《Progress in Organic Coatings》：Achieving uniform surface treatment on large-area epoxy resin via a transparent water-tungsten wire mesh electrode DBD with integrated visual and distributed diagnostics
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黄家亮|费启轩|周文博|杨伟明|季娟娟|吴书杰|程洪图|周文英|方志南京工业大学电气工程与控制科学学院，中国江苏省南京市211816摘要在潮湿环境中运行的高压电气设备容易加速绝缘屏障的老化，并增加闪络的风险，这威胁到设备的运行可靠性。本研究提出了一种基于原位等离子体的保护策略，以
黄家亮|费启轩|周文博|杨伟明|季娟娟|吴书杰|程洪图|周文英|方志
南京工业大学电气工程与控制科学学院，中国江苏省南京市211816
摘要
在潮湿环境中运行的高压电气设备容易加速绝缘屏障的老化，并增加闪络的风险，这威胁到设备的运行可靠性。本研究提出了一种基于原位等离子体的保护策略，以实现大面积绝缘屏障的均匀疏水表面改性。开发了一种大面积介质阻挡放电（DBD）表面改性装置，该装置采用水-钨丝网电极，能够产生均匀的等离子体，并便于进行视觉观察和分布式诊断。通过系统优化施加电压和氩气（Ar）流量，在12 kV和1 L/min Ar流量的最佳条件下实现了均匀等离子体放电，这一点通过灰度图像分析和空间分辨的光谱学得到了验证。使用大气压下的纳秒脉冲电源，并以六甲基二硅氧烷（HMDSO）作为前驱体，在20分钟的等离子体处理后，在环氧树脂（EP）层压板上沉积了一层均匀的疏水涂层。平均水接触角增加到130.2 ± 3.9°，比原始表面提高了74.7%。机理分析表明，疏水性的增强是由于表面粗糙度的增加和含有硅的致密涂层的沉积所产生的协同效应。视觉检查和分布式诊断技术的结合已被证明在确保整个处理过程中的均匀性方面是有效的。
引言
在高压电气设备中，保持绝缘屏障表面的干燥对于稳定运行至关重要[1]。典型的绝缘屏障由环氧树脂和玻璃纤维布复合材料构成。它们的纤维状表面结构容易吸附水分，形成冷凝水，而在昼夜温差较大或湿度较高的环境中，这一问题会更加严重[2]。冷凝水膜不仅会加速材料老化并缩短使用寿命，还会显著增加闪络的风险。在严重的情况下，甚至可能引发设备爆炸[3]、[4]。与干燥剂和腻子密封等被动措施相比，在绝缘屏障表面施加疏水涂层是一种更优的主动防冷凝解决方案。通过从源头上防止冷凝水的形成，这种方法具有更高的经济效益[5]。
在材料表面制备疏水涂层的方法可分为湿法和干法。湿法主要包括直接涂层[6]、[7]、溶胶-凝胶[8]、[9]、电泳沉积[10]、[11]等。这些方法具有灵活性高、不受处理区域或形状限制等优点，但通常会产生废液污染，并且涂层的机械强度较低。干法主要包括真空沉积[12]、[13]、激光蚀刻[14]、[15]和低温等离子[16]、[17]等方法。这些方法是干式的、无污染的、环保的，并且通常能产生更致密的涂层。其中，低温等离子技术由于其能够调节材料表面的物理和化学性质、操作成本低以及适用范围广而具有广泛的应用前景[18]。
现有的关于低温等离子体处理的研究主要集中在小面积材料上，针对大面积绝缘屏障实现均匀处理的挑战的研究有限。传统的大面积材料改性方法通常使用各种配置的DBD反应器，包括阵列电极[19]、[20]、帘式等离子[21]、[22]和可移动平台[23]。虽然阵列电极可以调节间距以满足改性要求，但保持电极间隙间的均匀性仍然困难。帘式等离子可以确保连续和均匀的处理，但需要特定的气体放电条件和反应器设计。可移动平台虽然通过机械控制可以有效保证处理的稳定性，但成本较高。这些方法往往缺乏对放电均匀性的定量分析，而且纯金属电极容易积热，从而影响长时间处理过程中的放电稳定性。液体电极虽然在抑制热量上升和提供更好的放电均匀性方面有效[24]、[25]，但导电性较差。复合电极结合了液体和金属相的优点，提供了一个有前景的解决方案。最近的研究探索了在DBD系统中使用带孔金属板复合电极进行表面改性[26]。然而，穿孔板的高阻挡率限制了放电过程的实时观察，使得实现均匀处理变得复杂。这突显了需要一种能够实时监测和调节放电过程的大面积DBD装置，以实现大表面的均匀处理。
本文设计了一种带有视觉监测和分布式诊断功能的透明水-钨丝网电极DBD装置，旨在实现对大面积材料处理均匀性的定量分析和调节。与以往主要关注电极配置或涂层化学性质的大面积DBD反应器不同，本工作的创新之处在于使用了透明液-固复合电极，实现了放电过程的三维可视化，并结合基于灰度的均匀性评估和空间分辨的多点光谱学来诊断大面积等离子体放电的均匀性并调节表面改性。通过分析在不同操作参数下的放电图像和光谱，确定了生成均匀等离子体的最佳条件：大气压、12 kV纳秒脉冲电压、1 L/min Ar流量和30 mL/min HMDSO流量。在这些指定条件下处理环氧层压板后，形成了均匀的疏水薄膜，平均水接触角增加到130.2 ± 3.9°，比原始状态提高了74.7%。HMDSO在EP表面上沉积的含硅基团引入了低极性的Si-O-Si和Si-(CH?)?官能团，增加了表面粗糙度。这些协同效应降低了表面极性并增强了疏水性。因此，本研究的贡献不仅在于使用了HMDSO处理，还建立了一个可诊断且热稳定的大面积DBD平台，将等离子体均匀性调节与绝缘屏障上的均匀疏水涂层形成联系起来。
章节摘录
材料
环氧树脂层压板（根据IEC 893–3-2标准为EPGC201型）由中国广东宏旺新材料科技有限公司提供；石英玻璃由中国洛阳固罗玻璃有限公司购买；铝合金金属板由中国深圳江鑫五金制品有限公司购买；氩气（纯度：99.999%）由中国南京特种气体工厂有限公司提供；HMDSO（浓度：99%）由中国上海阿拉丁生化科技有限公司购买，
电极结构优化
金属电极在介质阻挡放电过程中会导致显著的温度升高。温度是限制化学反应稳定性的关键因素[27]。适当的温度升高有利于反应速率，但过高的温度会对材料表面造成热损伤。水电极在一定程度上可以抑制热量积累，并具有低温运行的优势，但其导电性相对较差[28]。
结论
本研究设计了一种具有透明水-钨丝网电极的大面积DBD系统，以实现均匀的表面改性，而透明复合电极配置实现了放电过程的三维可视化。该系统允许实时评估和调节均匀等离子体，同时抑制电极加热以提高稳定性。通过放电图像的灰度分析和多点光谱学，
CRediT作者贡献声明
黄家亮：撰写 – 审稿与编辑，方法学。费启轩：撰写 – 原始草稿，实验研究。周文博：正式分析。杨伟明：正式分析。季娟娟：可视化处理。吴书杰：可视化处理。程洪图：方法学研究。周文英：监督工作。方志：验证与概念化设计。
利益冲突声明
国家自然科学基金的财务支持。黄家亮报告称获得了国家自然科学基金的财务支持。黄家亮还报告称获得了国家自然科学基金的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52307176、52037004）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20230324）以及江苏省六大人才高峰高层次人才团队项目（项目编号：JNHB-006）的支持。
