【摘要】：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(guò)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(lái)一種新興的清洗技術(shù),也是目前國(guó)內(nèi)外大氣壓等離子體射流應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)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(wú)污染等優(yōu)勢(shì),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,具有操作快捷簡(jiǎn)單,成本低廉,可控性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。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(guò)調(diào)整放電參數(shù),優(yōu)化等離子體射流參量,進(jìn)而最大程度上改善清洗效果,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗效果的定量計(jì)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(diǎn),本文以大氣壓等離子體射流清洗金屬表面油污為中心,開(kāi)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02／Ar等離子體射流清洗金屬表面潤(rùn)滑油污,通過(guò)改變電源頻率來(lái)優(yōu)化等離子體射流參量,進(jìn)而改善等離子體射流清洗效果。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度有關(guān)。當(dāng)電源頻率在17-35 kHz范圍內(nèi)變化時(shí),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(zhǎng)度不同時(shí),等離子體射流參量的增加趨勢(shì)略有不同。放電區(qū)長(zhǎng)度為6 cm時(shí),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(gè)區(qū)域,存在臨界頻率,大概在23 kHz左右。然而,放電區(qū)長(zhǎng)度為10 cm時(shí),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(méi)有出現(xiàn)臨界頻率。而且在一定的電源頻率下,放電區(qū)長(zhǎng)度為10 cm時(shí)的等離子體射流參量均比放電區(qū)長(zhǎng)度為6 cm時(shí)所對(duì)應(yīng)的等離子體射流參量高。通過(guò)水接觸角和清洗百分比的測(cè)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(shí),清洗效果隨電源頻率的變化規(guī)律也與放電區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)。放電區(qū)長(zhǎng)度為6 cm時(shí),清洗過(guò)程中也出現(xiàn)臨界頻率,大概在23 kHz左右。而放電區(qū)長(zhǎng)度為10 cm時(shí),電源頻率從17 kHz增加到35 kHz,清洗效果逐步改善,沒(méi)有出現(xiàn)臨界頻率。進(jìn)一步分析還會(huì)發(fā)現(xiàn),在一定的電源頻率下,放電區(qū)長(zhǎng)度為10 cm時(shí)的清洗效果比放電區(qū)長(zhǎng)度為6 cm時(shí)的清洗效果好。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明電源頻率與放電區(qū)長(zhǎng)度之間的匹配對(duì)清洗效果的影響很大。此研究可以為進(jìn)一步設(shè)計(jì)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置產(chǎn)生的02／Ar等離子體射流清洗金屬表面潤(rùn)滑油污,通過(guò)改變氧氣的混合比來(lái)探究清洗效果受到的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)氧氣混合比增加至1.5%時(shí),獲得了最佳清洗效果,且電子密度和氧原子濃度均達(dá)到最大值；氧氣混合比超過(guò)1.5%而繼續(xù)增加時(shí),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(jiàn),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02／Ar等離子體射流清洗過(guò)程中具有重要作用。這一研究還說(shuō)明,利用02/Ar等離子體射流清洗油污時(shí),存在最佳氧氣混合比。因此,在利用氧氣來(lái)改善清洗效果時(shí),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(duì)待清洗金屬產(chǎn)品的形狀和體積沒(méi)有過(guò)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(shí)通入不同比例的氧氣,產(chǎn)生02/He和02/Ar等離子體射流清洗金屬表面潤(rùn)滑油污。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：02/He和02/Ar等離子體射流中都存在最佳氧氣混合比,同時(shí),在一定電功率和氧氣混合比的情況下,相對(duì)于02/He等離子體射流,02/Ar等離子體射流中的電子密度和氧原子濃度更高,且02/Ar等離子體射流的清洗效果更好。因此,無(wú)論從清洗效果還是清洗成本角度,02／Ar等離子體射流在潤(rùn)滑油污的清洗應(yīng)用中更具有優(yōu)勢(shì)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)電功率增加時(shí),除了可以改善02/He和02/Ar等離子體射流的清洗效果外,最佳氧氣混合比也隨電功率的增加而增加,說(shuō)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(shí)有效的改善清洗效果。隨后,通過(guò)改變電壓和氣體流量來(lái)優(yōu)化等離子體參量,進(jìn)而改善清洗效果。結(jié)果表明,電壓增加也會(huì)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(guò)大。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(guò)簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)放電參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體射流清洗的精確控制。4.在反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(rùn)滑油污反應(yīng)動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)方程,可以定量的計(jì)算任意清洗時(shí)刻的清洗百分比；并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)所建立的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值基本吻合。通過(guò)三種等離子體射流裝置反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程中的指前因子和活化能的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),金屬板接地電極的雙管雙高壓等離子體射流清洗速率最快,外石英管接地電極的雙管雙高壓等離子體射流清洗速率次之,單管雙高壓等離子體射流清洗速率最慢。等離子體射流清洗的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的建立可以為精確定量控制現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的清洗過(guò)程提供研究方法和理論依據(jù)。
【圖文】：

１輝光等離子體清掩源逡逑一般在低氣壓的條件下，給兩個(gè)平行板施加直流或交流電壓，即可在兩平行板間形逡逑成輝光等離子體。圖１．１為輝光等離子體裝置結(jié)構(gòu)圖。因?yàn)榻饘贋閷?dǎo)體，所Ｗ被清洗的逡逑金屬物體可Ｗ直接放置在正極、負(fù)極或加了偏壓的單獨(dú)電極上而成為電極的一部分。輝逡逑光放電時(shí)，電子和正離子在電場(chǎng)的作用下分別撞擊放置在陽(yáng)極、陰極和偏壓電極上的金逡逑屬物體表面，使污物脫離金屬表面達(dá)到清洗的目的。上述清洗過(guò)程需要在低氣壓環(huán)境中逡逑操作，不適合工業(yè)中的連續(xù)生產(chǎn)，而且低氣壓需要昂貴的真空設(shè)備，也提高了清洗成本。逡逑Ａｎｏｄｅ邋Ａｎｏｄｅ逡逑Ｃａｔｈｏｄｅ逡逑Ｍｏｎｏｒｎ＂邋Ｇａｓ邐３邐ｎ邐＾逡逑Ｆｅｅｄｉｎｇ邐Ｄ邐ｐｆ逡逑Ｍａｎｉｆｏｌｄｓ邐＾邐＾逡逑－－－吟不�。磉娡坼义霞祝妫暨姡桑蒎义弦唬檫姡吝姡殄义希婌哆姡裕瑁颍铮簦簦欤邋义希郑幔瑁邋义希慑澹哼姡澹保�，：：邐￣］邋Ｉ逡逑？邐．邐Ｉ邋Ｉ邋Ｉ邋ｊ邋Ｂｏｏ。。ＬＪ邋Ｖａｃｕｕｍ逡逑—＿邐１１邐■邐Ｓ邋這邋Ｉ邋Ｐｕｎｙ邋＾Ｐｕｍｐ逡逑Ｉ邋Ｆｌｏｗ邋Ｒａｔｅ邐邐邐邐邋邐邐逡逑！邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ邐ＤＣ邋Ｐｏｗｅｒ邋｜邐｜￣￣Ｐｒ？ｓｕｒｅ邋Ｉ邋！邋Ｔｈｒｏｔｔｌｅ邋Ｖａｈ＇ｃ邋！逡逑叩的邐Ｉ邐Ｉ邋Ｒｅａｄｏｕｔ邋ｎＣｏｎａ－ｏＵｇｒ邋［逡逑圖１．１}U光等離子體裝置逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｓｋｅｔｃ

逑在低氣壓條件下，利用射頻源（頻率為１３．邋５６邋ＭＨｚ）產(chǎn)生的高壓交變電場(chǎng)將放電腔逡逑中的氧、氮、氨等工作氣體振蕩成高能量或高反應(yīng)活性的離子。圖１．２為射頻等離子體逡逑裝置結(jié)構(gòu)圖。由于射頻單電極放電的能量高、范圍大，現(xiàn)已被廣泛的應(yīng)用于污物的清除逡逑和材料的表面處理中Ｕ５３。射頻等離子體可通過(guò)設(shè)置工藝參數(shù)控制強(qiáng)度和密度，來(lái)適應(yīng)各逡逑種被清洗金屬物體的不同要求。但低氣壓射頻等離子體清洗需在放電腔中完成，對(duì)被清逡逑洗的金屬物體尺寸有所限制，而且裝置中仍需要真空設(shè)備，，操作繁瑣并且成本很高。逡逑Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ邐＊邋Ｃｏｍｐｕｔｅｒ邋ＲＦＩ逡逑Ｇａｓ邐？邐ＲＦＺ邋Ｙ逡逑ｉｎ邋？邐１￣邋６０邋—ＩＪ—Ｉ逡逑Ｆｕｓｅｄ邋＾＊１逡逑＼邐Ｈｏｌｌｏｗ邋；逡逑；邐

本文編號(hào)：2542155