度梯度模块(4)的一端连通有等离子体反应模块(3)；

2.根据权利要求1所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述圆柱均气阀(8)的数量具体为14个，且圆柱直径2.8-3.2mm，圆心间距5.2-5.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述媒质泄漏浓度梯度模块(4)包括连接在输气槽(9)远离储气槽(7)一侧的侧方漏气槽(10)，所述侧方漏气槽(10)一侧设置三角梯度挡板(12)，所述三角梯度挡板(12)内开设有呈梯形结构的梯度输气孔(11)，所述侧方漏气槽(10)与梯度输气孔(11)相连通。

4.根据权利要求3所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述侧方漏气槽(10)的长度为80mm，高度为2mm，且向下呈45°夹角。

5.根据权利要求1所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述废气收集模块(2)包括与侧方漏气槽(10)相连通的废气集气槽(14)，所述废气集气槽(14)的一端开口处连通有废气输气孔(13)，所述废气输气孔(13)与废气处理装置相连通。

6.根据权利要求5所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述废气输气孔(13)为空心圆柱，直径是8-8.2mm，内径为5.8-6mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述等离子体反应模块(3)包括高地电极(18)挡板(16)，所述高地电极(18)挡板(16)的表面开设有与梯度输气孔(11)相连通的侧方延长槽(15)，所述侧方延长槽(15)内顶底侧分别安装有高压电极(17)与地电极(18)，所述侧方延长槽(15)内位于高压电机与地电极(18)之间设置有放电阻挡介质(19)，且高地电极(18)挡板(16)的背面开设有与侧方延长槽(15)相连通的等离子体出气口（20）。

8.根据权利要求7所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述等离子体出气口（20）的尺寸的长度为78-82mm，宽度为2-4mm。

9.根据权利要求7所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述放电阻挡介质（19）采用8200树脂材料，厚度为1.2-1.7mm。

10.根据权利要求7所述的一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其特征在于：所述高压电极(17)与地电极(18)的尺寸均为100mm*10mm*1mm。

技术总结
本发明公开了一种基于气流控制的绝缘表面功能梯度改性的等离子体装置，其技术方案要点是：包括流线形集气均气气路以及和流线形集气均气气路相连通的媒质泄漏浓度梯度模块，媒质泄漏浓度梯度模块连通有废气收集模块，废气收集模块连通有废气处理装置，媒质泄漏浓度梯度模块的一端连通有等离子体反应模块；具有的技术效果是：使之可以在大气压下进行盆式绝缘子表面的改性，沉积梯度递减的薄膜，改善盆式绝缘子的表面电场强度分布，改善其“三结合点”处的电场畸变，同时搭配储气装置，收集排出的工作气体，防止污染环境。

技术研发人员：祝曦,蒋佳驹,申张亮,储金成,徐骏豪,鲍佳睿,方志
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24