大气压介质阻挡放电与应用的研究现状及问题

材料处理等领域的前景[2]，人们对等离子体稳定性、可控性和高效性有了更高要求。

1 大气压介质阻挡放电及其应用

1.1 介质阻挡放电结构

介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）通过在电极之间添加绝缘介质，阻碍放电贯通高低压电极，使等离子体处于非热平衡状态，避免其发展为破坏性较大的电弧放电，是产生非热平衡等离子体的重要方式。几类大气压DBD结构可见参考文献[4]，可分为体放电和沿面放电两种类型。如图1所示。

大气压DBD产生的非热平衡等离子体具有富含高化学活性粒子、宏观温度接近于室温和可在大气压氛围中产生等优势，可改善部分化学反应的启动条件，降低生产成本，在材料表面处理、生物医学和辅助燃烧等交叉学科领域均有应用。

1.2 材料处理

将DBD在材料领域应用的历史较长，但由于传统的低气压放电等离子体技术需要成本较高的真空设备，近年来，人们开始探索大气压DBD在不同类型材料表面处理的应用，主要聚焦材料亲疏水性、粘附性和粗糙度等表面物化性能的改变。例如，使用He、N2、O2及其混合气体DBD处理聚丙烯薄膜，可减小表面水接触角，降幅可达66%，且辉光放电引起的水接触角变化更显著，同时，辉光放电处理后，表面碳元素含量更低，氧氮含量比例也更小[5];使用含CF4的DBD等离子体对材料表面进行处理，可改变表面亲水性，增加粗糙度，提高了材料沿面耐电性能，有可能增强材料对表面电荷的束缚能力，降低高能电子引起的真空二次电子发射系数[6]。目前，对DBD等离子体材料表面改性机制的认识包括：一方面，DBD等离子体中的高能粒子轰击材料表面，会清除材料表面部分杂质，并破坏材料表面物理形貌，使材料表面粗糙度提高;另一方面，高能电子、离子或激发态粒子可以破坏材料表面化学键，在材料表面形成断键，激活材料表面化学活性，进一步地，材料表面的断裂化学键可能重新键合，形成网状结构，实现聚合物表面交联，也可能使等离子体中的活性自由基与材料表面断键发生接枝反应，引入新元素或新基团，从而改变材料表面物化性能。

1.3 生物医学

大气压DBD非热平衡等离子体由于具有特殊化学活性和低温特性在生物医学领域存在巨大应用潜力，包括较为成熟的等离子体灭毒杀菌技术，和仍在研究阶段的癌症治疗与创伤修复等。1990至2000年人们发现非热平衡等离子体可以使细胞脱吸附，引起真核细胞凋亡，提出了使用等离子体杀灭病原体和创伤修复的可能性[7]。2000年至今，研究证明了等离子体能高效灭活金黄色葡萄球菌和艾滋病病毒等病原体，具有低温、高效和普适等特性[8];发现肿瘤细胞对等离子体的耐受能力弱于正常细胞，等离子体能在不损伤正常细胞的情况下杀灭肿瘤细胞，减小肿瘤大小[8];将等离子体应用于创伤修复，发现等离子体杀灭伤口有害病菌的同时，可促进成纤维细胞增殖，加速创伤修复进程[7]。实验与理论研究表明等离子体中的OH和H2O2等ROS可以渗透组织液，在分子层面上引起细胞膜表面分子的变化，并对细胞生理功能产生影响，但等离子体活性粒子在溶液中渗透深度量化计算方法和对细胞具体作用途径则尚未明晰。

1.4 辅助燃烧

燃料高效燃烧是能源领域关注的重要问题。人们发现了非热平衡等离子体可缩短燃料点火时延，提高燃燒效率[9]。为增强等离子体的可控性，DBD结构被应用于辅助燃烧，以提高低气压、高流速等极端环境中的燃烧稳定性。目前，人们发现非热平衡等离子体可在三个方面影响燃烧进程：温升效应：放电引起气体局部温度升高，提升了燃烧反应速率，使点火时延缩短、火焰传播速率增加等;化学效应：等离子体中的O、OH、CH等活性粒子是燃烧链式反应的过渡粒子，通过放电产生可以加快燃烧反应，拓展燃烧极限;气流输运效应：带电粒子在电场作用下会定向迁移，其动量传递给燃烧气体，引起湍流，在一定范围内，可使燃料与助燃剂混合更加充分，提高燃烧效率，但扰动过大使燃烧不稳定。

2 结论

综上所述，大气压DBD等离子体应用更便利，极具前景。但是，DBD在相关领域应用仍存在一些问题，例如，大气压DBD容易产生不均匀放电，引起材料表面改性不均匀、等离子体温度过高则会灼伤生物组织、放电过于剧烈会增加气流湍流程度而破坏火焰稳定性等等。因此，其共性问题为如何有效调控大气压DBD等离子体的宏观温度、放电类型和活性粒子等性质;其关键科学问题是探明大气压DBD基础理论，即掌握不同气体氛围、不同电源驱动形式和不同放电结构的大气压DBD等离子体特性及其调控规律，并建立具有普适性的大气压DBD理论体系，实现对特定应用场景DBD等离子体源设计的指导。

参考文献

[1] Bittencourt J. Fundamentals of Plasma Physics （Third Edition）[M].Springer US，2004.

[2] 李和平，于达仁，孙文廷，等.大气压放电等离子体研究进展综述[J].高电压技术，2016，42（12）：3697-3727.

[3] Dimitrakellis P， Gogolides E.Atmospheric plasma etching of polymers：A palette of applications in cleaning/ashing，pattern formation，nanotexturing and superhydrophobic surface fabrication[J].Microelectronic Engineering，2018，194：109-115.

[4] Kogelschatz U.Dielectric-barrier discharges：their history，discharge physics，and industrial applications[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing，2003，23（1）：1-46.

[5] Wagner H E，Brandenburg R，Kozlov K V，et al.The barrier discharge：basic properties and applications to surface treatment[J].Vacuum，2003，71（3）：417-436.

[6] Shao T，Yang W，Zhang C，et al.Enhanced surface flashover strength in vacuum of polymethylmethacrylate by surface modification using atmospheric-pressure dielectric barrier discharge[J].Applied Physics Letters，2014，105（7）：071607.

[7] Shekhter A B，Kabisov R K，Pekshev A V，et al.Experimental and clinical validation of plasmadynamic therapy of wounds with nitric oxide[J].Bulletin of Experimental Biology and Medicine，1998，126（2）：829-834.

[8] Keidar M，Walk R，Shashurin A，et al.Cold plasma selectivity and the possibility of a paradigm shift in cancer therapy[J].British journal of cancer，2011，105（9）：1295-1301.

[9] 李平，穆海寶，喻琳，等.低温等离子体辅助燃烧的研究进展、关键问题及展望[J].高电压技术，2015，41（6）：2073-2083.

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