文 献 综 述

1．概述

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在常温常压下产生大面积、高能量密度的低温非平衡等离子体，介质阻挡放电是通过在放电范围内形成许多类型众多的活性粒子和物质表层互相影响，能够使物质表层的化学键断开，化学键断开后一些自由基就在物质表层从新进行结合，并在物质的表层产生一个紧密结合成交联状态的网状层。与其他改性方法相比，低温等离子体处理条件简单、能源消耗少、加工时间短、高效节能、无污染、无公害，是一种干式工艺，将此应用于材料表面的改性很有价值，易于实现大规模连续化工业运行。近年来成为国内外研究的热点之一，被广泛用于臭氧发生器、高功率 CO₂ 激光器、紫外准分子灯和材料表面改性处理等工业领域。由于 DBD 在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如 OH、O、NO 等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。因而可利用这些自由基的特性来处理 VOCs，在环保方面也有很重要的价值。

介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为 10～10000。电源频率可从 50Hz 至 1MHz。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。

典型的介质阻挡放电电极结构是在放电电极间有阻挡介质存在，阻挡介质可覆盖在电极上或者悬挂在放电空间中，当气体间隙上的电压超过气体的击穿电压时，气体将被击穿而形成放电。然而，由于在电极板间引入阻挡介质，放电过程中的电荷被介质表面吸附，在极板间形成一个与外电场方向反向的内电场，从而抑制了放电过程产生，限制了放电电流的自由增长，避免了放电过渡发展为火花放电或弧光放电。

图1 大气压DBD放电过程示意图

大气压DBD的放电过程如图1所示，由于阻挡介质的存在,空间电荷不是消失于电极而是在介质表面积聚,积聚的电荷产生一个与外加电场相反的电场,随着介质上积聚电荷增加,附加电场的作用也在增强,气隙中总的电场强度就会下降,当气隙内场强下降到小于气体的击穿场强时,放电中断。

2.实验装置

介质阻挡放电通常是由正弦波型的交流高压电源驱动，随着供给电压的升高，系统中反应气体的状态会经历三个阶段的变化，即会由绝缘状态逐渐至放电最后发生击穿。当供给的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散，但因含量太少电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子体反应，此时的电流为零。随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但未达到反应气体的击穿电压时，两电极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞，缺乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加，因此，反应气体仍然为绝缘状态，无法产生放电，此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加，几乎为零。若继续提高供给电压，当两电极间的电场大到足够使气体分子进行非弹性碰撞时，气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加，当空间中的电子密度高于临界值时及帕邢(Paschen)击穿电压时，便产生许多微放电丝(microdischarge)导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光的现象此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增加。

描述 DBD 的模型主要有物理模型和电气模型 2 种。物理模型主要考虑放电空间粒子过程及边界条件，是基于流体力学方程而建立起来的，这一模型建模复杂，故研究者主要用其研究 DBD 的放电机理及特性。而 DBD 的电气模型则是基于对 DBD 的放电过程等效的基础上建立起来的，反映了 DBD 反应器结构与放电参量之间的关系。与流体力学模型相比，DBD的电气仿真模型建模较为方便，更适合于研究 DBD 反应器结构与放电电气参量之间的关系，其计算的工作量小，计算时间短，因此研究人员越来越多地采用这种模型来优化 DBD 等离子体反应器设计。他们建立了由可变电阻器、齐纳二极管和可控硅开关控制的变阻器等组成的可反映放电过程的 DBD 等效电气模型，并用这些模型优化 DBD 等离子体反应器设计。