本發(fā)明屬于但不限于電氣工程領(lǐng)域，尤其涉及一種基于射流等離子體進(jìn)行表面處理的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，等離子體技術(shù)在材料表面處理領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。等離子體技術(shù)由于其在低溫下實(shí)現(xiàn)高效的材料改性、表面清潔、蝕刻和涂層沉積等優(yōu)勢(shì)，成為許多高技術(shù)產(chǎn)業(yè)(如環(huán)境保護(hù)、材料處理、半導(dǎo)體制造、微電子器件加工等)的重要工具。等離子體處理的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠提供高度活性的粒子(如離子、自由基和電子)，使材料的表面物理和化學(xué)性質(zhì)得以改變。然而，現(xiàn)有的等離子體表面處理技術(shù)仍存在諸多問(wèn)題與限制，亟需進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。

2、在現(xiàn)階段，等離子體射流設(shè)備多采用單極電極結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多瓶頸。首先，單地電極結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電場(chǎng)分布不均勻，尤其是在復(fù)雜材料表面或具有不同形狀和結(jié)構(gòu)的樣品上，等離子體射流容易出現(xiàn)局部強(qiáng)度不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致處理不均勻，影響表面改性或蝕刻的效果。這對(duì)于一些對(duì)表面處理均勻性有嚴(yán)格要求的工藝，難以滿足工藝需求。其次，單極電極設(shè)計(jì)在等離子體射流過(guò)程中易產(chǎn)生局部高溫。由于放電的非均勻性，電極附近的氣體溫度升高明顯，將對(duì)熱敏材料造成不可逆的損傷，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)燒蝕、結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題，進(jìn)一步限制等離子體射流技術(shù)的應(yīng)用。此外，單極電極配置的穩(wěn)定性較差，易受到環(huán)境條件變化的影響。射流過(guò)程中的電弧放電問(wèn)題尤為突出，尤其是在功率較高的操作條件下，電弧會(huì)導(dǎo)致電極過(guò)早損壞，并對(duì)樣品表面產(chǎn)生不良影響。這種不穩(wěn)定性不僅增加了設(shè)備維護(hù)和運(yùn)行的成本，還限制了等離子體射流技術(shù)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)操作能力，降低了工藝的可控性和穩(wěn)定性。

3、針對(duì)上述問(wèn)題，近年來(lái)的研究和技術(shù)改進(jìn)主要集中在以下幾個(gè)方向：(1)優(yōu)化電極設(shè)計(jì)，以改善電場(chǎng)分布和穩(wěn)定性；(2)通過(guò)改進(jìn)射流氣體的成分和流動(dòng)模式，減少高溫區(qū)域的形成；(3)采用多電極或復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，嘗試提高射流的均勻性和工藝效果。盡管在這些領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，傳統(tǒng)單地電極的局限性仍然較為明顯，無(wú)法完全滿足復(fù)雜材料表面處理的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于射流等離子體進(jìn)行表面處理的裝置及方法。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于射流等離子體進(jìn)行表面處理的裝置，其特征在于，該裝置主要包括電源1，高壓電極2、石英管3、上地電極4、下地電極5、氣體流量控制器6、輸氣管7、氣體源8；

3、該裝置采用雙地電極的結(jié)構(gòu)，起到穩(wěn)定放電羽流的作用，高壓電極2置于石英管3內(nèi)，高壓電極與電源1相連，上地電極4和下地電極5為圓環(huán)狀緊貼于石英管3外表面，工作狀態(tài)時(shí)，電源1施加高壓至高壓電極2，在地電極4、5之間形成等離子體放電區(qū)域，氣體源通過(guò)氣體流量控制器6調(diào)節(jié)氣體流速經(jīng)過(guò)輸氣管7注入等離子體放電區(qū)域，產(chǎn)生的等離子體以射流的形式作用至廢舊鉛酸電池。

4、進(jìn)一步，該裝置各個(gè)部件設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

5、(1)等離子體氣體源：等離子體工作氣體，可選擇多種單一氣體或混合氣體，如氬氣、氮?dú)?、氧氣、氦氣、氫氣等，由氣體源8通過(guò)氣體流量控制器6控制，經(jīng)由輸氣管7進(jìn)入石英管3中，氣體流量可根據(jù)放電效果調(diào)節(jié)；

6、(2)電源參數(shù)：本發(fā)明電源可為射頻或脈沖電源，電壓可為1-5kv，功率為100-150w，本實(shí)施例施加電壓為3kv，電壓通過(guò)高壓電纜施加至高壓電極2上，此時(shí)工作氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體射流放電；

7、(3)部件結(jié)構(gòu)形態(tài)：所述高壓電極2為長(zhǎng)條棒狀，所述石英管3為空心圓柱管，所述上地電極4和下地電極5為圓環(huán)狀，與石英管3外表面貼合；

8、(4)選用材料：所述高壓電極2的材料為鎢，所述石英管3材料為石英，所述上地電極4和下地電極5材料為銅；

9、(5)尺寸參數(shù)：所述高壓電極2的長(zhǎng)度為約150mm、直徑為約3mm，所述石英管3的長(zhǎng)度為150mm，外徑為10mm，內(nèi)徑為8.5mm，氣管與石英管的連接處長(zhǎng)80mm，氣管連接處的外徑和內(nèi)徑根據(jù)輸氣管7的尺寸決定，所述上地電極4和下地電極5的寬度為7mm，厚度為0.3mm，上地電極4和下地電極5中心間距11mm，下電極5中心與石英管3下端間距7.5mm，所述高壓電極2與下地電極5中心的間距為5.5mm；值得注意的是，所述高壓電極2的末端尺寸參數(shù)，如末端曲率或其他形狀，可根據(jù)具體放電效果進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的等離子體射流。

10、本發(fā)明另一目的在于提供一種基于所述基于射流等離子體進(jìn)行表面處理的裝置的基于射流等離子體進(jìn)行表面處理方法，該方法具體包括：

11、為了在處理過(guò)程中增強(qiáng)處理均勻性和穩(wěn)定性，在等離子體射流羽流9處放置一塊平板地電極10，將待處理物置于羽流正下方，使等離子體射流處理裝置處于工作狀態(tài)，氣體流量、電源電壓、等離子體處理時(shí)間根據(jù)可根據(jù)處理物的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)。

12、結(jié)合上述的技術(shù)方案和解決的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案所具備的優(yōu)點(diǎn)及積極效果為：

13、第一、(1)本發(fā)明采用的雙地電極結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)單地電極相比，傳統(tǒng)的單地電極結(jié)構(gòu)往往面臨電場(chǎng)分布不均的問(wèn)題，容易導(dǎo)致等離子體射流局部不穩(wěn)定，影響射流的均勻性和穩(wěn)定性。而雙地電極通過(guò)優(yōu)化電場(chǎng)分布，顯著提升了等離子體射流的均勻性，使得整個(gè)射流過(guò)程更穩(wěn)定，減少了局部異常放電的發(fā)生。

14、此外，在傳統(tǒng)單地電極系統(tǒng)中，電極周圍容易出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象，特別是在高功率操作下，氣體溫度的升高對(duì)熱敏材料加工不利。相比之下，雙地電極能夠分散熱量，顯著降低射流區(qū)域的氣體溫度，從而使其適用于更廣泛的材料處理范圍。

15、放電穩(wěn)定性方面，雙地電極相比單地電極能夠更有效地控制放電過(guò)程，減少電弧或不穩(wěn)定放電現(xiàn)象的發(fā)生，這對(duì)提升等離子體工藝的重復(fù)性和工藝質(zhì)量至關(guān)重要。而在反應(yīng)效率上，雙地電極結(jié)構(gòu)通過(guò)擴(kuò)大等離子體反應(yīng)區(qū)，使得電離和化學(xué)反應(yīng)更為充分，相較于傳統(tǒng)單地電極，可在相同條件下實(shí)現(xiàn)更高的處理效率和更深的材料改性效果。

16、同時(shí)，雙地電極設(shè)計(jì)減少了電極的侵蝕問(wèn)題。傳統(tǒng)單地電極由于局部電場(chǎng)集中，容易引起電極材料的快速磨損，而雙地電極通過(guò)平衡電場(chǎng)分布，降低了電極的損耗率，延長(zhǎng)了使用壽命。

17、(2)在處理過(guò)程中采用接地平板電極的設(shè)計(jì)具有如下優(yōu)勢(shì)：

18、1)顯著增強(qiáng)電場(chǎng)的均勻性，確保等離子體射流與樣品表面之間的電場(chǎng)分布更加均勻，從而促進(jìn)等離子體射流在樣品表面的均勻覆蓋和處理。

19、2)樣品放置在接地平板電極上能夠有效提升等離子體的反應(yīng)效率。接地平板電極為等離子體提供了一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)基準(zhǔn)點(diǎn)，從而增強(qiáng)了等離子體與樣品表面的電荷交換過(guò)程，促進(jìn)表面活性物質(zhì)的產(chǎn)生和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。這不僅有助于提高表面改性、材料蝕刻等工藝的處理效率，還可改善處理效果的均勻性和深度。

20、3)接地平板電極還可減少樣品處理過(guò)程中的不必要放電和電弧現(xiàn)象。相比于浮動(dòng)電極配置，接地平板電極有助于穩(wěn)定放電過(guò)程，減少局部過(guò)強(qiáng)的電場(chǎng)引發(fā)的電弧。

21、4)增強(qiáng)等離子體射流對(duì)樣品的物理作用。等離子體中的離子和活性粒子在接地電極附近的電場(chǎng)加速作用下，與樣品表面發(fā)生更強(qiáng)的轟擊和反應(yīng)，有利于提高蝕刻速率或表面改性的深度。

22、第二，本發(fā)明的射流等離子體表面處理裝置通過(guò)一系列優(yōu)化的參數(shù)設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

23、1.穩(wěn)定的等離子體射流：傳統(tǒng)的等離子體射流裝置往往由于放電不穩(wěn)定導(dǎo)致處理效果不均勻。本發(fā)明采用了雙地電極設(shè)計(jì)，且電極間距和形狀經(jīng)過(guò)優(yōu)化，高壓電極的長(zhǎng)度和末端形狀也經(jīng)過(guò)精確調(diào)整，確保了等離子體射流的穩(wěn)定性和均勻性，避免了常見的射流不均勻或紊亂現(xiàn)象。

24、2.靈活的氣體流量控制：通過(guò)氣體流量控制器的精確調(diào)節(jié)，能夠靈活地控制進(jìn)入射流區(qū)域的工作氣體流量，從而調(diào)節(jié)等離子體的產(chǎn)生過(guò)程。此設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，適應(yīng)不同表面材料的處理需求，還提高了處理效率，減少了能源消耗。

25、3.高效的電源參數(shù)配置：電源的電壓范圍為1-5kv，功率為100-150w，特別是在3kv的工作電壓下，等離子體能夠穩(wěn)定產(chǎn)生并具有足夠的能量完成表面處理。同時(shí)，通過(guò)選擇射頻或脈沖電源，進(jìn)一步提升了電離效率，使得等離子體射流的生成速度更快、放電效率更高。

26、4.材料與尺寸的精確選擇：高壓電極采用鎢材料，具有良好的耐腐蝕性和導(dǎo)電性，適用于高能量放電環(huán)境。石英管的尺寸設(shè)計(jì)也經(jīng)過(guò)優(yōu)化，確保了氣流和電離空間的合理分布，進(jìn)而提升了射流的穩(wěn)定性和放電效果。通過(guò)對(duì)電極與石英管尺寸的細(xì)致設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化與高效能。

27、通過(guò)這些優(yōu)化，本發(fā)明顯著提高了等離子體表面處理的精度和效率，解決了現(xiàn)有技術(shù)中的放電不穩(wěn)定、能量利用率低、處理不均勻等問(wèn)題，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

28、第三，本發(fā)明的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化后的預(yù)期收益和商業(yè)價(jià)值為：在技術(shù)性能方面，本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)優(yōu)化了等離子體射流的穩(wěn)定性，通過(guò)合理配置電極位置和電場(chǎng)分布，有效降低了放電過(guò)程中的電弧和噪聲，使得射流更加一致、穩(wěn)定。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還提升了能量利用效率，使得在材料表面處理、醫(yī)療和環(huán)保等領(lǐng)域的應(yīng)用更加節(jié)能高效。此外，雙地電極的設(shè)計(jì)能夠減少電極磨損，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，從而降低了設(shè)備維護(hù)成本。

29、在商業(yè)價(jià)值方面，本發(fā)明所述裝置可廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。在材料表面處理中的應(yīng)用能夠有效提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量，特別是在半導(dǎo)體制造和精密電子制造領(lǐng)域中，其穩(wěn)定的射流特性將大幅度提升加工的精度和效率。同時(shí)，該裝置在醫(yī)療和生物領(lǐng)域也具有廣泛的前景，如用于傷口消毒、組織修復(fù)等應(yīng)用，通過(guò)提供安全、可靠的等離子體射流，確保治療效果。環(huán)保方面，該裝置可以高效處理廢氣、空氣和水中的污染物，實(shí)現(xiàn)對(duì)揮發(fā)性有機(jī)化合物(vocs)的降解，符合當(dāng)今環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。

30、在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力方面，由于其制造成本較低且維護(hù)簡(jiǎn)單，可在多個(gè)領(lǐng)域提供成本效益明顯的解決方案。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的生產(chǎn)方式，裝置的量產(chǎn)和推廣也具備較高的可行性。此外，該技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)將為企業(yè)帶來(lái)專利收益，技術(shù)授權(quán)和產(chǎn)業(yè)合作機(jī)會(huì)將進(jìn)一步提升其商業(yè)價(jià)值。