（机械电子工程专业论文）高压负电晕等离子体放电的研究及其在静电涂油机中的应用.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第l 页 摘要 应用高压负电晕等离子体放电机理，来进行防锈油荷电、雾化并进行喷涂，是一项新 的钢板喷涂防锈油技术。这项技术是把高压静电等离子体放电、液滴静电荷电、液滴荷电 雾化的基本原理和电场、流场的控制方法相结合，从而达到使防锈油稳定雾化，均匀涂于 带钢表面的目的。 首先，本文以武汉科技大学研制的静电涂油机为研究平台，通过对静电涂油机中负电 晕等离子体放电机理的研究，对放电过程中的各参数特性进行分析，同时还对涂油室放电 击穿条件进行了讨论，得到了负电晕放电伏安特性曲线、电流电场关系曲线，以及涂油室 放电击穿数学模型等。通过运用负电晕等离子体放电机理对涂油机喷涂现象的简要分析可 以发现，油液荷电雾化效果、射流长度等因素都受到放电效果的影响，且根据伏安特性曲 线及电流电场关系曲线等负电晕等离子体放电特征，能够对荷电雾化乃至喷涂效果作出预 测。 其次，在对静电涂油机中二次雾化装置的成功创新使用及二次雾化装置原理进行了介 绍后，运用m a t l a bp d e 工具箱，对带有二次雾化装置的静电涂油机进行了简单电场模 拟仿真，根据仿真结果并结合负电晕等离子体放电机理对其进行了分析。该仿真及分析， 一方面验证负电晕放电机理在静电喷涂技术中应用的合理性，同时也为二次雾化装置的应 用提供了理论依据。 关键词：负电晕等离子体放电；放电参数特性分析；m a t l a bp d e i 具箱：二次雾化装置； 静电涂油机 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fe m p l o y i n gt h ea n t i r u s t i n go i lw i t ht h em e c h a n i s mo fh i g h v o l t a g e n e g a t i v ec a ) r o n ap l a s m ad i s c h a r g et oc a r r yo nc h a r g i n g , a t o m i z a t i o na n ds p r a y i n gi san e w i t e m o fs t e e lp l a t es p r a y i n gt e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g yc o m b i n et h eb a s i cp r i n c i p l eo fh i g h - v o l t a g e e l e c t r o - s t a t i cp l a s m ad i s c h a r g e ，d r o p l e t se l e c t r o s t a t i cc h a r g e ，d r o p l e t sc h a r g e da t o m i z a t i o na n d t h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fe l e c t r i cf i e l da n df l o wf i e l dt o g e t h e r , t h u sa c h i e v et h eg o a lo ft h e s t e a d ya t o m i z a t i o no fa n t i r u s t i n go i la n ds c r i b b l i n go ns u r f a c eo f b e l t e ds t e e le v e n l y f i r s t ，t h i sp a p e rr e l i e do nt h ee l e c t r o s t a t i co i l e rp r o d u c e db yg r o u po fw u h a nu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya st h er e s e a r c hp l a t f o r m ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo f n e g a t i v ec o r o n ap l a s m ad i s c h a r g ei ne l e c t r os t a t i co i l e r ，t h ep a r a m e t e r si nt h ec o u r s eo fd i s c h a r g e w e r ea n a l y z e d ，a n dt h eb r e a k d o w nc o n d i t i o ni no i l e rr o o mw a sd i s c u s s e d ，n e g a t i v ec o r o n a d i s c h a r g ec vc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，c u r r e n t - e l e c t r i cf i e l dr e l a t i o nc u r v ea n dt h ed i s c h a r g e b r e a k d o w nm a t h e m a t i cm o d e li no i l e rr o o ma n ds oo nh a v eb e e no b t a i n e d a c c o r d i n gt oa s i m p l ea n a l y s i so no i l e rs p r a y i n gw i t l lt h em e c h a n i s mo fn e g a t i v ec o r o n ap l a s m ad i s c h a r g e ，w e h a v ef o u n dt l l a t ，t h ef a c t o r ss u c ha st h ee f f e c to fo i lc h a r g e da t o m i z a t i o na n dt h el e n g t ho f j e ta n d s oo n ，a l la f f e c t e db yt h ed i s c h a r g ee f f e c t ，a n dt h r o u g ht h en e g a t i v ec o r o n ap l a s m ad i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c s ，f o ri n s t a n c et h ec - vc h a r a c t e r i s t i cc i l r v ea n dc u r r e n t - e l e c t r i cf i e l dr e l a t i o nc u r v e ， e t e ，t h ee f f e c to fc h a r g i n ga t o m i z a t i o n , e v e nt h ee f f e c to fs p r a y i n gc o u l db ep r e d i c t e d n e x t ，t h es u c c e s s f u li n n o v a t i o na p p l i c a t i o no fe l e c t r o s t a t i co i l e rw i t hs e c o n d a r ya t o m i z a t i o n d e v i c eh a sb e e ni n t r o d u c e d ，t h e nm a t l a bp d et o o lb o x w a su t i l i z e dt oas i m p l ee l e c t r i cf i e l d a n a l o gs i m u l a t i o no nt h ee l e c t r o s t a t i co i l e rw i t hs e c o n d a r ya t o m i z a t i o nd e v i c e ，a na n a l y s i sh a s b e e nc a r r i e do nf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dw i t ht h em e c h a n i s mo fn e g a t i v ec o r o n ap l a s m a d i s c h a r g e t h i ss i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，o nt h eo n eh a n d ，t h er a t i o n a l i t yo ft h em e c h a n i s mo f n e g a t i v ec o r o n ap l a s m ad i s c h a r g ea p p l i e di nt h et e c h n o l o g yo fe l e c t r os t a t i cs p r a y i n gh a sb e e n v e r i f i e d ，a n do nt h eo t h e rh a n d ，t h et h e o r ye v i d e n c eh a sb e e ns u p p l i e df o rt h ea p p l i c a t i o no ft h e s e c o n d a r ya t o m i z a t i o nd e v i c e k e y w o r d s ：n e g a t i v ec o r o n ap l a s m ad i s c h a r g e ；t h ea n a l y s i so fd i s c h a r g ep a r a m e t e r ；m a t l a t p d et o o lb o x ；s e c o n d a r ya t o m i z a t i o nd e v i c e ；e l e c t r o s t a t i co i l e r 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：扬鲑 日期： 兰! 望生：生 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 静电涂油原理及其国内外研究概况 在社会工业不断发展和人们物质文化生活水平不断改善的同时，人们对涂装品在外观 上的要求也越来越高，既要求美观大方又要求实惠可靠，静电涂油技术就是近年来在国内 外快速发展起来的新型技术，已经被广泛应用到各个工业领域中。它不仅能节省涂料，降 低对环境的污染程度，而且可以使喷涂工艺机械化、连续化、减少废品率，获得优异的涂 膜性能，大大提高劳动生产率，改善劳动条件，从而获得可观的社会经济效益 2 0 世纪7 0 年代初英国学者d o n a l dr h e n r y 提出静电涂油的概念，利用高压静电使油 液加速并雾化，然后喷涂在钢板上，这样可以使涂油设备与钢板不直接接触，涂油后的油 膜薄而且均匀，防锈效果好利用这一技术，英国的p e a b o d y 公司和德国的d u m a 公司 开展了静电涂油机的研制工作并取得初步成果，研制了多台静电涂油机，在德国、英国的 钢厂应用，并出口到世界各地，效果良好。美国u a s 公司与日本t r i n i t y 公司也于9 0 年代初着手研制静电涂油机，先后造出多台静电涂油机用于本国钢铁企业并少量出口。从 报道看，发达国家的各种金属板、带材连续生产线如酸洗线、平整线、重卷线、热镀锡线、 电镀锌线、连续退火线、横切线、纵切线、冲裁冲压线等，都有应用静电涂油机的报道。 研究表明高压静电有助于液体雾化，该技术除在静电喷涂外，在静电除尘、静电喷漆、 静电喷洒农药、静电喷粉、静电雾化乳剂制造等领域都得到了广泛应用。利用静电喷雾技 术开发的金属板带静电涂油机是集机械、液压、电气、高压静电、计算机控制于一体的高 科技产品，与一度广泛应用的辊式涂油机、喷嘴涂油机相比，静电涂油机n 1 具有明显优点： ( 1 ) 涂油质量好，工作可靠。油液在高压静电场中形成的雾化细粒均匀地吸附在金 属板带表面，成为牢固的极薄油膜，克服了其它涂油机涂油不匀、条状漏涂的缺陷： ( 2 ) 节油效果显著。静电涂油机涂油量可按工艺要求设定，可避免过量涂油，在保 证涂油质量的前提下，静电涂油机涂油量最少可达2 0 m g m z ； ( 3 ) 设备利用率高，维修费用少。除钢板静电涂油机的滚动导板在涂油工作过程中 接触钢板，可能会有少量磨损外，在工作时无任何零部件接触带钢，涂油是非接触性涂油， 不会产生机械磨损，设备故障少，利用率高，维修工作量小，所需费用少； ( 4 ) 对环境污染少。静电涂油机在封闭的涂油室内给金属板带涂油，油雾能吸附在 板带上而不会扩散到涂油室外，克服了其它涂油机严重污染车间环境的缺陷； ( 5 ) 经济效益好。我国上海宝钢冷轧厂1 群重卷线与l 群、2 横切线采用静电涂油机， 据宝钢设计研究院测算，三台涂油机每年获经济效益达1 9 0 9 万元，其中由于钢板涂油质 量提高获益1 5 2 7 万元，节油与降低维修费用可节约3 8 2 万元。 由于静电涂油机具有上述优点，在目前板带材市场竞争日趋激烈的情况下，为树立产 品形象，提高市场占有率，板带材涂油采用静电涂油是必然趋势。从进口静电涂油机的使 用情况看，尽管钢板表面的涂油质量较之辊式涂油机有根本改善，但是还存在结构复杂、 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 难于维修及高压保护措施不完善等技术缺陷。进口静电涂油机在国内无法普及的最大原因 是价格昂贵，售后服务质量和速度不能保证，备件价格非常高。这些都表明，研制我国自 主知识产权的静电涂油机非常必要。武汉科技大学冶金设备研究所静电涂油机课题组从 1 9 8 9 年开始静电应用方面的研究。通过随后的实验室研究，于1 9 9 5 年成功试制出第一台 具有自己特点的国产静电涂油机。安装在上海宝钢益昌薄板有限公司纵切线上，使用效果 良好，得到厂家充分肯定，填补了国产静电涂油机的空白。 由于静电涂油机中油液的雾化情况直接关系到静电涂油机的涂油质量，近期国内外很 多学者都把注意力集中在油液的荷电雾化机理研究上，探讨雾化质量与各种相关参数( 涂 油机结构参数、防锈油油品参数、高压静电场分布参数等) 的关系，但是还没有取得实质 性突破。因此研究涂油机的刀梁电晕放电特性及油液的电晕荷电雾化机理是开发研制新型 静电涂油机的核心工作。 1 2 高压负电晕等离子体放电发展应用概述 一 r 2 1 1 2 1 气体放电及等离子体物理的发展历史概况 1 6 7 2 年，威廉( g o t t f i i e dw i l h e l m ) 首次在旋转硫磺球上发现了人工条件下的电火花， 揭示了“气体放电”的奥秘。1 8 0 2 年，彼得洛夫发现了电弧放电。1 8 8 9 年，帕邢( f p a s c h e n ) 得到了击穿电压u 和极间距离d 乘积的关系u = f ( p ，d ) ，并发现了击穿电压有一个最小值。 1 9 0 3 年，汤森( j s b t o w n s e n d ) 提出气体击穿理论，并于1 9 1 0 年发表“击穿判据”等，这 一理论，至今在一定范围内仍然适用。1 9 3 9 年，雷特( h r a e t h e r ) 用雾室进行实验，提出 了流柱理论，使气体击穿理论向前发展了一大步。1 9 2 3 年，i r v i n gl a n g m u i r 引入了“鞘层 和“等离子体”这两个术语。它们也一直被沿用至今。 2 0 世纪2 0 年代，作为现代等离子体物理中的一项主要理论性发展，磁电离理论促进 了等离子体研究。2 0 世纪3 0 年代初，开始了磁流体动力发电的商用研究，在美国能源部 的资助下，这项研究继续到今天。第二次世界大战期间，用于雷达的微波技术蓬勃发展之 后，在4 0 年代末期，用微波放电产生了等离子体。等离子体物理发展的主要动力是关于 受控核聚变的研究，1 9 5 0 年左右开始于一些主要的工业化国家，一直发展到今天。当今大 学和国家实验室在等离子体物理方面的多数研究活动，都是试图产生和用磁约束聚变高温 等离子体。自1 9 7 0 年以来，特别是最近，等离子体已被广泛地用于微电子工业，进行制 造微电子电路所必需的沉积、刻蚀等加工，其他工业等离子体加工的应用近来也发展甚快。 1 2 2 低温等离子体概述1 2 , 3 人类对等离子体的系统认识开始于1 9 世纪3 0 年代的气体放电研究，在2 0 世纪初建立了 等离子体概念，即由大量具有相互作用的带电粒子组成的有宏观时空尺度的体系。n 7 0 年 代末，它已发展成为一门独立的分支学科，其研究对象为天体等离子体、近地电离层空间 等离子体和人工产生的实验室等离子体。等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是一种 电离的气态物质，称为物质第四态，宇宙中9 9 9 的物质都处于等离子体态。等离子体是由 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 电子、离子、原子、分子和自由基等粒子组成的集合体，具有宏观尺度的电中性和高导电 性，等离子体中的离子、电子、激发态原子都是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以 进行或速度很慢的反应变得十分快速。粒子之间不断碰撞发生能量交换，同类粒子之间容 易通过碰撞交换能量达到热力学平衡，有电子温度t 。，离子温度t i ，气体温度t 1 根据温度 分为高温等离子体和低温等离子体，当电子温度处于1 矿1 0 。k 时，称为高温等离子体， 属于势力学平衡或局部热力学平衡等离子体，如太阳上的等离子体和核聚变等离子体；当 电子温度处于3 x 1 0 2 1 0 5k 时称为低温等离子体按物理性质，低温等离子体大致有三 种：( 1 ) 热等离子体( 或近局域热力学平衡等离子体) ；( 2 ) 冷等离子体( 非平衡等离子体) l ( 3 ) 燃烧等离子体。 非平衡等离子体是指等离子体气氛内，电子的能量( 或温度) 很高，而其他质量较大的 粒子则温度较低( 接近于常温) ，系统内各粒子间的能量分布远未达到平衡。由于非平衡等 离子体空间内只激活一小部分气体分子或者原子，而总体上看整个气体基本不受其影响， 可维持较低温度，能量消耗保持在最低温度，因此也称为低温等离子体低温等离子体物 理与技术经历了一个由6 0 年代初最初的空间等离子体研究向8 0 年代以材料为导向研究领 域的大转变。微电子学、环境科学、能源与材料科学等学科的高速发展，为低温等离子体 科学发展带来了新的机遇和挑战。 产生等离子体的方法很多，天然的有雷电、日冕和极光等。实验室可采用放电、燃烧 和微波等方法。目前在液体荷电雾化领域，研究最多的就是电晕放电法，电晕放电是在外 加电压超过气体的起晕电压、限流电阻较大的情况下产生的放电。电晕放电是使用曲率半 径很小的电极，如针状电极或细线状电极，并在电极上加高电压，由于电极的曲率半径很 小，而靠近电极区域的电场特别强，电子逸出阳极，发生非均匀放电，电晕放电是在常压 下进行的，设备价格较低，可实现连续化处理。 等离子体技术现在广泛应用于许多专业领域，在能源领域，利用超高密度、超高温等 离子体的核聚变发电；在新材料和加工领域，利用等离子体化学活性的薄膜沉积、刻蚀、 喷涂和表面改性等；在环境保护领域，近年来人们将等离子技术应用在这方面日益高涨， 如静电除尘、空气净化、脱硫脱硝和城市垃圾处理等。等离子体技术在工业生产与日常生 活中己得到极为广泛的应用，近年来，利用电晕放电技术处理环境污染物，其中许多技术 已经商业化应用，取得了很好的经济效益与环境效益，被认为是环境污染物处理领域中最 有发展前途的技术之一。电晕等离子体活化法降低汽车尾气排放，也逐渐引起人们的重视 并进行了深入研究。用于静电喷涂技术的就是利用电晕放电法产生的冷等离子体技术。 1 3 高压负电晕等离子体放电研究现状 1 3 1 利用针板模型对高压负电晕等离子体放电进行的研究 t 9 1 4 年，t o w n s e n d 给出了线筒式电晕放电伏安特性的近似解，其他学者发现针对板负电 晕放电中伏安特性具有相似的经验关系。在针对板电晕放电的伏安关系中，针板间距d 在 其中的作用尚存争议n 1 。大连海事大学的朱益民、孔祥鹏等嫡_ 6 列对多针对板电晕放电伏安 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 特性、多针对板电晕放电的放电极性、尖板间距d 的变化对伏安特性的影响进行了大量实 验研究。研究近似算得其伏安关系式i = c u ( u u s ) 并确定了正、负电晕放电中的c 值，由c 与d 的关系得出随d 的减小，放电功率和电流密度增加的结论，在一定条件下实验结果与推导得 到的伏安关系式吻合。确定了空气中针对板电晕放电的伏安关系i = e u ( u u s ) 中的c 值；根据 c 同针板间距的关系，得到针板间距d , 贝j j 电流密度大、放电功率密度大；根据c - u 曲线变化 趋势，初步划分了电晕放电的各放电阶段。 o e s 法是等离子体诊断的有力工具，可定量给出等离子体中的物种成分、粒子能态分 布、激发温度、粒子相对密度等多种重要参数，近1 0 年来被广泛地应用到等离子体微观诊 断中。z h a o 等分析了不同条件下针对板电晕放电发射光谱的组成1 。s u n 和w a n g 等研究了 针对板电晕放电产生的o h ，o 和h 伐的发射光谱，给出了各激发态粒子的布局及相关参数对 其的影响h 旧1 。g e 等通过检测放电管中等离子体的放电光谱，分析了放电等离子体形成的 途径，了解各种粒子乃至电子的能量情况n 1 i 。大连理工大学等对线筒式脉冲电晕放电的 发射光谱强度进行了比较，并研究了放电气体组分和电参数对光强的影响，认为沿线到筒 方向光谱强度和高能电子密度呈非线性递减n 2 ，t 3 w a n g 等利用o e s 法测量常压介质阻挡氩 等离子体的放电参数，计算了等离子体的电子温度和电子浓度n 鲫。 在对常压下多针对板负电晕放电伏安特性研究的基础上，宿鹏浩等n 目又利用光学发射 光谱( o e s ) 法检测放电产生的n 2 发射光谱，研究其电离区形貌。根据n 2 发射光谱中峰值最 大的第二正态激发谱峰强度i s p b 在高压针电极周围的空间分布，较精确地确定了电离区 形貌；在电离区内体积分i s p b ，获知i s p b 与放电电流i 之间的关系。实验结果表明。电离 区大小随着外加电压u 升高而增大；电子雪崩始于距离针尖半径约l m m 处的球面上，并且 只在m m 量级范围内发展，即电离区的大小为m m 量级；电子雪崩沿针尖轴向比沿径向发展 范围大，电离区形貌为“子弹，状；i s p b 的积分值与i 成二次相系数很小的二阶线性关系，故 放电中受激物质主要是n 2 ；高能电子主要存在于电离区，迁移区中形成电流的带电粒子为 离子。利用o e s 法对多针对板负电晕放电的n 2 发射光谱进行测量，来研究其电离区放电形 貌和微观特性。常压下多针对板负电晕放电中，电离区的范围随着u 的升高而增大；电子 雪崩始于距针尖约l m m 处并在m m 量级范围内发展；电子雪崩沿针尖轴向比沿径向发展范 围大，电离区形貌为“子弹”状；i s p b 的积分值与i 近似成二阶线性关系，受激物质主要是 n 2 ，高能电子主要存在于电离区，迁移区中形成电流的带电粒子为离子。 1 3 2 高压负电晕等离子体放电中脉冲放电的研究 负电晕放电中的脉冲现象最早由t r i c h e l 报道，被称为“t r i c h e l ”脉冲妲，墙。脉冲频率为 l 1 0 0 k h z ，随着放电电压的升高，脉冲频率线性升高，脉冲幅度逐渐减小。当放电电流达 到1 2 0 1 4 0 i ，t a 后，脉冲消失。特罩切尔本人认为周期性脉冲的存在是由于正空间电荷周期 性的积聚和消散造成的。阴极附近电子雪崩的发展形成了内外两个电荷层，内层主要是正 离子，外层是负离子。内层的j 下离子在向阴极运动时，对原场形成屏蔽效应，抑制了电离 的发展。当正离子浓度降低以后，放电才得以重新开始。这样的周期性电离强度改变导致 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 了特里切尔脉冲的形成。 l e o b n 认为，特里切尔脉冲是由于电子雪崩产生的负离子对电场的削弱造成的n 钉，脉 冲只能在电负性气体中存在，电正性气体中则不存在电流脉冲n 町根据他的理论，电离区 产生的电子在漂移区的低场条件下会被0 2 、h 2 0 等电负性气体成份吸附，形成相应的负离子 而在漂移区低场中缓慢的漂移速度会引起负离子的积聚，使局部电势降低，在尖端附近形 成反向电场，使合场强降低，当合场强低于击穿电场时。放电就会截止；只有的当尖端附 近的负离子迁移走一部分后，使合场强能再次高于击穿场强时，下一个脉冲才能开始。l e o b 同时提出了基于电子雪崩的脉冲解释，为了解释电流脉冲的快速上升现象，l e o b 认为电子 雪崩每产生1 0 4 个电子就会在阴极产生3 个以上的光电子基于该理论，需要大约十次连续 的雪崩才能产生一个脉冲所需要的离子数目 另外一个较为精确的模型由强锄d m v 提出，该模型由光电子并发的许多平行的电子雪 崩代替了l e o b 的循环式电子雪崩。同时认为，存在两个不同的脉冲上升阶段，前一阶段脉 冲幅值相对较小，但上升时间相对较长，约5 0 0 邶。在前一阶段结束时，产生的雪崩数目为 1 0 3 量级。紧接着的第二阶段脉冲主要由空间电荷的运动造成，上升时间相对较短，约为一 个电子雪崩时间的二分之一，但该阶段对最终脉冲幅值的贡献非常大该理论后来由 h s o k a w d 例等人进行了验证。但l e o b 和砧e x 粕d r o v 的模型存在很多问题，例如不能解释为 什么在电正性气体中的负电晕放电仍然存在与空气中类似脉冲波动，以及为什么脉冲会有 多个不同的峰存在啪2 。 m o r r o w 在对前人的理论进行总结的基础上，提出了新的特里切尔脉冲的产生机理乜羽。 m o r r o w 的前期工作认为阴极表面由离子引起的二次电子发射在类似舢c x 锄d r o v 的并发式 电子雪崩过程中起主要作用嘲。随后，m o r r o w 认为阴极表面的光电子发射过程同样起了重 要作用，脉冲被解释为由光电离引发，脉冲主峰被解释为由负离子的光解造成。但m o 邝o w 的理论被e e m 酞的实验否定，光电离过程在脉冲形成中的作用还有待探讨瞳4 1 。 1 9 9 7 年，n a p a n o v i c h 建立了特里切尔脉冲的数值模型，第一次对小间隙( 小于l m ) 干 空气中的脉冲形成过程进行了详细模拟，。该模型对脉冲发展过程进行了简化，只考虑了 0 2 一种负离子的三体吸附与复合过程，忽略了电子一离子，离子一离子复合过程。另外，与 m o 仃o w 模型不同的是，光电离过程被忽略只考虑了离子引起的二次电子发射。根据该模型， 阴极周围的正电荷浓度升高时，阴极周围电场被加强，电离过程也被大大加强。这种加强 过程是非线性的，导致电流迅速上升，这是由于电离常数随场强快速增大的原因。同时， 认为电离的迅速增强导致了一个等离子体区的形成，该等离子体区快速向阴极前进。这样 在该等离子体区接近阴极时，阴极表面电场被增强，但电离区的场强却在降低。这时，电 路中的电流被认为由位移电流接续。 2 0 0 2 年，n 印a n o v i c h 提出了更为精细的三维模型，对特里切尔脉冲进行了模拟乜6 l 。根 据该模型：当脉冲电流增大时，阴极区轴向收缩，径向扩大：当脉冲电流降低时，阴极区 轴向扩大，径向收缩。同时认为负离子在特里切尔脉冲形成过程中作用不大。因此，脉冲 仍然可以在电正性气体( 舡、n 2 、h e ) 中存在。a k i s h e v 的研究也验证了这一结论。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 李国锋等乜7 施2 9 1 对脉冲电晕放电系统的伏安特性进行了理论分析，从而脉冲放电系统 的实际应用提供依据推导出了脉冲放电电压、放电电流和脉冲上升时间的理论公式；分 析了回路参数对脉冲放电特性的影响；并将理论计算和实际测得的两个波形进行了比较， 确定出实际应用电路所采用的元件参数，即电容要采用介损小和电感量低的高频脉冲电容 并在脉冲电晕脱硫脱硝反应器得到应用。 1 3 3 利用m a t l a bp d e 工具箱对高压负电晕等离子体放电进行的研究 p d e i 具箱是一个基于m a t l a b 啪一h3 2 3 洲1 的用来研究与求解偏微分方程的工具集合， 它为二维空间上的偏微分方程的研究与求解提供了一个强大而灵活的工作环境。工具箱是 对偏微分方程采用有限元方法( f e m ) 进行离散，强大数值计算能力不仅为求解电场不均 匀系数带来了方便，同时使计算结果图形化、直观形象。 张波，储金宇等口5 砥3 7 3 利用p d e i 具箱求解尖一板电极结构的电场不均匀系数，通过数据 拟合方法得出电场不均匀性和电极几何参数的关系，其结果表明：电场不均匀系数f 随电极 间距d 的增加而变大，随曲率半径r 的增大而减小，受电极圆柱部分长度l 和电极圆柱部分 半径r 的影响不大。p d e i 具箱能方便地求解电场不均匀系数f 且计算结果图形化、直观 形象；进一步用数据拟合得出电场不均匀性和电极几何参数l 、r 、r 、d 等的表达式，为不 均匀电场系统设计提供了理论依据。 1 4 本文的选题依据、研究意义、研究目标及研究内容 1 4 1 本文的选题依据 本课题来源于： ( 1 ) 湖北省自然科学基金项目：高压静电场中带电介质的行为研究( 2 0 0 4 a b a 0 0 5 ) ( 2 ) 国家重点新产品计划项目：板带静电涂油机( w j b ) ( 2 0 0 6 g r d l 0 0 0 4 ) 1 4 2 本文的研究意义及研究目标 高压负电晕等离子体放电是运用尖端放电原理，在尖端电极上加以负高压，将对方电 极接地，从而形成高压静电场，且在尖端附近区域电离最强以至发生电晕电离产生电晕等 离子体的放电过程。然而随着离尖端径向距离的增加场强逐渐减小，由放电理论可知电晕 等离子体放电过程也必将随之改变。虽然国内已经对高压负电晕放电理论及应用进行了部 分研究，如静电喷涂防锈、静电喷洒防虫害等等，但高压负电晕放电中，等离子体的产生、 负电晕放电过程的变化及其规律的研究却不多，而将其运用于静电喷涂技术的研究更是不 多见。 对于大部分静电应用技术的研究，如静电喷涂、静电喷洒，研究者大多时候是直接从 研究喷涂( 喷洒) 液的荷电及其雾化出发，但进一步探究荷电及其雾化的源头可以知道， 液体想要荷电再雾化，首先得建立荷电雾化的环境，在通常的静电应用技术中，荷电雾化 环境就是布置一对电极从而建立一个静电场，在液体荷电雾化后雾化液滴即可在电场中运 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 动，如静电涂油机中的梁板电极。总之，不管电极是如何的被布置以及液体是如何的荷电 雾化，其先决条件是所布置的电极必须先放出电来，然后液体才可能荷电乃至雾化而放 电效果如何直接影响荷电效果，荷电效果如何又直接影响雾化效果，最后雾化效果如何将 直接影响喷涂或喷洒效果，即静电技术应用中放电的效果起着决定性意义，传统的荷电雾 化的研究通常是将放电效果理想化或条件化进行的。 基于上述目的，本文从静电喷涂发生的源头一静电放电出发对高压负电晕等离子体 放电机理进行了基本阐述，并研究了在负高压条件下涂油机涂油刀梁的负电晕等离子体放 电现象机理，从而在源头上对静电涂油技术进行研究、分析，希望可以为静电喷涂技术的 进一步研究提供一定的依据和思路，对静电涂油机新产品的进一步开发提供理论依据及实 验数据。 1 4 3 本文的研究内容 本课题从气体放电原理出发，通过对高压负电晕等离子体放电机理的研究，结合涂油 机静电喷涂结构，首先从理论上对高压负电晕等离子体放电进行研究，然后通过推理数据 以及推导公式得到涂油室的伏安特性等特性曲线并运用所得结论对涂油机喷涂现象进行 分析；通过运用m a t l a bp d e 工具箱对带有二次雾化装置的静电涂油机简化模型进行模 拟仿真，从高压负电晕等离子体放电的理论分析和仿真的角度上一方面证实二次雾化装置 的可行性，另一方面也证明了负电晕等离子体放电机理研究的可行性；最后结合负电晕放 电理论进行仿真分析并指出静电喷涂过程中可能出现的二次雾化斜偏现象，从而为静电涂 油机中二次雾化装置的应用提供指导。 1 5 本章小结 本章先介绍了当前国内外静电涂油技术的发展及研究概况，然后对高压负电压等离子 体放电机理的研究目的和意义展开了讨论，并简述了静电涂油机中的高压负电晕等离子体 机理。最后对课题的选题依据、研究意义和研究目标进行了介绍，给出了本课题主要研究 内容。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章高压负电晕等离子体放电的研究 2 1 气体放电理论【2 1 气体放电是指电流通过气体时发生的放电现象。一般伴有发光、发声。由于气压、电 压、电流电极的形状、距离等不同，发光、发声的情况各异。譬如说霓虹灯。 日常生活中我们经常会看到一些气体放电发光的现象：下雨时的闪电、电焊时的弧光、 无轨电车双导线脱轨的瞬间打火等，这些都是气体放电现象。 2 1 1 气体放电原理 通常情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流。但是，在强电场、光辐射、粒子 轰击和高温加热等条件下，气体原子中的电子可从中获得能量，从而可从低能级提到高能 级，这种原子称为受激原子。当所获得能量大到一定数值时，原子被电离成自由电子和正 离子。如果许多原子都被电离，这时气体就成为电离气体。而此时，由大量电离气体产生 出的可以自由移动的带电粒子，在电场作用下形成电流，使绝缘的气体成为良好的导体。 这种电流通过气体、绝缘气体成为良好导体的现象就被称为气体放电过程。 2 1 2 汤森理论 解释气体放电机制的最早理论。由英国物理学家j s e 汤森于1 9 0 3 年提出。汤森在实 验中发现，当两平板电极之间所加电压增大到一定值时，极板间隙的气体中出现连接两个 电极的放电通道，使原来绝缘的气体变成电导很高的气体，有放电电流通过，问隙被击穿。 汤森用气体电离的概念解释这一现象。他设想有l l o 个自由电子在电场作用下由阴极向阳极 运动，只要电场足够强，电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成电子崩。若每 个电子在电场中移动单位距离时产生的电离次数为仅( 汤森电离系数) ，则可推知i l o 个自 由电子在由阴极向阳极运动中经过距离n 后将增加到h o e a d ，而每个电子产生的正离子电 子对数为e a d 1 。正离子在电场作用下向阴极运动，设每个正离子撞击阴极时引起的电子发 射( 称二次电子发射) 的概率为r ，则n o 个自由电子引起电离后产生的二次电子数为 m o ( e a d 一1 ) 。要使放电持续不断，则需使r n o ( e a d 1 ) = n o 或r ( e a d 1 ) = 1 ，这就是汤森自持放电的 条件，又称汤森判别式。 对于不同间隙介质都有不同的临界击穿电场强度e 。( 大气中约3 0 k v c m 。) 。间隙中的 电场e 低于e 。时，间隙不会击穿。在汤森判别式中，电离系数0 【随外加电场强度e 的增 强而增大，因此电子的电离效应也加强。d 值必须足够大才能产生足够的电离次数及离子 数，满足自持放电条件使间隙被击穿。实际过程比这要复杂一些，例如问隙中空间电荷的 积累会引起电场畸变；阴极表面还存在光电发射和其他粒子轰击阴极表面的过程；问隙气 体中还有光电离和电附着作用等。电流的周期性变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一 次次的循环。不满足自持条件时的放电，电流逐步减为零，此时间隙中气体未击穿，仍保 持绝缘状态。汤森理论只适用于气压比较低、气压与极距的乘积( p d ) 比较小的情况。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 2 1 3 气体放电的分类 ( 1 ) 按气体放电形成条件来分 不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电称为自持放电。这 是按照气体放电形成条件来区分的一种气体放电类型，与它并列的是非自持放电气体放 电的形成需要具备两个基本条件，一是外施电压，它使电极间隙的空间范围内呈现一定强 度的电场；二是外界电离因素，它在电极间隙中形成初始带电粒子。外界电离因素有多种 方式，例如，天然辐射或人工光源照射会使空间出现带电粒子。当外加电压较低时，只有 由外界电离因素所造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流，一旦外界电离作用 停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为非自持放电当外加电压逐渐升高后，气 体中的放电过程发生转变，此时若去掉外界激励因素，放电仍继续发展，成为自持放电。 通常所研究的各种气体放电形式如电晕放电、辉光放电、火花放电、电弧放电等都属于自 持放电。形成自持放电的条件可根据汤森理论来确定。 ( 2 ) 按气体放电明暗现象来分 上述已经提到过电流通过气体发生的放电现象一般伴有发光发声，而需要说明的是在 气体放电时还存在不发光的情形。我们将不发光的气体放电现象称为暗放电现象，反之可 称之为光放电现象。而通常所研究的各种气体放电形式如汤森放电、电晕放电都属于暗放 电，辉光放电、火花放电、电弧放电等都属于光放电。 ( 3 ) 按气体放电电压电流性质来分 按放电气体中电流密度的增n j 颐序，气体放电分为本底电离区、饱和区、汤森放电区、 电晕放电区和火花放电或电气击穿区。按放电电极所加电压的增加顺序，气体放电又可分 为脉冲放电、辉光放电、流注放电( 羽状放电或刷状放电) 、火花放电，直至整个间隙被 击穿。 2 1 4 自持放电 从气体放电形成条件出发，自持放电可以被解释为不依赖外界电离条件，仅由外施电 压作用即可维持的一种气体放电形式。而从另一个角度也可对其进行定义及解释。设想由 于外界的光辐照等的作用从阴极放出i l o 个电子，它们在电场中运动并且碰撞气体原子而引 起电离。经过距离x 之后，自由电子由原来的n o 增加到n - - - n o 矿x ，0 【是汤逊第一电离系数。 如果移去外界电离源，这一电流又会停止。但是间隙上电压提高到一定程度时，放电转成 辉光放电或电火花放电，这一转换过程就是击穿。气体原来是绝缘的气体，现在它成了导 体。外界电离因子取消之后，若放电仍能继续不断，放电就成为自持的了，此时气体放电 形式即为自持放电。 自持放电是气体放电领域通常研究及讨论的一种放电现象，因而下面将对自持放电的 几种常见的气体放电形式进行简要介绍。 ( 1 )电晕放电 电晕放电是使用曲率半径很小的电极，如针尖、细丝或边棱状电极，并在电极上加高 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 电压，由于电极的曲率半径很小，而靠近电极区域的电场特别强，电子逸出阳极，发生的 非均匀放电。当在电极两端加上较高的电压时，如果电极表面附近的电场很强，就会形成 不均匀电场，电极附近的气体介质会被击穿，绝缘被破坏，在电极周围产生昏暗辉光，称 为电晕放电。电晕放电是一种非自持的暗放电，若电晕电流比较高，电晕则是眼睛可见的 辉光放电，对于低电流，整个电晕是暗的，包括寂静放电( 电晕的无声形式) 和刷形放电 ( 非均匀电场内发光的放电) 。在静电喷涂工业过程中应用的较多的是电晕放电。 ( 2 ) 火花放电 当静电电位比较高的带电导体靠近其它导体或接地导体时，便会引发静电火花放电。 静电火花放电是一个瞬变过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的 火花通道，与此同时还伴随着劈啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急剧上升 形成的气压冲击波造成的。当发生静电火花放电时，静电能量瞬时集中释放，引燃引爆能 力很强，产生的放电电流及电磁脉冲会造成敏感电子器件的烧毁。火花刹那间穿过放电间 隙，但马上又会熄灭，在放电通道表现出不连续性，而且在放电间隙的横截面上等离子体 分布是不均匀的，所以状态是不稳定的。火花放电的着火电位很高，当气体击穿后，电阻 减小，电流急剧增加，此时若电源功率不足，那么在很短时间内大电流脉冲通过火花通道， 火花就会中断。在火花电位下，电流可增加1 0 4 到1 0 8 倍。 根据气体击穿理论，形成空气击穿的机制主要有两种：汤逊机制和流柱机制。这两种 机制相辅相成，有自己的适用条件和范围。当空气击穿前放电间隙的长度d ( 两电极距离) 与气压p 的乘积p d 较小时，击穿机制为汤逊机制，而p d 值较大时，击穿机制为流柱机制。 现在一般认为当p d l 。 公式( 2 6 ) 中：l 为系统尺寸；为等离子体振荡频率；t 为与中性原子碰撞的平均时间。 2 2 3 等离子体种类 ( 1 ) 自然界中的等离子体 自然界中，9 9 9 以上的物质以等离子体形态存在。对地球来说，这是个特别的条件， 物质以凝聚态存在，能量水平极低。可是在大气中，由于宇宙射线等外来高能射线的作用， 会有2 0 个离子e r a 3 s 。当然，对具有1 0 1 9 c m 3 密度的大气来讲，这种电离太微小了。但是， 若在雷雨时闪电，就