介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge,DBD）是一种常见的大气压开放环境下能产生非热平衡低温等离子体的放电方式。由于其放电结构中有绝缘介质层存在,因而能够有效地抑制局部火花或电弧的产生,从而产生大面积、高能量密度低温非平衡等离子体。DBD放电结构有很多种,最典型的是以针板电极、板板电极为代表的体放电以及能将等离子体引出到开放空间的射流发生器等。

主要的研究范畴包括：电学特性,包括电压-电流特性、负载特性、功率耦合、放电的击穿、发展与演化、放电稳定性、放电模式与其转换等;等离子体物理与等离子体化学,包括等离子体发射光谱及粒子密度时空分布、电子温度、各种激发态粒子的产生与淬灭、电离-复合、等离子体淬灭、等离子体分解、各种自由基的产生与淬灭、化学活性等;各种DBD等离子体应用。

总体而言,低温等离子体中的介质阻挡放电领域近10年的重要及热点研究问题如下。

（1）DBD等离子体的产生、控制与演化

针对不同的应用需求,需要产生具有不同形态与参数的DBD等离子体,因此,DBD等离子体的产生与调控一直是该领域的研究热点。DBD基本的放电形态是丝状放电,针对丝状放电通道的发展与演化及其动力学机制一直是核心的研究课题,如丝状放电通道的击穿过程、介质表面电荷积累与释放过程、丝状通道的尺度及其相互作用机制等。

（2）大气压DBD辉光-类辉光放电

大气压介质阻挡辉光放电一般在惰性气体中相对容易实现,而在空气这类分子气体中放电多表现为丝状模式,而研究表明,大气压辉光放电比丝状放电产生活性粒子的效率更高。虽然研究人员尝试各种手段,如火花预电离辅助、采用特殊结构电极、纳秒脉冲与射频调制激励、外加气流场或磁场来实现辉光-类辉光放电模式,但是目前还没有一种稳定可行的方法实现空气中大气压条件下的辉光放电模式。

（3）DBD低温等离子体射流

大气压放电低温等离子体射流可以在DBD放电的基础上利用气流将放电空间产生的等离子体吹出电离区域,所以提高了等离子体处理过程的灵活性,应用领域广泛。其中的研究热点是等离子体射流子弹及其传播机理、不同的等离子体射流放电结构及优化、等离子体射流的参数与化学活性、大面积射流产生与多射流集成等。而如何提高射流等离子体中活性粒子浓度以及在大气压条件下产生满足各种处理需求的大面积稳定的射流等离子体,是这一领域的两个关键问题。

（4）DBD等离子体自组织结构

DBD放电在一定条件下会形成有规律的图案分布,即所谓的自组织斑图,这为研究自组织现象、等离子体晶体以及放电等离子体非线性动力学提供了一种途径,这样的研究有可能在等离子体非线性理论与应用方面实现重大突破,所以是DBD等离子体的一个重要研究方向。主要研究热点包括：自组织结构形成的条件与物理机制、自组织结构的演化及其规律等。

（5）DBD等离子体表面处理

DBD等离子体表面处理目前已经得到实际而广泛的应用,尤其在半导体、高分子、纺织、医疗行业等。这方面的主要研究热点是：其中的作用机理,从而为应用奠定基础;提高处理的效率与效果,从而为实现大规模工业化应用提供可能;针对不同的应用研发DBD等离子体产生技术,如大面积均匀DBD等离子体产生技术等。

（6）DBD等离子体废气处理与气体转化

随着工业废气与汽车尾气的大量排放,环境问题正越来越成为一个严重的社会问题;甲烷作为一种储量丰富的气体,通过转化可以制备甲醇以及其他工业用产品。等离子体处理作为一种无害、高效的处理方式正受到越来越多的关注。其中,等离子体气体转化机理始终是这方面研究的重点。此外,针对不同的应用需求,研制合适的DBD等离子体发生器也是非常重要的研究方向。等离子体处理与催化协同作用被认为是最有效的处理方法,是近几年研究的热点。

（7）DBD等离子体生物医学

等离子体生物医学是近一二十年发展起来的一门新兴的交叉学科。主要包括DBD等离子体器械消毒杀菌、疾病治疗、医用材料表面改性及美容等。大气压低温等离子体射流由于能够在开放空间产生等离子体,气体温度低但活性粒子种类丰富且浓度高,不会对人体造成电热损伤,逐渐成为等离子体生物医学应用方面的主要放电形式。此外,沿面介质阻挡放电由于能够在强化学活性气体中产生大面积等离子体,同时等离子体可以与被处理的人体不接触,而是利用所产生的中性粒子扩散作用到人体,在近几年也受到了广泛的关注。

（8）DBD等离子体流动控制

等离子体主动流动控制技术作为一种新型主动流动控制技术,具有结构简单、无运动部件、安装方便、不改变飞行器既有气动外形结构、能耗低、响应快等优势。沿面DBD等离子体激励器作为一种基本的等离子体流动控制结构,已成为近十几年来等离子体与流动控制交叉领域的研究热点。在实现主动流动控制的同时,飞行器表面所覆盖的等离子体还可以在特定的参数条件下实现飞行器的隐身。但实现上述应用的关键在于如何提高能量利用效率与激励水平以及如何有效调控等离子体参数等。

中国科研水平的快速发展是近20~30年的事,这与中国的经济发展基本是同步的。从论文统计数据看（见表1）,我国在DBD等离子体方面的研究成果在逐年增加,最近几年已经超越美国成为发表论文最多的国家,2012–2014年发表有关论文1 253篇,占世界发表论文总量的21.5%左右,是美国的1.1倍,但我国的论文被引用次数却仅仅是世界总被引用次数的17.1%,是美国的57.3%左右。这些数据说明,尽管我国的研究成果在数量上取得了世界领先地位,但研究成果的质量却不高。

导致上述现象的主要原因是研究深度不够,许多发表的论文类似于实验报告,缺乏深入的理论分析;此外,尽管最近几年我国的研究条件得到极大改善,但与一些发达国家相比较,还是存在一定的差距,导致我国的科研水平无法与美国等发达国家相媲美。另外,我国学者的原创性研究成果也与美国存在很大差距,许多研究属于跟风式研究,其中一个主要原因是我国前期的基础与积淀还不是很厚实。

但经过近二三十年的研究,我国在DBD等离子体方面也取得了一些世界领先的研究成果。

在大气压DBD辉光-类辉光放电方面,采用DBD方式产生大气压辉光放电模式一直是一个非常重要的研究课题。清华大学、河北大学、大连理工大学、西安交通大学、中国科学院电工研究所等单位在这方面做了大量研究工作。清华大学王新新教授提出了DBD中介质表面电子捕获的“浅位阱”机制,河北大学董丽芳教授研究了DBD放电中的自组织斑图现象并给出了理论解释。

在DBD等离子体射流方面,针对DBD等离子体射流,华中科技大学卢新培教授团队在等离子体放电结构、放电机理以及应用方面都做出了世界领先的研究成果,提出了DBD等离子体射流子弹传播的物理机制。此外,国内还有西安交通大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、清华大学等许多单位从事这方面的研究。

在沿面介质阻挡放电（SDBD）等离子体流动控制方面,空军工程大学、国防科技大学、装备学院、大连理工大学等都在从事这方面的研究工作。其中空军工程大学李应红院士团队在SDBD等离子体气动激励特性、纳秒脉冲等离子体流动控制与控制激波/附面层干扰等方面都做出了具有世界领先性的研究成果。

在DBD等离子体射流医学应用方面,西安交通大学、华中科技大学及中国科学院等离子体物理研究所等一些团队开展了这方面的研究。西安交通大学孔刚玉教授团队已在实验中发现,等离子体对小鼠皮下植入的癌细胞有明显的抑制作用,并且可以和化疗药物产生较好的协同作用,这对抗癌应用有很大意义。中国科学院等离子体物理研究所程诚研究团队现已开发出商用的低气压等离子体灭菌技术,取得了良好的经济效益和社会效益。

在DBD等离子体表面处理方面,东华大学、西安交通大学、中国科学院电工研究所、清华大学、南京工业大学、大连理工大学等为代表的科研单位都在从事这方面的研究工作。东华大学张菁教授团队在DBD等离子体纺织品改性方面做了大量研究工作。清华大学李和平副教授与北京大学口腔医学院合作,将DBD等离子体用于牙本质胶原纤维的处理,在保证纤维不坍塌,即保持多孔网状结构的前提下,其表面结合能力与粘接强度得到显著提高。清华大学深圳研究院张若兵等利用低温DBD等离子射流对染污高温硫化硅橡胶进行处理,发现染污高温硫化硅橡胶表面在经过较短时间的处理之后,其憎水性得到了明显改善,这一研究成果有望在提高输变电绝缘子耐压能力方面得到应用。

在DBD等离子体气体转化与纳米催化剂合成方面,以天津大学刘昌俊教授团队和大连理工大学朱爱民教授团队为代表,包括复旦大学、浙江大学、东华大学、中国科学院电工研究所、长春理工大学等在内的单位在这方面做了大量研究工作,主要针对室内空气净化、工业与汽车废气的无害转化、甲烷气体转化等进行了深入细致的研究。刘昌俊教授团队和朱爱民教授团队在DBD等离子体合成、活化与再生纳米催化剂研究方面取得了创新性研究成果。

DBD作为一种放电方式在大气压环境下得到了广泛应用,在生物医学、生物化工与农业（诱变育种与食物保鲜）、环境（废气处理）、光源、军事以及电工等领域都具有广泛的应用价值,所以未来仍将是一个十分重要的研究方向。

关于DBD等离子体物理研究,相关的放电产生和维持机理还不是很清楚,如大气压辉光放电的产生机理、不同条件下放电的发展与演化、等离子体参数的诊断等,未来仍然是重要的研究课题。尤其针对大气压DBD等离子体参数诊断问题,目前仍然没有一种方便又精确的诊断手段。针对放电机理与放电发展演化问题,需要结合理论研究并改善研究手段,进一步深入探求其内在机制。

关于等离子体化学研究,在确定等离子体参数基础上,深入研究并了解等离子体化学的基本过程与反应动力学基本参数都是未来主要的研究课题。在深入理解等离子体化学的基础上,通过外部参数的调控与放电结构的优化来达成效益最大化。此外,DBD等离子体废气处理与气体转化都是未来需要加以重点研究的课题,这部分研究与环境和能源问题密切相关,应该是未来的重要研究方向。

等离子体生物医学是前沿的研究方向,应用前景非常广阔。医学应用对活性粒子的剂量有非常严格的要求,未来需要重点研究DBD等离子体对活性粒子的精确控制,可适应环境条件的变化及被处理人体的个体差异,达到精准医疗的要求。此项研究需要提升对DBD等离子体化学的仿真计算和实验诊断能力,特别是由于生物物质都含有大量的水分,需要重点加强对活性粒子在DBD等离子体与含水物质之间的传质与化学过程研究。

在DBD等离子体应用方面,臭氧制备是目前最重要最广泛的应用领域。如何提高臭氧产量与能量效率是目前最重要的问题。纳秒脉冲放电具有能量效率高、臭氧产生效率高的优点,所以应该是今后研究与发展的一个重要方向。但纳秒脉冲电源技术目前还是一门高端技术,只有部分国家能研发生产高质量的电源,价格昂贵,国内在这方面还存在一定的差距。所以对于DBD等离子体应用而言,电源的研制也是一个非常重要的问题,未来需要加强这方面的工作。

等离子体表面处理是一种环境友好型处理工艺,而且处理效果非常显著,已经成为一些行业的标准生产工艺。目前这方面的研究重点在于如何获得快速大面积的处理能力,而在大气压环境下,如何产生一种高化学活性的空间分布均匀的DBD等离子体是未来这方面研究的重中之重。另外,DBD等离子体在医用材料和植入体表面改性方面的研究还有待继续深入。

高效光源的研制一直是一个非常重要的研究课题。要提高气体光源的光强,就需要工作气体密度高,而这正是DBD等离子体的优势所在,所以采用DBD放电形式形成光源是未来一个重要的研究方向,这方面研究的关键问题是如何提高光源的能量效率。