下篇-常壓DBD等離子運(yùn)用在金屬絲退火上的工藝探討
文章導(dǎo)讀：通過實(shí)驗(yàn)裝置分解和結(jié)論討論，我們對(duì)常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子給金屬絲退火的原理和影響因素有了一定了解，等離子退火的溫度和效能與介質(zhì)的材料、厚度、尺寸、長度等因素有重要關(guān)系，而受頻率的影響并不大。本篇主要通過建立等效電路模型來進(jìn)一步探討相關(guān)知識(shí)。
一、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器的等效電路模型
在這一部分中，等效電路模型用于分析細(xì)銅線退火溫度對(duì)常壓DBD等離子體的依賴。通過分析模型，可以確定退火溫度的主要因素是在導(dǎo)線表面的離子轟擊。在計(jì)算常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器內(nèi)細(xì)銅絲的平均溫度的函數(shù)包括介質(zhì)直徑、介電材料，施加的電壓，離子的質(zhì)量和氣體導(dǎo)熱系數(shù)。介質(zhì)對(duì)金屬絲退火的影響是用來分析模型與實(shí)驗(yàn)比較。
二、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器的放電機(jī)制
在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器中，電子和離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成放電電流特性。圖1顯示了放電電流在外加電壓9千伏（KV）氧化鋁（Al2O3）介質(zhì)中的反射。
在這一部分中，等效電路模型用于分析細(xì)銅線退火溫度對(duì)常壓DBD等離子體的依賴。通過分析模型，可以確定退火溫度的主要因素是在導(dǎo)線表面的離子轟擊。在計(jì)算常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器內(nèi)細(xì)銅絲的平均溫度的函數(shù)包括介質(zhì)直徑、介電材料，施加的電壓，離子的質(zhì)量和氣體導(dǎo)熱系數(shù)。介質(zhì)對(duì)金屬絲退火的影響是用來分析模型與實(shí)驗(yàn)比較。
二、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器的放電機(jī)制
在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器中，電子和離子的運(yùn)動(dòng)會(huì)形成放電電流特性。圖1顯示了放電電流在外加電壓9千伏（KV）氧化鋁（Al2O3）介質(zhì)中的反射。
剛開始放電時(shí)，隨著外加電壓的增加，dV/dt＞0，放電電流流過放電間隙增大。電子和離子瞬間向陽極和陰極運(yùn)行，并沉積在其上，形成兩個(gè)空間電荷。電子和離子空間電荷分離產(chǎn)生的內(nèi)部電場。這個(gè)電場隨外加電壓的增加，外部電場成反比。
當(dāng)增量電壓達(dá)到峰值，dV/dt=0，放電電流（位移電流）穿過放電間隙為零，內(nèi)部的電場強(qiáng)度達(dá)到最大值，形成反向電流。當(dāng)dV/dt＜0時(shí)，反向電流的存在，直到電壓達(dá)到局部底值（dV/dt = 0）。當(dāng)瞬間電壓再次增加時(shí)，這個(gè)過程又開始了。
從實(shí)驗(yàn)中看，放電氣體的電流分布是一個(gè)不變的正弦曲線，由于位移電流占主導(dǎo)地位，其總電流變寬。在圓柱常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器放電的電壓電流行為與一個(gè)RLC串聯(lián)電路相同。
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火系統(tǒng)的放電特性以總放電電流為代表，其中包括總的位移電流和傳導(dǎo)電流。從圖1看到，負(fù)極電流周期比正極具有更高的整形器的峰值電流，這導(dǎo)致的結(jié)論是，在負(fù)周期的傳導(dǎo)電流高于正周期。它也表明，在總電流波形和電壓波形的相位差是接近90度，這說明位移電流在總電流中占很大比例。
在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體中，小的傳導(dǎo)電流是因?yàn)榻橘|(zhì)的電阻率高。圖1還顯示了外加電壓時(shí)位移電流（正弦形分布）和傳導(dǎo)電流（窄峰）的變化。從當(dāng)前電流波形顯示，在每半周期的波形具有多峰，每一個(gè)峰值放電時(shí)具有正弦形狀。這種特性不同于微放電模型（包含許多非常小的，短暫的（納秒級(jí)），電流細(xì)導(dǎo)線）。
在我們的實(shí)驗(yàn)中，所有三個(gè)放電氣體的電流分布是一個(gè)不變的正弦曲線，由于位移電流占主導(dǎo)地位，總電流變得非常寬。因此，圓筒形常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器氦氣、氬氣和氮?dú)獾姆烹?，可以用一個(gè)等效RLC串聯(lián)電路建模。
三、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與等效電路模型
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火的放電特性和等離子體反應(yīng)器的物理結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其等效電路模型，形成一個(gè)RLC電路的總阻抗的串聯(lián)和并聯(lián)電路模型之間的組合。放電機(jī)理的相應(yīng)主體部分表明等離子體反應(yīng)器可分為三個(gè)部分：（1）介電壁，（2）動(dòng)態(tài)鞘層，（3）等離子主體 ，如圖2、3、4所示。
當(dāng)增量電壓達(dá)到峰值，dV/dt=0，放電電流（位移電流）穿過放電間隙為零，內(nèi)部的電場強(qiáng)度達(dá)到最大值，形成反向電流。當(dāng)dV/dt＜0時(shí)，反向電流的存在，直到電壓達(dá)到局部底值（dV/dt = 0）。當(dāng)瞬間電壓再次增加時(shí)，這個(gè)過程又開始了。
從實(shí)驗(yàn)中看，放電氣體的電流分布是一個(gè)不變的正弦曲線，由于位移電流占主導(dǎo)地位，其總電流變寬。在圓柱常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器放電的電壓電流行為與一個(gè)RLC串聯(lián)電路相同。
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火系統(tǒng)的放電特性以總放電電流為代表，其中包括總的位移電流和傳導(dǎo)電流。從圖1看到，負(fù)極電流周期比正極具有更高的整形器的峰值電流，這導(dǎo)致的結(jié)論是，在負(fù)周期的傳導(dǎo)電流高于正周期。它也表明，在總電流波形和電壓波形的相位差是接近90度，這說明位移電流在總電流中占很大比例。
在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體中，小的傳導(dǎo)電流是因?yàn)榻橘|(zhì)的電阻率高。圖1還顯示了外加電壓時(shí)位移電流（正弦形分布）和傳導(dǎo)電流（窄峰）的變化。從當(dāng)前電流波形顯示，在每半周期的波形具有多峰，每一個(gè)峰值放電時(shí)具有正弦形狀。這種特性不同于微放電模型（包含許多非常小的，短暫的（納秒級(jí)），電流細(xì)導(dǎo)線）。
在我們的實(shí)驗(yàn)中，所有三個(gè)放電氣體的電流分布是一個(gè)不變的正弦曲線，由于位移電流占主導(dǎo)地位，總電流變得非常寬。因此，圓筒形常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器氦氣、氬氣和氮?dú)獾姆烹?，可以用一個(gè)等效RLC串聯(lián)電路建模。
三、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與等效電路模型
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火的放電特性和等離子體反應(yīng)器的物理結(jié)構(gòu)相結(jié)合，其等效電路模型，形成一個(gè)RLC電路的總阻抗的串聯(lián)和并聯(lián)電路模型之間的組合。放電機(jī)理的相應(yīng)主體部分表明等離子體反應(yīng)器可分為三個(gè)部分：（1）介電壁，（2）動(dòng)態(tài)鞘層，（3）等離子主體 ，如圖2、3、4所示。
介質(zhì)的阻抗、電離化（ZP）和非電離氣體電容Cg顯示在圖3。
介質(zhì)的阻抗，鞘層和等離子體的主體如圖4。
在該介質(zhì)的阻抗是介電電容和介電加熱電阻的并聯(lián)組合，鞘層的阻抗是鞘層電容和離子電流在鞘層中的離子加熱電阻的并聯(lián)組合，等離子體的阻抗是等離子電阻（僅由流光加熱的歐姆加熱）和帶圓筒形空間電容Cp的并聯(lián)組合。二極管，Da和Db是用于指定輸入電壓的符號(hào)。放電前的反應(yīng)器的氣體電容也被連接到平行Cg。
四、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火對(duì)介電材料的依賴性
基于等離子加熱功率的假設(shè)，從模型中的細(xì)導(dǎo)線溫度可通過方程計(jì)算：
四、常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火對(duì)介電材料的依賴性
基于等離子加熱功率的假設(shè)，從模型中的細(xì)導(dǎo)線溫度可通過方程計(jì)算：
在Vin（t）是施加電壓，Iin（t）是總的放電電流，q是離子的電荷，M為離子的質(zhì)量，L是反應(yīng)器的長度，ra、rb、rc和rs分別表示細(xì)導(dǎo)線半徑、介質(zhì)內(nèi)半徑、介質(zhì)外半徑和鞘層半徑，β是表格函數(shù)的時(shí)變率ra /rs，λ是放電氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，F(xiàn)是施加電壓的頻率，V是銅線速度，T0是銅線進(jìn)入等離子體反應(yīng)器前的溫度，Cv是比熱容，ρ是密度，Aa和Ab是細(xì)導(dǎo)線和介質(zhì)的橫截面，Tw是導(dǎo)線表面溫度。Zdie是介質(zhì)導(dǎo)納是并行相結(jié)合的介電電容Zd和介電加熱Rd。
圓筒形幾何介質(zhì)電容Cd
在Kd的介電常數(shù)。介電加熱電阻Rd是由在電介質(zhì)加熱中得到的功率損耗Pd
其中Ad是介質(zhì)面積，d為介質(zhì)厚度，tanδ是損耗角正切值，f為施加電壓的頻率。
五、模擬結(jié)果與討論
對(duì)于一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)測試，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中的相同的輸入?yún)?shù)進(jìn)行了計(jì)算。方程（4）是用來計(jì)算銅導(dǎo)線平均溫度在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器作為介電材料的參數(shù)的函數(shù)。圖2、3、4中的數(shù)據(jù)被用作輸入電流參數(shù)來分析電介質(zhì)材料和頻率對(duì)導(dǎo)線溫度的影響。
5-1 常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子退火溫度對(duì)頻率的依賴性
圖5顯示退火溫度和輸入頻率之間的弱正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)頻率從25千赫到40千赫的頻率增加時(shí)，退火溫度的增量只增加了10℃，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，我們可以看到有相同的結(jié)果。因此，我們估計(jì)頻率對(duì)退火溫度沒有什么影響。
五、模擬結(jié)果與討論
對(duì)于一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)測試，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中的相同的輸入?yún)?shù)進(jìn)行了計(jì)算。方程（4）是用來計(jì)算銅導(dǎo)線平均溫度在常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器作為介電材料的參數(shù)的函數(shù)。圖2、3、4中的數(shù)據(jù)被用作輸入電流參數(shù)來分析電介質(zhì)材料和頻率對(duì)導(dǎo)線溫度的影響。
5-1 常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子退火溫度對(duì)頻率的依賴性
圖5顯示退火溫度和輸入頻率之間的弱正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)頻率從25千赫到40千赫的頻率增加時(shí)，退火溫度的增量只增加了10℃，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，我們可以看到有相同的結(jié)果。因此，我們估計(jì)頻率對(duì)退火溫度沒有什么影響。
5-2 常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子退火溫度對(duì)介電材料的依賴性
圖6顯示了退火溫度對(duì)電介質(zhì)材料，玻璃和氧化鋁的依賴性。仿真結(jié)果表明，在達(dá)到退火溫度時(shí)，氧化鋁介質(zhì)比玻璃介質(zhì)的是更有效的。這一結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。我們可以得出這樣的結(jié)論：介電層材料影響退火和清洗結(jié)果。具有更高介電常數(shù)的介電材料可更有效地達(dá)到退火溫度。
圖6顯示了退火溫度對(duì)電介質(zhì)材料，玻璃和氧化鋁的依賴性。仿真結(jié)果表明，在達(dá)到退火溫度時(shí)，氧化鋁介質(zhì)比玻璃介質(zhì)的是更有效的。這一結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。我們可以得出這樣的結(jié)論：介電層材料影響退火和清洗結(jié)果。具有更高介電常數(shù)的介電材料可更有效地達(dá)到退火溫度。
六、結(jié)論
通過上述實(shí)驗(yàn)和研究可以預(yù)測，常壓DBD等離子放電對(duì)細(xì)銅絲等金屬絲退火和清洗市場應(yīng)用潛力值得挖掘。常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子退火細(xì)銅絲的新模式也為RLC等效電路；介電材料和介電層厚度是影響退火和清洗細(xì)金屬絲的兩個(gè)參數(shù)。對(duì)于最佳的退火條件下，更薄的介電層厚度，更高的介電常數(shù)可更有效獲得延伸率和清潔的表面。此外，介電質(zhì)對(duì)外加電源的頻率的依賴關(guān)系也被認(rèn)為。結(jié)果表明，該頻率對(duì)介質(zhì)和退火效果有一定影響。
通過上述實(shí)驗(yàn)和研究可以預(yù)測，常壓DBD等離子放電對(duì)細(xì)銅絲等金屬絲退火和清洗市場應(yīng)用潛力值得挖掘。常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子退火細(xì)銅絲的新模式也為RLC等效電路；介電材料和介電層厚度是影響退火和清洗細(xì)金屬絲的兩個(gè)參數(shù)。對(duì)于最佳的退火條件下，更薄的介電層厚度，更高的介電常數(shù)可更有效獲得延伸率和清潔的表面。此外，介電質(zhì)對(duì)外加電源的頻率的依賴關(guān)系也被認(rèn)為。結(jié)果表明，該頻率對(duì)介質(zhì)和退火效果有一定影響。
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