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。

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。

低温等离子体技术简介(介质阻挡放电)所谓等离子体是继固体、气体、液体三态后，列为物质的第四态，由正离子、负离子、电子和中性离子组成,因体系中正负电荷总数相等,故称为“等离子体”。

等离子体按粒子温度可分为平衡态（电子温度=离子温度）与非平衡态（电子温度〉>离子温度)两类.非平衡态等离子体电子温度可上万度，离子及中性离子可低至室温,即体系表观温度仍很低,故称“低温等离子体”，一般由气体放电产生.气体放电有多种形式，其中工业上使用的主要是电晕放电（在去除废气中的油尘上应用已相当成熟)和介质阻挡放电（用于废气中难降解物质的去除）两种。

低温等离子体技术是近年发展起来的废气处理新技术,低温等离子体处理废气的原理为：当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。

低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解,以达到降解污染物的目的。

低温等离子体的产生途径很多，我们使用的低温等离子体工业废气处理技术采用的放电形式为双介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,简称DBD)。

装置示意图如图1所示。

图1 介质阻挡放电示意图DBD放电净化设备优点:介质阻挡放电是一种获得高气压下低温等离子体的放电方法，由于电极不直接与放电气体发生接触,从而避免了电极的腐蚀问题.介质阻挡放电等离子体技术具有以下优点：①介质阻挡放电产生的低温等离子体中，电子能量高，几乎可以和所有的气体分子作用。

②反应快，不受气速限制.③电极与废气不直接接触，不存在设备腐蚀问题。

④只需用电，操作极为简单，无需专人员看守，基本不占用人工费。

⑤设备启动、停止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。

⑥气阻小,适用于高流速，大风量的废气处理。

⑦工艺已相对成熟。

低温等离子体技术(介质阻挡放电）净化原理为：在外加电场的作用下，介质放电产生的大量携能电子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，然后便引发了一系列复杂的物理、化学反应,使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，或使有毒有害物质转变为无毒无害或低毒低害物质,从而使污染物异味得以降解去除.因其电离后产生的电子平均能量在1eV～10eV,适当控制反应条件可以实现一般情况下难以实现或速度很慢的化学反应变得十分快速.其能量传递过程为：电场+电子高能电子受激电子高能电子+受激分子活性基因自由基活性基因+分子（或原子) 生成物+热活性基因+活性基因生成物+热异味废气在介质阻挡放电（DBD）的低温等离子体发生器中，这些废气因子被高能电子轰击后首先被打开成碎片.而尾气中氧气和水气在高能电子作用下发生下列反应O2＋e O·＋O3 + O2-H2O + e HO·＋H废气因子解离的碎片粒子与氧气及O·＋O3 + O2-发生较为复杂的化学反应,降解为CO2和H2O等。

安徽理工大学科技成果——便携式大气压空气冷等
离子体发生器
成果简介
大多数等离子体辉光放电需要使用惰性气体或者惰性气体和氧气的混合气体，或者需要外加气流来得到稳定的放电效果。

传统上，如果用空气作为工作气体，放电形式为电弧，其温度很高。

我们课题组近期发明一种便携式大气压空气等离子体发生器，是一种结构简单成本较低的便携式的大气压空气等离子体发生器，由于正电极内嵌于阻燃性绝缘介质容器，其不仅安全而且可以避免发生弧光放电。

此便携式大气压空气等离子体发生器电离激发时，产生的冷等离子体辉光，人体可以触摸，可以处理任何材料（人体、金属、塑料等）。

且此空气冷等离子体辉光均匀，富含多种活性成份，对杀菌、消毒及材料改性有显著作用，基于此开发的产品有很好的市场及经济价值。

已申请专利：ZL201310002111.1（发明）和ZL201320076075.9（实用新型）。

技术指标
供电电源：9V干电池或同等直流电压电源；
器件有效作用尺度：根据应用需求，定制尺寸、结构；
整体质量：根据需求制作的器件质量不等，但整体不超过1kg。

成果适用范围及效益分析
本等离子体含有的活性成份种类、数量及温度，可以根据具体应用进行选择。

可以很方便的在常温常压下对物品或各种异形物品进行
刻蚀、镀膜、表面改性和杀菌消毒等处理，极大的拓宽了等离子体射流技术的应用范围，具有很强的现实意义和美好的应用前景。

【引文格式】　翟思月，孔刚玉，夏育民．大气压冷等离子体在皮肤病学中的应用［Ｊ］．皮肤性病诊疗学杂志，２０２０，２７（２）：１３４－１３６，１４０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４６８．２０２０．０２．０１８．　通信作者：夏育民，Ｅ ｍａｉｌ：ｘｉａｙｕｍｉｎ１２０２＠１６３．ｃｏｍ　基金项目：国家自然科学基金重点项目（编号：８１６３００８１）·综述·大气压冷等离子体在皮肤病学中的应用翟思月１，２，　孔刚玉２，３，　夏育民１（１．西安交通大学第二附属医院皮肤病院，陕西　西安　７１０００４；２．西安交通大学等离子体生物医学中心，３．西安交通大学电气工程学院，陕西　西安　７１００４９）［摘要］　大气压冷等离子体（ＣＡＰ）是一种新兴的治疗技术，具有安全、高效、耐受性好、无明显副作用的优点。

近年来，ＣＡＰ逐渐被应用于皮肤病领域。

ＣＡＰ具有抗微生物（细菌、病毒及真菌）感染，促使组织增生与伤口愈合，以及抑制肿瘤细胞的增殖、迁移等作用。

ＣＡＰ通过活性氧途径对角质形成细胞等产生调控效应。

ＣＡＰ应用于皮肤创伤愈合、皮肤慢性溃疡、头颈部鳞状细胞癌、银屑病等疾病，并取得较好的疗效。

本文综述ＣＡＰ的概念、物理特征及其在皮肤科的研究与应用现状。

［关键词］　大气压冷等离子体；　活性氧；　角质形成细胞；　皮肤病；　治疗［中图分类号］　Ｒ７５１ ［文献标识码］　Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４６８．２０２０．０２．０１８ 等离子体是由部分电子被剥夺后的气体原子或分子以及这些原子和分子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，是除固体、液体和气体外，物质存在的第四态。

等离子体分为两大类：热平衡等离子体和非热平衡等离子体。

含有低温度重离子的等离子体被称为大气压冷等离子体（ｃｏｌｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｐｌａｓｍａ，ＣＡＰ）［１］。

ＣＡＰ作为一种新兴的技术，在临床医学中尤其是在皮肤科的应用越来越受到大家的关注。