等离子体射流特性及在金属表面清洗中的应用

发布时间：2019-09-26 12:34

【摘要】：作为现代工业生产的重要环节,金属表面清洗是生产各种金属制品的预备过程和前提条件。合适的清洗手段和高质量的清洗工艺可以提高金属制品的质量,改善产品的性能。在各种清洗手段中,大气压等离子体射流清洗是近些年来一种新兴的清洗技术,也是目前国内外大气压等离子体射流应用领域的研究热点之一。与传统清洗技术相比,大气压等离子体射流清洗技术具有高效,环保无污染等优势,而且与其它大气压等离子体清洗技术相比,大气压等离子体射流产生区域和清洗区域空间分离,具有操作快捷简单,成本低廉,可控性强等优势。因此,大气压等离子体射流在清洗中的应用中具有广泛的发展空间和良好的应用前景。通过调整放电参数,优化等离子体射流参量,进而最大程度上改善清洗效果,同时可以实现对清洗效果的定量计算是大气压等离子体射流清洗技术可以大规模应用于现代工业生产的先决条件。基于这点,本文以大气压等离子体射流清洗金属表面油污为中心,开展了如下工作：1.利用单管双高压装置产生的大气压Ar和02／Ar等离子体射流清洗金属表面润滑油污,通过改变电源频率来优化等离子体射流参量,进而改善等离子体射流清洗效果。实验发现,等离子体射流参量受到频率的影响,而且等离子体射流参量随电源频率的变化规律还与放电区长度有关。当电源频率在17-35 kHz范围内变化时,等离子体射流参量均随电源频率的增加而增加,但是放电区长度不同时,等离子体射流参量的增加趋势略有不同。放电区长度为6 cm时,从整体上看,等离子体射流各参量随电源频率的变化规律分为两个区域,存在临界频率,大概在23 kHz左右。然而,放电区长度为10 cm时,电源频率从17 kHz增加到35 kHz,等离子体射流各参量均平稳直线上升,并没有出现临界频率。而且在一定的电源频率下,放电区长度为10 cm时的等离子体射流参量均比放电区长度为6 cm时所对应的等离子体射流参量高。通过水接触角和清洗百分比的测量结果发现,清洗效果同样受到电源频率的影响,同时,清洗效果随电源频率的变化规律也与放电区长度有关。放电区长度为6 cm时,清洗过程中也出现临界频率,大概在23 kHz左右。而放电区长度为10 cm时,电源频率从17 kHz增加到35 kHz,清洗效果逐步改善,没有出现临界频率。进一步分析还会发现,在一定的电源频率下,放电区长度为10 cm时的清洗效果比放电区长度为6 cm时的清洗效果好。这些实验结果说明电源频率与放电区长度之间的匹配对清洗效果的影响很大。此研究可以为进一步设计和优化高效等离子体射流清洗设备研究打下良好基础。2.利用金属板接地电极的双管双高压装置产生的02／Ar等离子体射流清洗金属表面润滑油污,通过改变氧气的混合比来探究清洗效果受到的影响。结果发现,当氧气混合比增加至1.5%时,获得了最佳清洗效果,且电子密度和氧原子浓度均达到最大值；氧气混合比超过1.5%而继续增加时,清洗效果并不能继续得到改善,且电子密度和氧原子浓度不再增加。由此可见,电子密度和氧原子浓度随氧气混合比的变化规律与清洗效果随氧气混合比的变化规律是一致的,因此,电子和氧原子在02／Ar等离子体射流清洗过程中具有重要作用。这一研究还说明,利用02/Ar等离子体射流清洗油污时,存在最佳氧气混合比。因此,在利用氧气来改善清洗效果时,应该首先获取最佳氧气混合比,才能极大程度的提高等离子体射流的清洗能力。3.以双管双高压结构为基础,采用外石英管接地电极的放电装置,使等离子体射流直接喷出石英管口,从而对待清洗金属产品的形状和体积没有过多的限制。在不同的电功率下,以He和Ar为主要工作气体,同时通入不同比例的氧气,产生02/He和02/Ar等离子体射流清洗金属表面润滑油污。实验结果表明：02/He和02/Ar等离子体射流中都存在最佳氧气混合比,同时,在一定电功率和氧气混合比的情况下,相对于02/He等离子体射流,02/Ar等离子体射流中的电子密度和氧原子浓度更高,且02/Ar等离子体射流的清洗效果更好。因此,无论从清洗效果还是清洗成本角度,02／Ar等离子体射流在润滑油污的清洗应用中更具有优势。进一步分析发现,当电功率增加时,除了可以改善02/He和02/Ar等离子体射流的清洗效果外,最佳氧气混合比也随电功率的增加而增加,说明电功率增加允许有更多的氧气参与放电而产生更多的氧原子,能够切实有效的改善清洗效果。随后,通过改变电压和气体流量来优化等离子体参量,进而改善清洗效果。结果表明,电压增加也会使清洗效果得到明显的改善。然而,清洗效果与气体流量成反比,气体流量增加并不能有效改善清洗效果。因此,欲获得最佳的清洗效果,气体流量不能过大。这些实验结果进一步完善了影响等离子体射流清洗效果的放电参数,有望通过简单调节放电参数,实现对等离子体射流清洗的精确控制。4.在反应动力学理论和阿仑尼乌斯定律相结合的基础上,确定了大气压等离子体射流清洗金属表面润滑油污反应动力学方程中的参数：指前因子和活化能,并在此基础上建立了三种大气压等离子体射流清洗装置的反应动力学方程,可以定量的计算任意清洗时刻的清洗百分比；并且通过实验对所建立的反应动力学方程进行验证,结果表明实验值与理论值基本吻合。通过三种等离子体射流装置反应动力学方程中的指前因子和活化能的对比分析发现,金属板接地电极的双管双高压等离子体射流清洗速率最快,外石英管接地电极的双管双高压等离子体射流清洗速率次之,单管双高压等离子体射流清洗速率最慢。等离子体射流清洗的反应动力学方程的建立可以为精确定量控制现代工业生产中的清洗过程提供研究方法和理论依据。
【图文】：

１辉光等离子体清掩源逡逑一般在低气压的条件下，给两个平行板施加直流或交流电压，即可在两平行板间形逡逑成辉光等离子体。图１．１为辉光等离子体装置结构图。因为金属为导体，所Ｗ被清洗的逡逑金属物体可Ｗ直接放置在正极、负极或加了偏压的单独电极上而成为电极的一部分。辉逡逑光放电时，电子和正离子在电场的作用下分别撞击放置在阳极、阴极和偏压电极上的金逡逑属物体表面，使污物脱离金属表面达到清洗的目的。上述清洗过程需要在低气压环境中逡逑操作，不适合工业中的连续生产，而且低气压需要昂贵的真空设备，也提高了清洗成本。逡逑Ａｎｏｄｅ邋Ａｎｏｄｅ逡逑Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑Ｍｏｎｏｒｎ＂邋Ｇａｓ逦３逦ｎ逦＾逡逑Ｆｅｅｄｉｎｇ逦Ｄ逦ｐｆ逡逑Ｍａｎｉｆｏｌｄｓ逦＾逦＾逡逑－－－吟不！ｍ逦哇逡逑甲ｆｔ逦Ｉ］逡逑一ｉ逦Ａ逦ｉ逡逑ｙ逦於逦Ｔｈｒｏｔｔｌｅ逡逑Ｖａｈ－ｅ逡逑Ｉ邋：逦．邋１１，：：逦￣］邋Ｉ逡逑？逦．逦Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋ｊ邋Ｂｏｏ。。ＬＪ邋Ｖａｃｕｕｍ逡逑—＿逦１１逦■逦Ｓ邋这邋Ｉ邋Ｐｕｎｙ邋＾Ｐｕｍｐ逡逑Ｉ邋Ｆｌｏｗ邋Ｒａｔｅ逦逦逦逦邋逦逦逡逑！邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ逦ＤＣ邋Ｐｏｗｅｒ邋｜逦｜￣￣Ｐｒ？ｓｕｒｅ邋Ｉ邋！邋Ｔｈｒｏｔｔｌｅ邋Ｖａｈ＇ｃ邋！逡逑叩的逦Ｉ逦Ｉ邋Ｒｅａｄｏｕｔ邋ｎＣｏｎａ－ｏＵｇｒ邋［逡逑图１．１}U光等离子体装置逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃ

逑在低气压条件下，利用射频源（频率为１３．邋５６邋ＭＨｚ）产生的高压交变电场将放电腔逡逑中的氧、氮、氨等工作气体振荡成高能量或高反应活性的离子。图１．２为射频等离子体逡逑装置结构图。由于射频单电极放电的能量高、范围大，现已被广泛的应用于污物的清除逡逑和材料的表面处理中Ｕ５３。射频等离子体可通过设置工艺参数控制强度和密度，来适应各逡逑种被清洗金属物体的不同要求。但低气压射频等离子体清洗需在放电腔中完成，对被清逡逑洗的金属物体尺寸有所限制，而且装置中仍需要真空设备，，操作繁琐并且成本很高。逡逑Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ逦＊邋Ｃｏｍｐｕｔｅｒ邋ＲＦＩ逡逑Ｇａｓ逦？逦ＲＦＺ邋Ｙ逡逑ｉｎ邋？逦１￣邋６０邋—ＩＪ—Ｉ逡逑Ｆｕｓｅｄ邋＾＊１逡逑＼逦Ｈｏｌｌｏｗ邋；逡逑；逦

本文编号：2542155