低温等离子体技术应用研究进展

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1、中国塑加工工业协会专家委员会成立大会暨2005年塑料新材料、新技术国际研讨会论文集低温等离子体技术应用研究进展孟月东钟少锋熊新阳低温等离子体技术应用研究进展孟月东1钟少锋1熊新阳2(1中国科学院等离子体物理研究所合肥230031;2新疆天业集团石河子832000)摘要：本文介绍了低温等离子体发生技术及原理，对近几年低温等离子体技术应用研究的一个新生的领域－高分子等离子体化学的研究进展进行了概述，内容涉及等离子体聚合、合成、接枝、纳米粒子/粉体包覆、等离子体增强沉积生物适合层及低温等离子体灭菌技术。关键词：等离子体接枝；聚合与合成；灭菌1、引言等离子体作为物质存

2、在的第四态不仅已为人们所认识，而且等离子体技术已进入广泛的实际应用领域[1-26]。等离子体指部分或完全电离的气体，且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消，宏观上呈现中性电。国际上将等离子体分为热等离子体（Hotplasma）和冷等离子体（Coldplasmas）[38]。热等离子体的电离率接近100％，电子和离子温度相当，属于（准）热平衡等离子体。如等离子体弧、火箭发动机的等离子体射流，热核聚变等离子体。冷等离子体的电离率很低（10－4－10％），电子温度远大于离子温度，属于非热平衡等离子体）。国内学者将等离子体划分成三类：高温等离子体（热核聚变等离子

3、体）；热等离子体（等离子体弧、等离子体炬等）；冷等离子体（低气压交直流、射频、微波等离子体以及高气压介质阻挡放电、电晕放电、RF放电等）。而把热等离子体和冷等离子体归纳到低温等离子体中。从物理学的角度划分，笔者倾向于将热平衡态等离子体归为一类。本文所介绍的低温等离子体是非平衡的冷等离子体。低温等离子体的电离率较低，电子温度远高于离子温度，离子温度甚至可与室温相当。所以低温等离子体是非热平衡等离子体。低温等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强，更易于和所接触的材料表面发生反应，因此它们被用来对材料表面进行改

4、性处理。与传统的方法相比，等离子体表面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优点，同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。20世纪七八十年代起,等离子体在对金属、微电子、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等诸多领域的应用研究开始蓬勃发展，形成向多学科交叉的研究方向。早期的大部分工作主要集中在低气压低温等离子体环境下的等离子体表面改性研究，为了工业应用的便利和廉价，最近几年来，大气压非平衡等离子体发生技术及其应用是目前备受关注的热点，涉及应用领域也非常宽广。正因为如此，笔者受知识面的限制，在有限的篇幅内，很难做到全面介绍等离子体技术应用研究的全貌。

5、为了便于不同知识背景的读者对低温等离子体学科的理解，本文尽量通俗易懂地对低温等离子体技术做介绍，并扼要的介绍当前应用研究关注的几个方面。2、低温等离子体发生技术[1-7]中国塑加工工业协会专家委员会成立大会暨2005年塑料新材料、新技术国际研讨会论文集低温等离子体技术应用研究进展孟月东钟少锋熊新阳由于应用领域的不同，对等离子体的参数要求不一样，因而也就形成了低温等离子体发生技术及其物理性质的研究。描述等离子体特性的参数主要是粒子的平均自由程（meanfreepath）、德拜长度（Debyelength）、等离子体温度和平均电子能量。对应于不同的应用，要求的等离

6、子体参数不同，相应的等离子体发生技术也不同。产生低温等离子体的手段很多，可用紫外辐射、X射线、电磁场、加热等方法。实验室和工业产品大都采用电磁场激发等离子体。如直流辉光放电、射频放电、微波放电和介质阻挡放电(DBD)等。直流辉光放电（DCglowdischarges）是在10－2～102Torr.的低气压下，在两个导电电极（阴极和阳极）之间加上102～103V的直流电压。放电腔体中的游离电子（宇宙射线产生的）在电场的作用下，被加速而获得能量，从而与中性气体碰撞电离形成等离子体。在较低电压的情况下，主要以弹性为主。在高电压的情况下，主要以非弹性碰撞为主，电子能够

7、获得足够能量，电离并维持放电，放电电流增大。另外，离子在电场作用下撞击阴极引起二次电子发射，电子在向阳极加速运动的过程中与气体分子碰撞，使气体电离、放电过程得以维持。击穿电压（Breakdown）也称域值电压VT与气压p和放电间距d的关系是：。其中C1和C2是与气体性质有关的常数。直流辉光等离子体的特征是具有明显的明暗区，明暗区的分布和大小与气压、放电管的形状大小、电极间距的关系十分敏感。直流辉光放电等离子体自身的特点限制了它的实际应用，主要有三个问题：(1)放电腔体几何形状影响放电特性；(2)需要裸露的电极；(3)电极材料对等离子体污染。任何需要等离子体处理

8、的材料置于等离子体中，都将影响等离子体