多孔阳极氧化铝介质对大气压介质阻挡放电等离子体的影响

为了提高大气压下介质阻挡放电的稳定性,采用阳极氧化方式在铝板表面制备一层多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)。运用扫描电子显微镜、划痕仪、金相显微镜和台阶仪测试了阳极氧化铝的表面形貌、厚度等特性。比较分析了石英、陶瓷和PAA为介质的大气压下介质阻挡放电的放电过程图片和放电波形。实验表明:应用阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝具有规则的纳米级多孔结构,膜基结合力好;应用多孔阳极氧化铝作为介质的介质阻挡放电更稳定,放电中产生的更密的微放电有助于降低放电击穿电压和提高放电稳定性;更厚的多孔阳极氧化铝膜为介质的大气压介质阻挡放电具有更好的放电稳定性。

铝微弧氧化膜层中α-Al_(2)O_(3)相调控机制及表面形貌演变

采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和维氏硬度仪对1060纯铝微弧氧化膜的表面形貌、物相构成和显微硬度进行分析,研究了不同电流密度下氧化膜中α-Al_(2)O_(3)相的形成及其表面组织结构的演变规律。结果表明,随着电流密度由2.5 A/dm^(2)增大至20 A/dm^(2),α-Al_(2)O_(3)和γ-Al_(2)O_(3)在膜层中的X射线衍射特征峰强度逐渐上升,α-Al_(2)O_(3)相对于γ-Al_(2)O_(3)的质量分数呈上升趋势,氧化膜表面孔径增大,孔洞先增多后减少,熔融堆积物增多,裂纹横向生长加快。当电流密度为20 A/dm^(2)时,α-Al_(2)O_(3)相的生成速率比γ-Al_(2)O_(3)相的生成速率高,α-Al_(2)O_(3)的结晶程度较好,α-Al_(2)O_(3)相对于γ-Al_(2)O_(3)的质量分数最高(为47.87%),膜层的显微硬度达到679 HV。

双阳极电弧等离子体炬的磁流体动力学分析

为了更好地研究直流电弧等离子体炬内的流动与传热,根据磁流体动力学(MHD)理论建立了等离子体电弧区的数学物理模型,采用磁矢量势A的方法来计算磁感应强度B的大小,利用通用软件FLUENT并进行二次开发,采用用户自定义函数(user defined function,UDF)加入磁流体动力学方程组中的源项和物性参数,并利用用户自定义标量方程(user defined scalar,UDS)的方法加入Maxwell方程组,采用SIMPLE算法对电弧区域进行了数值模拟。计算结果表明:等离子体炬内的弧电压随着气体质量流量的增加而增加;等离子体炬内的温度随着气体质量流量的增加而减小,而速度随着气体质量流量的增加而增加;出口处的温度和速度随径向距离的增加而减小,但温度减小的速率增加。这一结果可为实验提供理论指导和参考。

感应耦合热等离子体制备球形WC金属陶瓷粉末

为了提高粉末的流动性,探索球形粉末的制备工艺,以感应耦合热等离子体作为高温热源,对不规则形状的微米级碳化钨（WC）粉体进行了球化处理实验,并研究了送粉量对粉末流动性、振实密度及粒径分布的影响,采用扫描电子显微镜（SEM）、霍尔流速计、能谱分析仪（EDS）和激光粒度分析仪分别对球化前后粉末的微观形貌、流动性、元素质量分数及粒度分布进行了表征和分析。研究结果表明：WC粉末经过感应耦合热等离子体球化处理后,可以得到表面光滑、分散性较好、流动性能佳和振实密度高的球形粉末;球化后粉末的氧和钨元素质量分数增加,而碳元素质量分数降低;经球化处理后,球形WC粉末粒径稍微变大;随着球化率的降低,球形粉末的流动性和振实密度均呈现减弱的趋势,而粉末的粒径分布范围变宽。

感应耦合等离子体制备球形铬粉末的工艺研究

采用感应耦合热等离子体作为高温热源,对形状不规则的铬粉末进行了球化处理,研究了送粉速率对球形粉末的流动性、球化率的影响,并采用金相显微镜和霍尔流速计对球形粉末的表观形貌和流动性进行了测定。研究结果表明:形状不规则的粉末经过等离子体处理后,绝大部分以上的粉末均变为球形或类球形。对于粒径在200~300目之间的铬粉,随着送粉速率的增加,球化后的粉末流动性逐渐增强,球化率增加;当送粉速率为35g.min^(-1)时,其流动性和球化率分别约为56.18s/50g和85.6%,两者均达到了最佳效果。

直流双阳极电弧等离子体炬的数值模拟

为了提高等离子体废物处理效率,根据磁流体动力学理论,利用计算流体力学软件FLUENT,采用磁矢量势的方法对直流双阳极非转移型电弧等离子体炬进行了二维轴对称数值模拟。计算中采用了SIMPLE算法。数值模拟得到了等离子体的温度、速度等分布。结果表明,等离子体的温度随着轴向距离的增加而减小,随弧电流增加而增加;其速度随着轴向距离的增加而先增大后减小,随弧电流增加而增加;等离子体炬出口处的温度和速度随着径向距离的增加而减小。这些结果与实验结果基本相符。

射频热等离子体制备球形氧化铝粉末的数值模拟及实验研究

研究粉末颗粒在热等离子体(ICTP)中的行为可以为射频等离子体制备球形粉末工艺过程的优化提供参考。首先,利用FLUENT软件对具有不同粒径分布的氧化铝粉末颗粒在射频热等离子体中的运动轨迹及加热历程进行了数值模拟;然后,根据模拟结果所确定的实验参数范围进行了射频热等离子体粉末球化实验,并将实验测量与数值模拟的结果相结合,研究了输入功率、送粉速率等参数的改变对具有不同粒径分布的氧化铝粉末球化效果的影响。研究结果表明:粒径较小的氧化铝粉末颗粒在飞行过程中可以从等离子体内吸收更多的热量,因此能够被充分加热至完全熔化;增加系统输入功率、降低送粉速率均能提高单位质量的颗粒从等离子体中获得的能量,从而在一定程度上提升氧化铝粉末的球化率。

工作频率及装置结构对射频感应等离子体特性影响的数值研究

为研究射频感应等离子体(RFICP)受等离子体发生器装置结构及工作频率的影响效应,以期可以为装置的正常工作提供参考,首先建立了射频感应热等离子体的湍流模型,然后利用商业软件ANSYS FLUENT对等离子体发生器装置内的纯氩气热等离子体温度及流场分布进行了计算,并研究了工作频率及装置结构的变化对射频感应等离子体传热及流动特性的影响。研究结果表明:提高装置的工作频率、增大等离子体炬内半径、增加射频线圈匝数并减小两匝线圈间距均能使发生器装置内的等离子体轴向速度减小,等离子体温度显著增加,并对等离子体炬内的流场分布产生较大的影响。因此可以通过改变相应的装置结构及工作频率来控制等离子体发生器装置内的温度和流场分布,以便使装置能够稳定运行。

基于FLUENT的二维感应耦合等离子体炬数值模拟

将等离子体作为磁流体,考虑其流体属性和电磁属性,介绍了利用FLUENT软件包并将其进行二次开发,解算电磁场方程、质量连续性方程、动量守恒方程、以及能量守恒方程的数值模拟方法,得到了以磁矢势为表达形式的电磁场分布、温度分布和速度分布。数值模拟了粉末球化所用的感应耦合等离子体炬电磁场分布、温度分布、速度分布。分析了温度分布、速度分布产生的物理原因,为感应耦合等离子体炬球化粉末颗粒提供理论性指导。

感应耦合氩气热等离子体速度分布的数值分析

对感应耦合氩气热等离子体的速度分布特性以及各操作参数对等离子体速度分布的影响进行了细致的研究。研究结果表明,与直流电弧热等离子体相比,感应耦合热等离子体速度小,弧流集中,速度峰值出现在等离子体炬下游,在线圈段上游出现明显的回流现象。此外,送气流量、感应电流等操作参数对等离子体速度分布有明显影响。研究结果可为等离子体球化粉末颗粒及其他应用提供理论指导。

高频电感耦合等离子体炬内速度及温度空间分布的数值计算

研究高频电感耦合等离子体炬内部空间的速度和温度分布对等离子体炬的稳定运行有着十分重要的指导意义。为此首先建立了100 kW高频电感耦合热等离子体炬的二维轴对称模型,然后利用商业软件ANSYS FLUENT对纯氩热等离子体电磁场、速度及温度的空间分布进行了计算,并在此基础上分别研究了粉末携带气、反应气及冷却气体积流量的变化对等离子体炬内速度和温度空间分布产生的影响,研究结果表明：等离子体炬内速度和温度空间分布受粉末携带气体积流量变化的影响较大,而反应气体积流量的变化仅对等离子体温度有一定的影响,过高的反应气体积流量可能导致灭弧现象的产生;等离子体炬外管附近区域的温度会随冷却气体积流量的增加而快速下降,因此在实际工作过程中可通过加大冷却气的流量来达到保护炬外管的目的。

数值模拟线圈参数对电感耦合等离子体温度及流场分布的影响效应

研究不同线圈参数下电感耦合等离子体的温度及流场分布可以为等离子体炬的设计提供参考。本文首先建立了ICP炬的二维轴对称模型,然后利用商业软件ANSYS FLUENT对纯氩热等离子体流场、温度及电磁场的空间分布进行了计算,并研究了线圈参数的变化对等离子体炬内温度和流场空间分布的影响。研究结果表明:增加线圈匝数、减小线圈间距及线圈内半径均能显著增加等离子体温度,并对轴向速度及等离子体炬内的流场分布产生较大的影响;改变线圈内半径也能使炬内的温度及流场发生变化,但对温度幅值的影响却非常小;因此可以通过改变相应的线圈参数来控制炬内的温度和流场分布,从而满足特定材料处理工艺的需要。

直流电弧等离子体炬的数值模拟研究

本文建立了直流电弧热等离子体炬的三维模型,利用流体动力学软件FLUENT对氮气热等离子体温度及速度的空间分布进行了数值模拟,并在此基础上研究了工作气体流量的变化对炬内热等离子体传热与流动特性的影响效应。研究结果表明:等离子体温度的最高值出现在阴极附近,并随着轴向距离的增加而减小;等离子体速度则随着轴向距离的增加而增加,在炬出口处达到其速度的极大值;工作气流量的增加对炬内的温度分布影响不大,但等离子体温度呈现出随工作气流量的增加而减小的趋势。

共面介质阻挡放电等离子体平板光源设计与研究

采用阳极氧化铝作为介质层,设计制作了共面介质阻挡放电等离子体平板光源,研究了高温烘焙、电源频率和气体压强等对光源着火电压和发光效率的影响。结果表明,高温烘焙电极装置和高脉冲电源频率可以使共面介质阻挡放电光源放电更稳定,放电着火电压更低;当电极宽度为0.5 mm、间距为4.5 mm、介质层厚度约为20μm、气体压强为20 Torr时,共面介质阻挡放电等离子体光源的放电稳定,亮度为7200 cd/m^(2),白光发光效率为4.92 lm/W。

高频感应热等离子体中粉末颗粒的运动行为研究

建立了高频电感耦合等离子体炬的二维轴对称模型,利用商用软件FLUENT对钛粉颗粒在纯氩热等离子体内的运动轨迹进行了模拟,研究了前驱体粒径及载气流量的变化对粉末颗粒受力过程的影响。研究结果表明,粒径小的颗粒受炬内回流作用的影响较大,颗粒运动轨迹杂乱,而粒径大的颗粒受回流的影响则很小;降低载气流量可以使钛粉的受热更加充分,使得更多的颗粒被加热至熔化,可提高粉末的球化率。

场致发射电子源的应用及其研究进展

由于具有低温、电子瞬间发射等优势,场致发射电子源在X射线管、负氢离子源、显示器件等领域都具有应用潜力。本文首先介绍了场致发射的几种应用;比较分析了不同场致发射电子源及其特点;最后结合实验研究工作,分析了类金刚石膜作为场致发射阴极材料的可行性。分析可知:Spindt加工困难且易于损坏;碳纳米管以其独特的结构成为目前研究最热的材料;类金刚石膜易于合成、成份可调节,它兼具的金刚石和石墨的优点使其成为一种潜在的理想场致发射阴极材料。

混合气体射频热等离子体温度及流场分布的数值模拟

研究混合气体射频热等离子体的温度及流场分布可以为等离子体炬在特定场合下的应用提供参考。本文建立了射频热等离子体炬的物理模型,利用FLUENT软件分别对线圈电流不同时,纯氩气、氩-氧气、氩-氮气、氩-空气及氩-氢气等离子体的温度及流场空间分布进行了研究。研究结果表明:与纯氩等离子体相比,混合气体等离子体的体积减小,核心温度降低,但等离子体速度则会有所提升;提高线圈电流能够使混合气体等离子体的体积增大,且速度和温度均有一定程度的提高。

DC-RF混合等离子体温度及流场的数值计算

直流-射频(DC-RF)混合等离子体在材料合成领域有着较大的优势。为了对这种混合等离子体的特性进行分析,本文采用基于磁流体力学方程的DC-RF等离子体模型,数值分析了操作参数的改变对混合等离子体流场的影响效应。计算结果表明,直流电弧电流及工作气体流量的增加,主要使反应室中心区域处的混合等离子体轴向速度增加,并改变该区域内的温度及流场分布。但对反应室出口位置处的速度及温度分布影响不大。因此,可以通过调节直流电弧电流及工作气体流量的大小来改变混合等离子体的流场分布,从而满足特定材料处理工艺的需要。

磁控溅射制备紧固件防咬死涂层的厚度均匀性研究

为了研究磁约束聚变装置支撑装置紧固件的螺母和螺栓表面防咬死涂层的均匀性,利用磁控溅射技术在管形器件的内表面和外表面制备了铜膜,应用台阶仪进行薄膜厚度测试。采用矩形铜板作为磁控溅射靶,采用单自转和公转加自转两种方式进行沉积,分析了铜膜在管形器件的内表面和外表面的膜厚分布规律。结果表明:无论螺母还是螺栓,公转加自转相对于单自转制备薄膜的均匀性都更好,随着孔(管)径的变小薄膜厚度变大。

类金刚石膜用作负氢离子表面转化材料的可行性分析

负氢离子源已经成为核聚变装置中性束注入加热系统的首选离子源,优异的负氢离子表面转化材料是其中的关键。金刚石膜具有的负的电子亲合势使其具有优异的二次电子发射性能,进而使其成为可能的负氢离子源表面转化材料。在本论文中,介绍了负氢离子源的结构、工作过程和工作模式,在总结金刚石膜的二次电子发射理论和提高金刚石膜二次电子发射性能的方法的基础上,分析了类金刚石膜成为负氢离子表面转化材料的可行性:类金刚石膜以其同时具有的金刚石相和石墨相,兼具良好导电性和优异电子发射性能。在未来的负氢离子源中,类金刚石膜可能会成为用于负氢离子表面转化的优异可选材料。