下篇-常压DBD等离子运用在金属丝退火上的工艺探讨
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中篇的实验装置分解和结论讨论，我们对常压DBD介质阻挡等离子给金属丝退火的原理和影响因素有了一定了解，等离子退火的温度和效能与介质的材料、厚度、尺寸、长度等因素有重要关系，而受频率的影响并不大。本篇主要通过建立等效电路模型来进一步探讨相关知识。 1 常压DBD介质阻挡等离子体反应器的等效电路模型 在这一部分中，等效电路模型用于分析细铜线退火温度对常压DBD介质阻挡等离子体的依赖。通过分析模型，可以确定退火温度的主要因素是在导线表面的离子轰击。在计算常压DBD介质阻挡等离子体反应器内细铜丝的平均温度的函数包括介质直径、介电材料，施加的电压，离子的质量和气体导热系数。介质对退火的影响是用来分析模型与实验比较。 2 常压DBD介质阻挡等离子体反应器的放电机制 在常压DBD介质阻挡等离子体反应器中，电子和离子的运动会形成放电电流特性。图1显示了放电电流在外加电压9千伏（KV）氧化铝（Al2O3）介质中的反射。
刚开始放电时，随着外加电压的增加，dV/dt＞0，放电电流流过放电间隙增大。电子和离子瞬间向阳极和阴极运行，并沉积在其上，形成两个空间电荷。电子和离子空间电荷分离产生的内部电场。这个电场随外加电压的增加，外部电场成反比。 当增量电压达到峰值，dV/dt=0，放电电流（位移电流）穿过放电间隙为零，内部的电场强度达到最大值，形成反向电流。当dV/dt＜0时，反向电流的存在，直到电压达到局部底值（dV/dt = 0）。当瞬间电压再次增加时，这个过程又开始了。 从实验中看，放电气体的电流分布是一个不变的正弦曲线，由于位移电流占主导地位，其总电流变宽。在圆柱常压DBD介质阻挡等离子体反应器放电的电压电流行为与一个RLC串联电路相同。 常压DBD介质阻挡等离子体退火系统的放电特性以总放电电流为代表，其中包括总的位移电流和传导电流。从图1看到，负极电流周期比正极具有更高的整形器的峰值电流，这导致的结论是，在负周期的传导电流高于正周期。它也表明，在总电流波形和电压波形的相位差是接近90度，这说明位移电流在总电流中占很大比例。 在常压DBD介质阻挡等离子体中，小的传导电流是因为介质的电阻率高。图1还显示了外加电压时位移电流（正弦形分布）和传导电流（窄峰）的变化。从当前电流波形显示，在每半周期的波形具有多峰，每一个峰值放电时具有正弦形状。这种特性不同于微放电模型（包含许多非常小的，短暂的（纳秒级），电流细导线）。 在我们的实验中，所有三个放电气体的电流分布是一个不变的正弦曲线，由于位移电流占主导地位，总电流变得非常宽。因此，圆筒形常压DBD介质阻挡等离子体反应器氦气、氩气和氮气的放电，可以用一个等效RLC串联电路建模。 3 常压DBD介质阻挡等离子体反应器结构与等效电路模型 常压DBD介质阻挡等离子体退火的放电特性和等离子体反应器的物理结构相结合，其等效电路模型，形成一个RLC电路的总阻抗的串联和并联电路模型之间的组合。放电机理的相应主体部分表明等离子体反应器可分为三个部分：（1）介电壁，（2）动态鞘层，（3）等离子主体 ，如图2、3、4所示。如图2
介质的阻抗、电离化（ZP）和非电离气体电容Cg显示在图3。
介质的阻抗，鞘层和等离子体的主体如图4。
在该介质的阻抗是介电电容和介电加热电阻的并联组合，鞘层的阻抗是鞘层电容和离子电流在鞘层中的离子加热电阻的并联组合，等离子体的阻抗是等离子电阻（仅由流光加热的欧姆加热）和带圆筒形空间电容Cp的并联组合。二极管，Da和Db是用于指定输入电压的符号。放电前的反应器的气体电容也被连接到平行Cg。 4 常压DBD介质阻挡等离子体退火对介电材料的依赖性 基于等离子加热功率的假设，从模型中的细导线温度可通过方程（4）计算：
在Vin（t）是施加电压，Iin（t）是总的放电电流，q是离子的电荷，M为离子的质量，L是反应器的长度，ra、rb、rc和rs分别表示细导线半径、介质内半径、介质外半径和鞘层半径，β是表格函数的时变率ra /rs，λ是放电气体的导热系数，F是施加电压的频率，V是铜线速度，T0是铜线进入等离子体反应器前的温度，Cv是比热容，ρ是密度，Aa和Ab是细导线和介质的横截面，Tw是导线表面温度。Zdie是介质导纳是并行相结合的介电电容Zd和介电加热Rd，
圆筒形几何介质电容Cd
在Kd的介电常数。介电加热电阻Rd是由在电介质加热中得到的功率损耗Pd
其中Ad是介质面积，d为介质厚度，tanδ是损耗角正切值，f为施加电压的频率。 5 模拟结果与讨论 对于一个典型的实验测试，数值计算结果与实验中的相同的输入参数进行了计算。方程（4）是用来计算铜导线平均温度在常压DBD介质阻挡等离子体反应器作为介电材料的参数的函数。图2、3、4中的数据被用作输入电流参数来分析电介质材料和频率对导线温度的影响。 5-1 常压DBD介质阻挡等离子退火温度对频率的依赖性 图5显示退火温度和输入频率之间的弱正相关关系。当频率从25千赫到40千赫的频率增加时，退火温度的增量只增加了10℃，与实验结果相比，我们可以看到有相同的结果。因此，我们估计频率对退火温度没有什么影响。
5-2 常压DBD介质阻挡等离子退火温度对介电材料的依赖性 图6显示了退火温度对电介质材料，玻璃和氧化铝的依赖性。仿真结果表明，在达到退火温度时，氧化铝介质比玻璃介质的是更有效的。这一结果也与实验结果相同。我们可以得出这样的结论：介电层材料影响退火和清洗结果。具有更高介电常数的介电材料可更有效地达到退火温度。
6 结论 通过上述实验和研究可以预测，常压DBD介质阻挡等离子放电的细铜丝退火和清洗市场应用潜力值得挖掘。常压DBD介质阻挡等离子退火细铜丝的新模式也为RLC等效电路；介电材料和介电层厚度是影响退火和清洗细金属丝的两个参数。对于最佳的退火条件下，更薄的介电层厚度，更高的介电常数可更有效获得延伸率和清洁的表面。此外，介电质对外加电源的频率的依赖关系也被认为。结果表明，该频率对介质和退火效果有一定影响。 亲，感谢您耐心的阅读！如果此文对您有所帮助，敬请点个赞或者关注一下；如果您有更好的建议或内容补充，欢迎在下方评论区留言与我们互动。本百家号的宗旨是专注等离子清洗机和低温等离子体的技术研讨，与您分享等离子表面处理工艺、原理及应用等相关知识。 |
