大气压冷等离子体射流简介

大气压冷等离子体处理提高氧化锆粘接性能詹凌璐;张玉玮;郑苗;刘志强;李和平;谭建国【摘要】目的:研究大气压冷等离子体处理对氧化锆粘接性能的影响.方法:将60个氧化锆试件磨光后随机分为6组(n=10)对照组(C),无表面处理;预处理剂组(P),预处理剂均匀涂布氧化锆表面并吹干;喷砂组(SB),氧化铝颗粒均匀喷砂20sec;喷砂+预处理剂组(SBP),氧化锆表面经氧化铝颗粒均匀喷砂后涂布预处理剂并吹干;氦气大气压冷等离子处理组(HP),氦气(He)作为发生气体的大气压冷离子处理90sec;氩气大气压冷等离子处理组(AP),氢气(Ar)作为发生气体的大气压冷离子处理90sec.各组观察氧化锆表面形貌,测量粗糙度和接触角,进行X射线光电子能谱(XPS)分析,测量剪切粘接强度,并对测量结果进行统计学分析.结果:喷砂组表面形貌显著改变,氦气和氩气大气压冷等离子处理组表面形貌与对照组相似.氦气和氩气大气压冷等离子处理组表面粗糙度为(0.03±0.01)μm,小于对照组(0.04±0.01)μm,差异无统计学意义(P＞0.05).喷砂、氦气和氩气大气压冷等离子处理组表面接触角分别为52.48°±2.76°、32.51°±3.36°、25.98°±3.16°,均较对照组(72.16°±4.88°)明显减小,差异有统计学意义(P＜0.05).氦气大气压冷等离子处理组和氩气大气压冷等离子处理组的剪切粘接强度分别为(16.02±1.95)MPa和(16.06±1.78)MPa,明显大于对照组(9.06±0.94)MPa、喷砂组(14.72±1.88)MPa和预处理剂组(12.40±1.32)MPa,差异有统计学意义(P＜0.05),但小于喷砂+预处理剂组(17.25±1.77)MPa,差异无统计学意义(P＞0.05).而氦气冷离子处理组和氩气冷等离子处理组间剪切粘接强度差异无统计学意义(P＞0.05).XPS结果显示,喷砂、氦气和氩气大气压冷等离子处理后表面碳元素减少,氧元素增加,碳/氧比值减小.结论:大气压冷等离子体处理几乎不会改变氧化锆表面形貌和粗糙度;大气压冷等离子体处理可提高氧化锆表面亲水性,增加表面氧含量,改善氧化锆粘接强度;氦气和氩气作为发生气体进行大气压冷等离子体处理对氧化锆表面性能和粘接强度的影响相似.【期刊名称】《口腔颌面修复学杂志》【年(卷),期】2019(020)001【总页数】6页(P3-8)【关键词】氧化锆;大气压冷等离子;表面特性;剪切粘接强度【作者】詹凌璐;张玉玮;郑苗;刘志强;李和平;谭建国【作者单位】北京大学口腔医学院·口腔医院,修复科国家口腔疾病临床医学研究中心口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室口腔数字医学北京市重点实验室北京100081;北京航天中心医院口腔科北京100049;北京大学第三医院口腔科北京100191;清华大学工程物理系北京 100084;清华大学工程物理系北京 100084;北京大学口腔医学院·口腔医院,修复科国家口腔疾病临床医学研究中心口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室口腔数字医学北京市重点实验室北京100081【正文语种】中文【中图分类】R783.3氧化锆材料具有优良的机械性能和生物相容性，因此其在口腔修复临床中常被用作冠桥修复材料[1]。

大气压脉冲微波锌等离子体射流的参数诊断等离子体被称为物质的第四态，具有许多与固态、液态、气态不同的性质，这些性质往往可以巨大的应用前景，在低温等离子体领域，有材料表面处理改性、医学等，本文使用大气压微波发卡谐振放电产生锌等离子于氩等离子混合射流，微波角频率为2.45 GHz。

在输入功率大于145W时出现了锌等离子体与氩等离子体双射流，在输入功率为160W时出现了锌等离子体与氩等离子体完全混合射流。

另外，我们使用发射光谱仪avantes 2048L对等离子体参数进行诊断，发现随着输入功率的增加，电子温度和电子密度逐渐增加，光谱强度却相应减小。

一、引言对于大气压下的等离子体射流的参数测定，之前已经有不少人展开过研究，一般而言对于惰性气体如氩气的等离子体，我们产生的方式主要有以下几种，如微波放电[1]，介质阻挡放电（DBD）[2]，直流放电[3]，射频放电[4]，脉冲放电[5]。

对于金属等离子体，大部分人采用的是激光诱导的方法[6][8-9]，本文在大气压情况下使用脉冲微波方法产生了锌等离子体等离子体，生成锌等离子体的微波输入功率至少为145W，锌等离子体电子密度至少在1015cm-3，并且我们对输入功率150W、155W和160W三种功率下的电子温度和电子密度进行测定。

本文的剩下部分安排如下：实验装置与操作在第二部分，结果和讨论在第三部分，结论在第四部分。

二、实验装置与操作A.实验装置介绍本文使用的实验装置主要可以分为四个部分。

第一部分为微波源和脉冲调制器。

微波源用于产生脉冲微波信号，其输出功率范围为0-160W。

脉冲调制器可以输出5v的脉冲方波，可以用于调节微波信号，另外它可以作为同步触发信号用于触发ICCD（像增强电荷耦合传感器）。

微波信号频率范围为10Hz-200kHz，可调占空比为0.01-0.99。

第二部分为载气系统，它用于提供惰性气体氩气。

氩气的纯度为99.999%，流量由气体阀门控制，可控范围是0-10slm。

是一个共面的沿面 放 电 结 构， 但是电极间距比传统 的沿面放电大得多 . 我 们 首 先 对 放 电 的 基 本 情 况 进 行了一些测试 . 图 2 是对应于小 、 中、 大三个不同电压条件下放 电所拍摄的典型的 数 码 照 片 . 为 了 更 好 地 观 察 放 电 辉光的情况， 我们采 用 了 2 cm 宽 的 电 极， 电极间距 高 压 电 极 置 于 气 流 的 下 游， 电极边缘距 仍为 3 cm ， 石英管出口 1 cm ，He 气 流 量 150 L / h 从 图 的 右 边 流入左 边 流 出， 各照片对应的外加电压在图注中 给出 .
的 电 极 参 数 一 致：电 极 宽 度 5 cm ， 电极间距 3
3. 实验结果与讨论
3. 1. 共轴型 DBD 放电的特点 DBD 主要分为两种 类 型， 即空间放电型和沿面 放电型 . 这 两 种 类 型 的 放 电 都 已 获 得 了 广 泛 的 研 20 ］ . 将图 1 所 究， 其中典型 的 例 子 可 以 参 考 文 献［ 示的共轴 DBD 结构沿圆周展开成平面， 则可以看作
第 59 卷 第 5 期 2010 年 5 月 10003290 /2010 /59 （ 05 ） /332407
物
理
学
报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 59 ， No. 5 ， May ， 2010 2010 Chin. Phys. Soc.
一种大气压放电氦等离子体射流的实验研究
［ 15 ］ 4） ， 而 Kedzierski 等 沿轴 向 拍 摄 的 射 流 的 照 片 有
一与石英管 内 壁 对 应 的 环 形 亮 圈 . 另 一 方 面， 由介 质表面电 荷 组 成 的 等 离 子 体 的 阻 抗 比 气 体 等 离 子 因此其 流 注 的 传 输 速 度 比 空 气 中 流 注 体的阻抗大， 的速度小 . 由图 3 （ a ） 中的数据可以估算石英管中的

中科院力学所——便携式大气压空气冷等离子体发生器中国科学院力学研究所应用等离子体力学课题组隶属于高温气体动力学国家重点实验室。

课题组已有近五十年历史。

多年来积累了直流等离子体射流产生技术、高频热等离子体射流、大气压非平衡等离子体、交流等离子体射流产生技术，以及多弧离子镀、中频对靶磁控溅射、射频感应等离子体镀膜等技术。

在等离子体状态控制和参数诊断方面有长期的工作经验和知识积累。

在等离子体材料工艺应用方面开展了大量的低气压/大气压等离子体喷涂、金属表面改性、熔敷、熔凝、镀膜等研究。

近年来课题组的主要研究方向集中在等离子体流动稳定性、先进空间电推进、空天高焓流动地面模拟、大气压空气冷等离子体发生器设计等领域。

便携式等离子体发生器技术介绍及特点等离子体是物质除固态、液态和气态之外的第四态，按照温度的不同，可以分为高温等离子体和低温等离子体，低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体；按照粒子温度分布的不同可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体。

大气压冷等离子体以其温度低、无需复杂昂贵真空系统以及活性物质丰富等特征，近年来广泛应用于皮肤治疗、口腔医学、食品工程、材料改性、纳米合成和环境工程等领域，其主要活性物质包括活性氧和活性氮基团、激发态和亚稳态粒子、电场、带电粒子、紫外线及热量等。

近些年来，人们根据应用需求的不同，广泛设计了丰富多样的大气压冷等离子体射流发生器。

这些射流发生器主要以昂贵的稀有气体作为激发气源，同时等离子体工作离不开体积庞大的气源和电源设备。

如何借助自然界条件，充分发挥空气优势，实现大气压空气冷等离子体射流的应用值得我们探讨。

我们设计了一款便携式空气冷等离子体发生器，摆脱传统大体积的电源和气源设备，既可以在空气种激发，也可以在水下激发。

该便携式空气等离子体射流发生器设计使得大气压冷等离子体从实验室迈向市场走近人类生活成为可能。

应用领域杀菌消毒：伤口愈合、口腔治疗、医用工具消毒、家居卫生、水果保鲜；环境保护：空气净化、污水净化；材料制备：纳米材料合成。