等離子體射流特性及在金屬表面清洗中的應(yīng)用.pdf

1、作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，金屬表面清洗是生產(chǎn)各種金屬制品的預(yù)備過程和前提條件。合適的清洗手段和高質(zhì)量的清洗工藝可以提高金屬制品的質(zhì)量，改善產(chǎn)品的性能。在各種清洗手段中，大氣壓等離子體射流清洗是近些年來一種新興的清洗技術(shù)，也是目前國內(nèi)外大氣壓等離子體射流應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點之一。與傳統(tǒng)清洗技術(shù)相比，大氣壓等離子體射流清洗技術(shù)具有高效，環(huán)保無污染等優(yōu)勢，而且與其它大氣壓等離子體清洗技術(shù)相比，大氣壓等離子體射流產(chǎn)生區(qū)域和清洗區(qū)域空間分離，具有

2、操作快捷簡單，成本低廉，可控性強等優(yōu)勢。因此，大氣壓等離子體射流在清洗中的應(yīng)用中具有廣泛的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用前景。
　　通過調(diào)整放電參數(shù)，優(yōu)化等離子體射流參量，進而最大程度上改善清洗效果，同時可以實現(xiàn)對清洗效果的定量計算是大氣壓等離子體射流清洗技術(shù)可以大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的先決條件?；谶@點，本文以大氣壓等離子體射流清洗金屬表面油污為中心，開展了如下工作:
　　1.利用單管雙高壓裝置產(chǎn)生的大氣壓Ar和O2/Ar等離子體

3、射流清洗金屬表面潤滑油污，通過改變電源頻率來優(yōu)化等離子體射流參量，進而改善等離子體射流清洗效果。實驗發(fā)現(xiàn)，等離子體射流參量受到頻率的影響，而且等離子體射流參量隨電源頻率的變化規(guī)律還與放電區(qū)長度有關(guān)。當電源頻率在17-35 kHz范圍內(nèi)變化時，等離子體射流參量均隨電源頻率的增加而增加，但是放電區(qū)長度不同時，等離子體射流參量的增加趨勢略有不同。放電區(qū)長度為6 cm時，從整體上看，等離子體射流各參量隨電源頻率的變化規(guī)律分為兩個區(qū)域，存在臨界頻

4、率，大概在23 kHz左右。然而，放電區(qū)長度為10 cm時，電源頻率從17 kHz增加到35 kHz，等離子體射流各參量均平穩(wěn)直線上升，并沒有出現(xiàn)臨界頻率。而且在一定的電源頻率下，放電區(qū)長度為10 cm時的等離子體射流參量均比放電區(qū)長度為6 cm時所對應(yīng)的等離子體射流參量高。通過水接觸角和清洗百分比的測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，清洗效果同樣受到電源頻率的影響，同時，清洗效果隨電源頻率的變化規(guī)律也與放電區(qū)長度有關(guān)。放電區(qū)長度為6 cm時，清洗過程中也出

5、現(xiàn)臨界頻率，大概在23 kHz左右。而放電區(qū)長度為10 cm時，電源頻率從17 kHz增加到35 kHz，清洗效果逐步改善，沒有出現(xiàn)臨界頻率。進一步分析還會發(fā)現(xiàn)，在一定的電源頻率下，放電區(qū)長度為10 cm時的清洗效果比放電區(qū)長度為6 cm時的清洗效果好。這些實驗結(jié)果說明電源頻率與放電區(qū)長度之間的匹配對清洗效果的影響很大。此研究可以為進一步設(shè)計和優(yōu)化高效等離子體射流清洗設(shè)備研究打下良好基礎(chǔ)。
　　2.利用金屬板接地電極的雙管雙高壓裝

6、置產(chǎn)生的O2/Ar等離子體射流清洗金屬表面潤滑油污，通過改變氧氣的混合比來探究清洗效果受到的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當氧氣混合比增加至1.5％時，獲得了最佳清洗效果，且電子密度和氧原子濃度均達到最大值;氧氣混合比超過1.5％而繼續(xù)增加時，清洗效果并不能繼續(xù)得到改善，且電子密度和氧原子濃度不再增加。由此可見，電子密度和氧原子濃度隨氧氣混合比的變化規(guī)律與清洗效果隨氧氣混合比的變化規(guī)律是一致的，因此，電子和氧原子在O2/Ar等離子體射流清洗過程中具有

7、重要作用。這一研究還說明，利用O2/Ar等離子體射流清洗油污時，存在最佳氧氣混合比。因此，在利用氧氣來改善清洗效果時，應(yīng)該首先獲取最佳氧氣混合比，才能極大程度的提高等離子體射流的清洗能力。
　　3.以雙管雙高壓結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用外石英管接地電極的放電裝置，使等離子體射流直接噴出石英管口，從而對待清洗金屬產(chǎn)品的形狀和體積沒有過多的限制。在不同的電功率下，以He和Ar為主要工作氣體，同時通入不同比例的氧氣，產(chǎn)生O2/He和O2/Ar等離

8、子體射流清洗金屬表面潤滑油污。實驗結(jié)果表明:O2/He和O2/Ar等離子體射流中都存在最佳氧氣混合比，同時，在一定電功率和氧氣混合比的情況下，相對于O2/He等離子體射流，O2/Ar等離子體射流中的電子密度和氧原子濃度更高，且O2/Ar等離子體射流的清洗效果更好。因此，無論從清洗效果還是清洗成本角度，O2/Ar等離子體射流在潤滑油污的清洗應(yīng)用中更具有優(yōu)勢。進一步分析發(fā)現(xiàn)，當電功率增加時，除了可以改善O2/He和O2/Ar等離子體射流的清

9、洗效果外，最佳氧氣混合比也隨電功率的增加而增加，說明電功率增加允許有更多的氧氣參與放電而產(chǎn)生更多的氧原子，能夠切實有效的改善清洗效果。隨后，通過改變電壓和氣體流量來優(yōu)化等離子體參量，進而改善清洗效果。結(jié)果表明，電壓增加也會使清洗效果得到明顯的改善。然而，清洗效果與氣體流量成反比，氣體流量增加并不能有效改善清洗效果。因此，欲獲得最佳的清洗效果，氣體流量不能過大。這些實驗結(jié)果進一步完善了影響等離子體射流清洗效果的放電參數(shù)，有望通過簡單調(diào)節(jié)放

10、電參數(shù)，實現(xiàn)對等離子體射流清洗的精確控制。
　　4.在反應(yīng)動力學理論和阿侖尼烏斯定律相結(jié)合的基礎(chǔ)上，確定了大氣壓等離子體射流清洗金屬表面潤滑油污反應(yīng)動力學方程中的參數(shù):指前因子和活化能，并在此基礎(chǔ)上建立了三種大氣壓等離子體射流清洗裝置的反應(yīng)動力學方程，可以定量的計算任意清洗時刻的清洗百分比;并且通過實驗對所建立的反應(yīng)動力學方程進行驗證，結(jié)果表明實驗值與理論值基本吻合。通過三種等離子體射流裝置反應(yīng)動力學方程中的指前因子和活化能的對比