利用低温等离子体改善聚酰亚胺基材激励器粘结性能的装置及方法与流程

本发明涉及一种改善聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器粘结性能的表层改性装置及改性方法，属于等离子体技术领域，涉及材料表面改性、电气绝缘材料等工程与技术领域。

背景技术：

等离子体流动控制是一种基于等离子体激励的新概念主动流动控制技术，其特点是通过改善飞机机翼表面流场来减小飞行阻力，提高飞机的操纵性、稳定性，相比传统的被动流动控制方法优势有结构简单、无运动部件、运行频带宽等。目前，等离子体流动控制中最常用的方法是表面介质阻挡放电，其执行元件又被称为“等离子体激励器”，典型的结构包括表面高压裸露电极、中间绝缘阻挡介质和掩埋接地电极；典型的作用方式是基于等离子体电流体动力诱导的空气射流；典型的作用机理是当升高电极两端的电压超过一定的阈值时，电极附近的空气被击穿电离形成等离子体，等离子体中的带电粒子在电场的作用下运动，通过离子与中性气体分子的碰撞，诱导近壁面气体的宏观加速，形成近壁面气体射流，用于飞机在飞行过程中的流动控制。

聚酰亚胺作为一种特种工程材料，是20世纪60年代发展太空的大背景下开发的新型耐热型树脂，也是被公认的最成功的一种树脂。由于其耐高低温、高绝缘性、耐腐蚀、耐辐射等优点，是航空航天领域中必不可少的材料，近年来也被用作等离子体激励器的绝缘阻挡介质。聚酰亚胺薄膜是一种新型的耐高温有机聚合物薄膜，它具有优良的耐温性能、电学性能和机械性能，被广泛应用于微电子行业作为介电空间层、金属薄膜的保护覆盖层和基材等工业及民用生产的各个领域。但是聚酰亚胺材料也存在一些致命缺点，其表面疏水性基团多、表面能低，导致其与胶粘剂、金属粘合性差，影响了其在许多特定条件下的使用。

技术实现要素：

本发明的目的是：为了解决现有聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器粘结性差的缺点，提供了一种利用低温等离子体改善聚酰亚胺基材激励器粘结性能的装置，包括高压直流电源101、直流电压电源输出端102、绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105、第三绝缘体106、第四绝缘体107、第五绝缘体108、放电阳极109、滑轮110、阴极金属平板111、滑道112和离子体放电区域113；其中

高压直流电源101的直流电压电源输出端102直插在绝缘手柄103内部，绝缘手柄103尾部有直流电压电源输出端102插口；

绝缘手柄103位于整个装置的最前方，为中空圆柱形腔体，内埋导线；

第一绝缘体104为长方体或正方体形状，位于绝缘手柄103的正后方，内埋导线；绝缘手柄103同第一绝缘体104两者通过密闭连接装置进行连接；绝缘手柄103通常位于第一绝缘体104前面的中央处；

第二绝缘体105为长条状长方体，位于第一绝缘体104后面，第一绝缘体104同第二绝缘体105通过粘结剂粘接，第一绝缘体104粘接在第二绝缘体105长度方向的中点附近；

两个第四绝缘体107为长方体或正方体形状，分别位于第二绝缘体105左右两侧的下方且对称放置，内埋导线，同第二绝缘体105相连接处分别具有导线通道，用于导线从其中穿过，第四绝缘体107同第二绝缘体105两者通过密闭连接装置进行连接；

第三绝缘体106为略细的长方体形状，位于第二绝缘体正下方，夹在两个第四绝缘体107之间；同第二绝缘体105、第四绝缘体107通过粘结剂粘接；

两个第五绝缘体108分别位于第二绝缘体105和两个第四绝缘体107的左右两个外侧，同第四绝缘体107、第二绝缘体105通过粘结剂粘接；

放电阳极109为圆柱形长条，位于第三绝缘体106的下方并与其保持间距，但与第四绝缘体107的下表面也存有间距，放电阳极109的左右两端分别插入两个第四绝缘体107的内侧并与其中的导线电连接；放电阳极109通过密闭连接装置与第四绝缘体107内埋的导线电连接；

滑轮110安装在第四绝缘体107的下表面上，用于移动所述装置；滑轮110同第四绝缘体107之间通过密闭连接装置进行连接；

阴极金属平板111前端为左右两个滑道112，滑道有凹槽，用于滑轮110在其上滑动，后端为金属板，金属板宽度为滑道112的间距，阴极金属平板111的整体形状就像一块路牌，用以将激励器放置于其上；

通电时，放电阳极109和阴极金属平板111之间为离子体放电区域113；并且其中

绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105和第四绝缘体107内部为空腔，埋有导线；第一绝缘体104用于连接绝缘手柄103和装置主体部分；第三绝缘体106在放电阳极109的上方，起到保护作用，防止出现爬电现象，导致触电事故。

在本发明的一个实施例中，绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105、第三绝缘体106、第四绝缘体107、第五绝缘体108、滑轮110、阴极金属平板111由石英玻璃材料制成；密闭连接装置包括螺栓、螺母和密封垫圈，放电阳极109连接处的螺栓、螺母和密封垫圈需要做空气绝缘处理；粘结剂为3m有机喷胶，放电阳极109由铜锡合金材料制成；阴极金属平板111由铜制成。

在本发明的一个具体实施例中，第一绝缘体104与第二绝缘体105的上下表面分别在相同平面上；第五绝缘体108的宽度与第二绝缘体105的宽度相同。

从电路连接关系看，高压直流电源101输出的高压输出至直流电压电源输出端102，高压直流电源101的负端接地，高压直流电源101输出电压0～15kv连续可调；并且，高压直流电源101输出的电流经由直流电压电源输出端102，绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105、第四绝缘体107的内埋导线，最终施加于放电阳极109；阴极金属平板111接地。

上述利用低温等离子体改善聚酰亚胺基材激励器粘结性能的装置的工作过程为：

接通电源后，在激励器表层改性装置的放电阳极109与阴极金属平板111之间产生长条形、大面积、稳定、均匀的辉光等离子体；放电过程中，置于所述装置两侧底部的滑轮110卡在滑道112上，从而可以推动放电阳极109，使产生的等离子体随放电阳极109的移动而改变位置；随着放电阳极109向前移动，产生的等离子体也向前移动，经过待处理的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器时，等离子体激励器的表面受到等离子体的冲击、改性作用，使得等离子体激励器的粘结特性得到改善和加强，反复操作若干次，即可处理加工出具有优良粘结特性的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器；在对等离子体激励器进行处理之前，可事先将待处理的激励器放置在离子体放电区域113中。

基于上述利用低温等离子体改善聚酰亚胺基材激励器粘结性能的装置，对激励器表面处理的具体操作过程如下：

(1)检查整个电路是否出现导线破损现象，连接处是否出现断裂现象；

(2)将高压直流电源101和阴极金属平板111连接地线；

(3)将待处理的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器置于阴极金属平板111前侧的凹槽上方，摆正；

(4)打开高压直流电源101开关，观察放电阳极109与阴极金属平板111之间是否生成离子体放电区域113；

(5)握住绝缘手柄103以一定的速度缓慢向前推动手柄，装置整体向前移动，离子体放电区域113经过等离子体激励器，等离子体激励器的表面受到等离子体的冲击、改性作用，其粘结性得到改善，反复前后推拉绝缘手柄1035～10分钟；

(6)关闭高压直流电源101开关，取出处理过的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器。

本发明利用低温等离子体改善聚酰亚胺基材激励器粘结性能的装置和方法可以在常压的环境下，通过产生辉光放电等离子体处理聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器，从而解决上述现有的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器粘结性差的问题。

本发明采用一种工艺简单、技术成熟且高效的常气压下辉光放电低温等离子体处理，仅调节改变等离子体激励器绝缘阻挡介质聚酰亚胺的物理特性与结构，例如：亲水性、表面能和表面形貌等，而不改变其基体的组成与特性。本发明涉及的工艺能够同时处理不同尺寸的等离子体激励器，并且可适用于大规模的激励器表面粘结性的改善；这种改进，将有力的推动表面介质阻挡放电等离子体激励器的实际应用。

附图说明

图1示出等离子体激励器表层改性装置结构示意图，其中图1a示出装置的等轴测视图；其中图1b示出装置的正视图；

图2示出处理过与未处理过的等离子体激励器微观形貌对比图，其中，图2a示出未处理过的激励器表面形貌；图2b示出处理10min后的激励器表面形貌；

图3示出激励器质量随处理时间的变化关系；

图4示出激励器表面亲水性变化，其中图4a示出处理时间与激励器水接触角的关系曲线；图4b示出激励器的水的接触角和放置时间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。实施例在以本发明的技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，等离子体激励器粘结性能的表层改性装置包括高压直流电源101、直流电压电源输出端102、绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105、第三绝缘体106、第四绝缘体107、第五绝缘体108、放电阳极109、滑轮110、阴极金属平板111、滑道112和离子体放电区域113(图1b中示出)。其中，高压直流电源101的直流电压电源输出端102直插在绝缘手柄103内部，绝缘手柄103尾部有电源输出端102插口(图1中未示出)，与人体接触部分全部为绝缘材料，确保不发生触电事故。绝缘手柄103由石英玻璃材料制成，位于整个装置的最前方，为中空圆柱形腔体，内埋导线。第一绝缘体104为长方体或正方体形状，位于绝缘手柄103的正后方，由石英玻璃材料制成，内埋导线。绝缘手柄103同第一绝缘体104两者通过密闭连接装置，例如螺栓、螺母和密封垫圈进行连接；绝缘手柄103通常位于第一绝缘体104前面的中央处。第二绝缘体105为长条状长方体，位于第一绝缘体104后面，由石英玻璃材料制成，第一绝缘体104同第二绝缘体105通过例如3m有机喷胶的粘结剂粘接，通常，第一绝缘体104粘接在第二绝缘体105长度方向的中点附近；在本发明的一个实施例中，第一绝缘体104与第二绝缘体105的上下表面分别在相同平面上。两个第四绝缘体107同样为长方体或正方体形状，分别位于第二绝缘体105左右两侧的下方且对称放置，由石英玻璃材料制成，内埋导线，同第二绝缘体105相连接处分别有导线通道，用于连接导线，第四绝缘体107同第二绝缘体105两者通过密闭连接装置，例如螺栓、螺母和密封垫圈进行连接；第四绝缘体107与第二绝缘体105的前后表面可以不在相同平面上。第三绝缘体106为略细的长方体形状，位于第二绝缘体正下方，夹在两个第四绝缘体107之间；由石英玻璃材料制成，同第二绝缘体105、第四绝缘体107通过例如3m有机喷胶的粘结剂粘接。两个第五绝缘体108分别位于第二绝缘体105和两个第四绝缘体107的左右两个外侧，由石英玻璃材料制成，同第四绝缘体107、第二绝缘体105通过例如3m有机喷胶的粘结剂粘接。在本发明的一个实施例中，第五绝缘体108的宽度与第二绝缘体105的宽度相同。放电阳极109为圆柱形长条，位于第三绝缘体106的下方并与其保持间距，但与第四绝缘体107的下表面也存有间距，放电阳极109的左右两端插入第四绝缘体107并与其中的导线电连接；放电阳极109由铜锡合金材料制成，具有良好的耐老化特性，根据对放电装置性能的实际需求情况，圆柱形放电阳极材料也可选择其它适用于高电压条件的辉光放电环境的电极材料；放电阳极109同第四绝缘体107通过密闭连接装置，例如螺栓、螺母和密封垫圈进行连接，放电阳极109连接处的螺栓、螺母接通第四绝缘体107内埋的导线。此外，放电阳极109连接处的螺栓、螺母在装置中需与空气绝缘处理，因此可以包裹在例如绝缘胶带中。滑轮110安装在第四绝缘体107的下表面上，用于移动本发明的装置，由石英玻璃材料制成；滑轮110同第四绝缘体107之间通过密闭连接装置，例如螺栓、螺母和密封垫圈进行连接。阴极金属平板111前端为左右两个滑道112，滑道有凹槽，用于滑轮110在其上滑动，后端为金属板，金属板宽度为滑道112的间距，阴极金属平板111的整体形状就像一块路牌，用以放置激励器，阴极金属平板111由铜制成。通电时，放电阳极109和阴极金属平板111之间为离子体放电区域113。

绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105和第四绝缘体107内部为空腔，埋有导线，在对等离子体激励器进行处理的过程中，导线在绝缘材料的内部，以保证放电过程的安全进行。绝缘手柄103采用圆柱体，表面磨砂处理，增加手与手柄之间的摩擦力，利于前后推动装置。第一绝缘体104用于连接绝缘手柄103和装置主体部分。第三绝缘体106在放电阳极109的上方，起到保护作用，防止出现爬电现象，导致触电事故。阴极金属平板111上的滑道112同固定在第五绝缘体108上的滑轮110配合，从而使装置可以在滑道112上移动。定期给滑轮110涂抹润滑油防止出现不光滑现象。

从电路连接关系看，高压直流电源101输出的高压输出至直流电压电源输出端102，高压直流电源101的负端接地，高压直流电源101输出电压0～15kv连续可调。并且，高压直流电源101输出的电流经由直流电压电源输出端102，绝缘手柄103、第一绝缘体104、第二绝缘体105、第四绝缘体107的内埋导线，最终施加于放电阳极109；阴极金属平板111接地。接通电源后，在激励器表层改性装置的放电阳极109与阴极金属平板111之间产生长条形、大面积、稳定、均匀的辉光等离子体；放电过程中，置于本发明表层改性装置两侧底部的滑轮110卡在滑道112上，从而可以推动放电阳极109，使产生的等离子体随放电阳极109的移动而改变位置；随着放电阳极109向前移动，产生的等离子体也向前移动，经过待处理的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器时，等离子体激励器的表面受到等离子体的冲击、改性作用，使得等离子体激励器的粘结特性得到改善和加强，反复操作若干次，即可处理加工出具有优良粘结特性的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器。在对等离子体激励器进行处理之前，可事先将待处理的激励器放置在离子体放电区域113中。

激励器表面处理的具体操作过程如下：

1、检查整个电路是否出现导线破损现象，连接处是否出现断裂现象；

2、将高压直流电源101和阴极金属平板111连接地线；

3、将待处理的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器置于阴极金属平板111前侧的凹槽上方，摆正；

4、打开高压直流电源101开关，观察放电阳极109与阴极金属平板111之间是否生成离子体放电区域113；

5、握住绝缘手柄103以一定的速度缓慢向前推动手柄，装置整体向前移动，离子体放电区域113经过等离子体激励器，等离子体激励器的表面受到等离子体的冲击、改性作用，其粘结性得到改善，反复前后推拉绝缘手柄1035～10分钟；

6、关闭高压直流电源101开关，取出处理过的聚酰亚胺介质阻挡放电等离子体激励器。

为了更好地说明根据本发明技术方案改善后的等离子体激励器的粘结性得到了加强，发明人额外制备了另一款激励器，不同之处在于，该激励器未经过处理(以下简称为“未处理过等离子体激励器”)，其他参数均与处理过后的激励器保持一致。

图2表示了处理过与未处理过的等离子体激励器微观形貌对比图，本发明中的处理过10min后的等离子体激励器与未处理过的等离子体激励器，通过扫描电镜拍摄的激励器表层的微观形貌。从图2a和图2b中比较，未处理过的等离子体激励器表面平整，并没有看出明显的缺陷。处理过的等离子体激励器表面粗糙，出现了明显的凸起和凹坑，刻蚀、裂解严重，能清晰观察到小岛状的形貌，并且尺寸大小不一，表面形貌发生改变，表面粗糙度增加，实现了表面改性。

如图3所示，对尺寸为27×30×0.3mm、质量为18.60mg的激励器置于装置中处理，每两分钟利用电子天平(精度为0.01mg)称量激励器经过等离子体处理后的质量变化，聚酰亚胺薄膜在等离子体处理开始的前两分钟内，聚酰亚胺薄膜的质量损失最快，之后损失趋于平缓。这说明等离子体作用于激励器表面，等离子体中的活性粒子对激励器表面进行了刻蚀，但此刻蚀作用存在饱和性。

如图4所示，利用装置同时处理5片参数相同的激励器，分别处理1～5分钟，每片激励器处理完毕后立即用注射器在激励器上滴上去离子水，并尽量保证每次滴在表面的去离子水滴体积相等。接触角是由固、液界面经过液体内部至、气界面的夹角，接触角的大小表征液体对固体的润湿程度以及材料的表面能，亲水性与激励器的粘接性能成正相关，亲水性越好激励器粘接性能越佳。实验结果发现，经过处理后的激励器的亲水性明显改善，接触角由原来的76°约降到处理后的25°。处理时间与结果的关系曲线如图4a所示。在处理开始的前1min，接触角变化明显，从76°迅速降到约31°，之后随着处理时间的延长接触角减小的趋势趋于平缓，处理时间＞2min，接触角不再变化。表明等离子体和激励器表面的作用存在饱和状态，即发生在处理激励器表面的物理化学过程趋向动态平衡。因此过长的处理时间并不一定能给激励器带来更高的亲水性。本装置选用约一分钟的处理时间即可。等离子体表面处理的效果随处理后放置时间延长而退化的现象称为表面处理的老化效应。为考查等离子体处理激励器表面亲水性的老化效应，即受处理后的激励器的粘结性的老化效应。将处理1min后的聚酰亚胺薄膜放置在空气中，并监测其表面水接触角的变化，测量结果如图4b所示。实验发现，激励器表面的接触角随放置时间的延长而出现回升，并且在放置的前3天，接触角回升的较快，3天之后老化效应逐渐变慢，接触角最终维持在65°，这仍然低于处理前的状态，说明处理过后的激励器的粘结特性经过老化效应后仍能保持有效。存在老化效应可能有两方面原因：①处理后的聚合物表面会残留自由基，这些自由基和空气中的成分发生反应，从而失去活性而稳定下来；②处理后聚合物表面引入的亲水性极性基团随放置时间的延长而发生翻转，潜入基体内部。