大气压冷等离子体射流简介
大气压冷等离子体处理提高氧化锆粘接性能
大气压冷等离子体处理提高氧化锆粘接性能詹凌璐;张玉玮;郑苗;刘志强;李和平;谭建国【摘要】目的:研究大气压冷等离子体处理对氧化锆粘接性能的影响.方法:将60个氧化锆试件磨光后随机分为6组(n=10)对照组(C),无表面处理;预处理剂组(P),预处理剂均匀涂布氧化锆表面并吹干;喷砂组(SB),氧化铝颗粒均匀喷砂20sec;喷砂+预处理剂组(SBP),氧化锆表面经氧化铝颗粒均匀喷砂后涂布预处理剂并吹干;氦气大气压冷等离子处理组(HP),氦气(He)作为发生气体的大气压冷离子处理90sec;氩气大气压冷等离子处理组(AP),氢气(Ar)作为发生气体的大气压冷离子处理90sec.各组观察氧化锆表面形貌,测量粗糙度和接触角,进行X射线光电子能谱(XPS)分析,测量剪切粘接强度,并对测量结果进行统计学分析.结果:喷砂组表面形貌显著改变,氦气和氩气大气压冷等离子处理组表面形貌与对照组相似.氦气和氩气大气压冷等离子处理组表面粗糙度为(0.03±0.01)μm,小于对照组(0.04±0.01)μm,差异无统计学意义(P＞0.05).喷砂、氦气和氩气大气压冷等离子处理组表面接触角分别为52.48°±2.76°、32.51°±3.36°、25.98°±3.16°,均较对照组(72.16°±4.88°)明显减小,差异有统计学意义(P＜0.05).氦气大气压冷等离子处理组和氩气大气压冷等离子处理组的剪切粘接强度分别为(16.02±1.95)MPa和(16.06±1.78)MPa,明显大于对照组(9.06±0.94)MPa、喷砂组(14.72±1.88)MPa和预处理剂组(12.40±1.32)MPa,差异有统计学意义(P＜0.05),但小于喷砂+预处理剂组(17.25±1.77)MPa,差异无统计学意义(P＞0.05).而氦气冷离子处理组和氩气冷等离子处理组间剪切粘接强度差异无统计学意义(P＞0.05).XPS结果显示,喷砂、氦气和氩气大气压冷等离子处理后表面碳元素减少,氧元素增加,碳/氧比值减小.结论:大气压冷等离子体处理几乎不会改变氧化锆表面形貌和粗糙度;大气压冷等离子体处理可提高氧化锆表面亲水性,增加表面氧含量,改善氧化锆粘接强度;氦气和氩气作为发生气体进行大气压冷等离子体处理对氧化锆表面性能和粘接强度的影响相似.【期刊名称】《口腔颌面修复学杂志》【年(卷),期】2019(020)001【总页数】6页(P3-8)【关键词】氧化锆;大气压冷等离子;表面特性;剪切粘接强度【作者】詹凌璐;张玉玮;郑苗;刘志强;李和平;谭建国【作者单位】北京大学口腔医学院·口腔医院,修复科国家口腔疾病临床医学研究中心口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室口腔数字医学北京市重点实验室北京100081;北京航天中心医院口腔科北京100049;北京大学第三医院口腔科北京100191;清华大学工程物理系北京 100084;清华大学工程物理系北京 100084;北京大学口腔医学院·口腔医院,修复科国家口腔疾病临床医学研究中心口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室口腔数字医学北京市重点实验室北京100081【正文语种】中文【中图分类】R783.3氧化锆材料具有优良的机械性能和生物相容性，因此其在口腔修复临床中常被用作冠桥修复材料[1]。
大气压脉冲微波锌等离子体射流的参数诊断
大气压脉冲微波锌等离子体射流的参数诊断等离子体被称为物质的第四态，具有许多与固态、液态、气态不同的性质，这些性质往往可以巨大的应用前景，在低温等离子体领域，有材料表面处理改性、医学等，本文使用大气压微波发卡谐振放电产生锌等离子于氩等离子混合射流，微波角频率为2.45 GHz。
在输入功率大于145W时出现了锌等离子体与氩等离子体双射流，在输入功率为160W时出现了锌等离子体与氩等离子体完全混合射流。
另外，我们使用发射光谱仪avantes 2048L对等离子体参数进行诊断，发现随着输入功率的增加，电子温度和电子密度逐渐增加，光谱强度却相应减小。
一、引言对于大气压下的等离子体射流的参数测定，之前已经有不少人展开过研究，一般而言对于惰性气体如氩气的等离子体，我们产生的方式主要有以下几种，如微波放电[1]，介质阻挡放电（DBD）[2]，直流放电[3]，射频放电[4]，脉冲放电[5]。
对于金属等离子体，大部分人采用的是激光诱导的方法[6][8-9]，本文在大气压情况下使用脉冲微波方法产生了锌等离子体等离子体，生成锌等离子体的微波输入功率至少为145W，锌等离子体电子密度至少在1015cm-3，并且我们对输入功率150W、155W和160W三种功率下的电子温度和电子密度进行测定。
本文的剩下部分安排如下：实验装置与操作在第二部分，结果和讨论在第三部分，结论在第四部分。
二、实验装置与操作A.实验装置介绍本文使用的实验装置主要可以分为四个部分。
第一部分为微波源和脉冲调制器。
微波源用于产生脉冲微波信号，其输出功率范围为0-160W。
脉冲调制器可以输出5v的脉冲方波，可以用于调节微波信号，另外它可以作为同步触发信号用于触发ICCD（像增强电荷耦合传感器）。
微波信号频率范围为10Hz-200kHz，可调占空比为0.01-0.99。
第二部分为载气系统，它用于提供惰性气体氩气。
氩气的纯度为99.999%，流量由气体阀门控制，可控范围是0-10slm。
一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究_江南
是一个共面的沿面 放 电 结 构， 但是电极间距比传统 的沿面放电大得多 . 我 们 首 先 对 放 电 的 基 本 情 况 进 行了一些测试 . 图 2 是对应于小 、 中、 大三个不同电压条件下放 电所拍摄的典型的 数 码 照 片 . 为 了 更 好 地 观 察 放 电 辉光的情况， 我们采 用 了 2 cm 宽 的 电 极， 电极间距 高 压 电 极 置 于 气 流 的 下 游， 电极边缘距 仍为 3 cm ， 石英管出口 1 cm ，He 气 流 量 150 L / h 从 图 的 右 边 流入左 边 流 出， 各照片对应的外加电压在图注中 给出 .
的 电 极 参 数 一 致：电 极 宽 度 5 cm ， 电极间距 3
3. 实验结果与讨论
3. 1. 共轴型 DBD 放电的特点 DBD 主要分为两种 类 型， 即空间放电型和沿面 放电型 . 这 两 种 类 型 的 放 电 都 已 获 得 了 广 泛 的 研 20 ］ . 将图 1 所 究， 其中典型 的 例 子 可 以 参 考 文 献［ 示的共轴 DBD 结构沿圆周展开成平面， 则可以看作
第 59 卷 第 5 期 2010 年 5 月 10003290 /2010 /59 （ 05 ） /332407
物
理
学
报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 59 ， No. 5 ， May ， 2010 2010 Chin. Phys. Soc.
一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究
［ 15 ］ 4） ， 而 Kedzierski 等 沿轴 向 拍 摄 的 射 流 的 照 片 有
一与石英管 内 壁 对 应 的 环 形 亮 圈 . 另 一 方 面， 由介 质表面电 荷 组 成 的 等 离 子 体 的 阻 抗 比 气 体 等 离 子 因此其 流 注 的 传 输 速 度 比 空 气 中 流 注 体的阻抗大， 的速度小 . 由图 3 （ a ） 中的数据可以估算石英管中的
中科院力学所——便携式大气压空气冷等离子体发生器
中科院力学所——便携式大气压空气冷等离子体发生器中国科学院力学研究所应用等离子体力学课题组隶属于高温气体动力学国家重点实验室。
课题组已有近五十年历史。
多年来积累了直流等离子体射流产生技术、高频热等离子体射流、大气压非平衡等离子体、交流等离子体射流产生技术，以及多弧离子镀、中频对靶磁控溅射、射频感应等离子体镀膜等技术。
在等离子体状态控制和参数诊断方面有长期的工作经验和知识积累。
在等离子体材料工艺应用方面开展了大量的低气压/大气压等离子体喷涂、金属表面改性、熔敷、熔凝、镀膜等研究。
近年来课题组的主要研究方向集中在等离子体流动稳定性、先进空间电推进、空天高焓流动地面模拟、大气压空气冷等离子体发生器设计等领域。
便携式等离子体发生器技术介绍及特点等离子体是物质除固态、液态和气态之外的第四态，按照温度的不同，可以分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体；按照粒子温度分布的不同可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体。
大气压冷等离子体以其温度低、无需复杂昂贵真空系统以及活性物质丰富等特征，近年来广泛应用于皮肤治疗、口腔医学、食品工程、材料改性、纳米合成和环境工程等领域，其主要活性物质包括活性氧和活性氮基团、激发态和亚稳态粒子、电场、带电粒子、紫外线及热量等。
近些年来，人们根据应用需求的不同，广泛设计了丰富多样的大气压冷等离子体射流发生器。
这些射流发生器主要以昂贵的稀有气体作为激发气源，同时等离子体工作离不开体积庞大的气源和电源设备。
如何借助自然界条件，充分发挥空气优势，实现大气压空气冷等离子体射流的应用值得我们探讨。
我们设计了一款便携式空气冷等离子体发生器，摆脱传统大体积的电源和气源设备，既可以在空气种激发，也可以在水下激发。
该便携式空气等离子体射流发生器设计使得大气压冷等离子体从实验室迈向市场走近人类生活成为可能。
应用领域杀菌消毒：伤口愈合、口腔治疗、医用工具消毒、家居卫生、水果保鲜；环境保护：空气净化、污水净化；材料制备：纳米材料合成。
低温等离子体(介质阻挡放电)
低温等离子体技术简介(介质阻挡放电)所谓等离子体是继固体、气体、液体三态后，列为物质的第四态，由正离子、负离子、电子和中性离子组成,因体系中正负电荷总数相等,故称为“等离子体”。
等离子体按粒子温度可分为平衡态（电子温度=离子温度）与非平衡态（电子温度〉>离子温度)两类.非平衡态等离子体电子温度可上万度，离子及中性离子可低至室温,即体系表观温度仍很低,故称“低温等离子体”，一般由气体放电产生.气体放电有多种形式，其中工业上使用的主要是电晕放电（在去除废气中的油尘上应用已相当成熟)和介质阻挡放电（用于废气中难降解物质的去除）两种。
低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术,低温等离子体处理废气的原理为：当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。
低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解,以达到降解污染物的目的。
低温等离子体的产生途径很多，我们使用的低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)。
装置示意图如图1所示。
图1 介质阻挡放电示意图DBD放电净化设备优点:介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，由于电极不直接与放电气体发生接触,从而避免了电极的腐蚀问题.介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点：①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎可以和所有的气体分子作用。
②反应快，不受气速限制.③电极与废气不直接接触，不存在设备腐蚀问题。
④只需用电，操作极为简单，无需专人员看守，基本不占用人工费。
⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。
⑥气阻小,适用于高流速，大风量的废气处理。
⑦工艺已相对成熟。
低温等离子体技术(介质阻挡放电）净化原理为：在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应,使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质,从而使污染物异味得以降解去除.因其电离后产生的电子平均能量在1eV～10eV,适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速.其能量传递过程为：电场+电子高能电子受激电子高能电子+受激分子活性基因自由基活性基因+分子（或原子) 生成物+热活性基因+活性基因生成物+热异味废气在介质阻挡放电（DBD）的低温等离子体发生器中，这些废气因子被高能电子轰击后首先被打开成碎片.而尾气中氧气和水气在高能电子作用下发生下列反应O2＋e O·＋O3 + O2-H2O + e HO·＋H废气因子解离的碎片粒子与氧气及O·＋O3 + O2-发生较为复杂的化学反应,降解为CO2和H2O等。
等离子体射流及其医学应用
卢 新 培 ．等 离 子 体 射 流 及 其 医 学 应 用
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平衡等离子体变为可能。 但 是 ，在 大 气 压 下 放 电 ，由 于 气 体 的 击 穿 电 压 较
高，因此放电间隙通常在几 ｍｍ 到几ｃｍ 的量 级，这 就使得被处理样 品 的 尺 寸 受 到 了 限 制。 此 外，有 的 样品放到放电间隙中还会影响放电的稳定性。如果 将被处理物放置在 放 电 间 隙 外，通 过 气 体 流 动 的 方 法使放电所产生的活性粒子输运到样品表面来达到 处理目的，则带电粒 子 及 一 些 寿 命 较 短 的 活 性 粒 子 在到达样品前就可 能 已 经 消 失 了，从 而 大 大 降 低 了 处理效果。为了克 服 上 述 缺 点，近 年 来 研 究 者 研 制 出 了 大 气 压 非 平 衡 等 离 子 体 射 流 （Ｎ－ＡＰＰＪ：ｎｏｎ－ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｌａｓｍａ ｊｅｔ）［１－１２］。 由于大气 压 非 平 衡 等 离 子 体 射 流 能 够 在 开 放 的 空 间 、而 不 是 在 间 隙 内 产 生 大 气 压 非 平 衡 等 离 子 体 ，这 就使 得 许 多 应 用 的 实 现 成 为 可 能。 正 是 由 于 Ｎ－ ＡＰＰＪ的 这 个 显 著 优 点，近 年 来 在 国 际 上 上 掀 起 了 Ｎ－ＡＰＰＪ的热 潮。 为 了 满 足 各 种 特 定 应 用 的 需 要， 人们研制出了多种多 样 的 Ｎ－ＡＰＰＪ。 在 射 流 的 研 究 中取得 了 诸 多 突 破，射 流 的 长 度 从 几 ｍｍ 到 十 几 ｃｍ，射流的气 体 温 度 从 几 百°Ｃ到 常 温，工 作 气 体 从 以惰性气体为主到完全用周围空气。
【国家自然科学基金】_大气压等离子体射流_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
推荐指数 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
53 arc mode
1
2014年 科研热词 等离子体射流 重复频率 空心针-板放电 电离程度 电气特性 电子激发温度 电子密度 热喷涂等离子体 氩氧混合气体 放电特性 放电发展速度 微秒脉冲 射流阵列 射流等离子体 发射光谱 光谱特性 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
科研热词 热等离子体 旋流效应 数值模拟 反应器 稳定性 弧根贴附 层/湍流等离子体射流 实验观测 三维特性
推荐指数 2 2 2 2 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
科研热词 大气压 发射光谱 等离子体 电子激发温度 电子密度 灭菌 机理 微等离子体射流 微波等离子体 微波 大肠杆菌
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
科研热词 推荐指数 等离子体射流 2 微等离子体射流 2 大气压等离子体射流 2 发射光谱 2 驱动电源 1 重整 1 转动温度 1 表面能 1 表面改性 1 聚酰亚胺薄膜 1 老化效应 1 电荷溢流 1 电晕放电 1 电子激发温度 1 电子密度 1 甲烷 1 生物医学应用 1 玻璃面板 1 清洗 1 气体温度 1 杀菌消毒 1 射流等离子体 1 大气压低温等离子体射流 1 大气压:手机 1 多晶硅薄膜沉积 1 合成气 1 光学发射谱 1 介质阻挡放电 1 亲水性 1 二氧化碳 1 stark展宽 1
安徽理工大学科技成果——便携式大气压空气冷等离子体发生器
安徽理工大学科技成果——便携式大气压空气冷等
离子体发生器
成果简介
大多数等离子体辉光放电需要使用惰性气体或者惰性气体和氧气的混合气体，或者需要外加气流来得到稳定的放电效果。
传统上，如果用空气作为工作气体，放电形式为电弧，其温度很高。
我们课题组近期发明一种便携式大气压空气等离子体发生器，是一种结构简单成本较低的便携式的大气压空气等离子体发生器，由于正电极内嵌于阻燃性绝缘介质容器，其不仅安全而且可以避免发生弧光放电。
此便携式大气压空气等离子体发生器电离激发时，产生的冷等离子体辉光，人体可以触摸，可以处理任何材料（人体、金属、塑料等）。
且此空气冷等离子体辉光均匀，富含多种活性成份，对杀菌、消毒及材料改性有显著作用，基于此开发的产品有很好的市场及经济价值。
已申请专利：ZL201310002111.1（发明）和ZL201320076075.9（实用新型）。
技术指标
供电电源：9V干电池或同等直流电压电源；
器件有效作用尺度：根据应用需求，定制尺寸、结构；
整体质量：根据需求制作的器件质量不等，但整体不超过1kg。
成果适用范围及效益分析
本等离子体含有的活性成份种类、数量及温度，可以根据具体应用进行选择。
可以很方便的在常温常压下对物品或各种异形物品进行
刻蚀、镀膜、表面改性和杀菌消毒等处理，极大的拓宽了等离子体射流技术的应用范围，具有很强的现实意义和美好的应用前景。
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大气压冷等离子体射流应用
工业应用：
①材料表面改性、修饰处理：如食品包装。 ②物体表面有机污染物处理：如光学仪器表面污垢、 文物表面锈迹的去除。 ③半导体行业：半导体材料的刻蚀、镀膜、非晶碳 的沉积等。
大气压冷等离子体射流应用
无序模式、子弹模式、有序模式
大气压等离子体射流原理
Dawson流光增殖模型：（光致电离）
发射光子 电离气体 电子加速 造成雪崩 电子与原正 离子复合
阴极流光形 成正离子区
电离正离 子前进
大气压等离子体射流原理
Dawson流光增殖模型计算：（ XinPei Lu和Mounir Laroussi）
大气压等离子体射流原理
Dawson理论射流形成条件：
1.首先，新产生的正离子必须和原来的等离子体球离 子密度相当； 2.雪崩头（前端）的扩散半径不能大于r0； 3.在初始等离子体球和后来形成的等离子体球重合时 雪崩头必须达到足够的放大率，即是r2>2r0。
大气压等离子体射流原理
n+ _Number of original positive charges_109 R2_cm_ r0 _cm_
1 0.02 0.056
2 0.1 0.068
3 0.17 0.075
4 0.23 0.08
5 0.3 0.085
不同形式的大气压冷等离子体射流
Laroussi和Lu的“等离子体笔”放电装置
ICCD拍照，射流速度高达100KM/s
不同形式的大气压冷等离子体射流
不同形式的大气压冷等离子体射流
射频源驱动大气压冷等离子体射流：
Stoffels的RF生物处理装置 Koinuma等人于1992最早研究RF等离子体射流 杀菌、真核细胞操作、诱导老鼠纤维母细胞凋亡、以及无损 硫化橡胶处理、SiO2沉积、TiO2的沉积以及富勒烯的 合成 细胞分离、分析。
不同形式的大气压冷等离子体射流
微波驱动大气压冷等离子体射流：
致谢
谢 谢
能量馈入效率：工业应用需要考虑的重要参数 影响因素：电源供电频率
电源电流位形
大气压等离子体射流原理
大气压等离子体放电困难：Ⅰ.放电电压高 Ⅱ.容易渡到电弧解决办法：
Ⅰ.半导体线路或者电阻、或者电阻类型介质限流 Ⅱ.空心阴极放电 Ⅲ.介质阻挡放电 Ⅳ.微波放电
大气压等离子体射流原理
等离子体射流放电三种模式：（Walsh提出）
医疗应用：
①杀菌消毒、伤口病理：如皮肤表面伤口消毒 ②凝血、止血 ③ 肌肤修复、牙齿的消毒与洁白：
大气压冷等离子体射流应用
生物医药： ①对细胞的操作，修饰细胞膜的通透性; ②影响细胞的分裂、增殖； ③对DNA的操作。 ④生物制药；
总结
大气压冷等离子体射流有着低气压等离子 体所不具有的无空间限制性，能够灵活地使用， 没有腔体和真空设备，大大降低了成本，所以 其实用性正在逐渐的体现并得到发挥，正逐渐 应用在工业、医疗、卫生、生物医药等领域。
大气压冷等离子体射流简介
报告人：谢新华 学号:PB09203247 院系：物理学院应用物理系等离子专业 日期：2012年12月20日
简介
大气压下放电的喷射状等离子体 性质：气体温度低
工作气压高 不空间限制
分类：按电极位形
按供电电源频率
大气压冷等离子体射流参数
大气压冷等离子体射流参数
大气压冷等离子体射流参数