繼 2023 年 11 月 9 日之後，胡良兵頭髮教授science之後，將於 2023 年 11 月 29 日重新發行nature
等離子體可以產生超高溫反應環境，可用於各種材料的合成和加工。 然而，等離子體的體積有限、不穩定和不均勻性使得大規模生產大型高溫材料具有挑戰性。 圖為來自美國馬里蘭大學趙繼成鞠一光胡良兵和其他研究人員提出等離子裝置由由一對碳纖維尖端增強電極組成，能夠在大氣壓下使用垂直方向之長短碳纖維組合產生均勻性超高溫跟穩定的等離子體（高達 8,000 K）。 2024年11月29日發表了題為“A stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis”的相關文章nature以上。
等離子體，它產生高反應性和非平衡環境，用於各種材料的合成和加工。 然而，大規模的，特別是高熔點的散裝材料的製造需要等離子體放電工藝，以實現大面積或體積的均勻高溫。 體積等離子體，如輝光放電，已經通過多種方法得到證明，儘管通常在低壓（<150 torr）下，此時等離子體的中性氣體溫度（tg）遠低於電子溫度（Te）。 因此，輝光放電處理高溫材料的能力非常有限。 另一方面，電弧放電通常用於實現高溫等離子體（高達 10,000 K 或更高），並能夠在大氣壓下進行製造。
然而，傳統板電極之間的大氣電弧通常會收縮成狹窄的隨機電弧通道（約 1 mm），由於能量耗散到周圍環境，導致溫度分布極不均勻。 為了提高常壓下高溫等離子體放電的穩定性和規模，人們探索了各種電極設計和工藝。 例如，針電極可以防止隨機等離子體放電，其中高曲率（半徑為幾公釐）增加了區域性電場強度並促進了二次電子的熱離子發射，從而產生了穩定的高溫等離子體。 然而，針頭結構將電弧等離子體限制在等離子體體積有限的狹窄通道中。 雖然旋轉滑移電弧可以增加放電量，但等離子體通道仍是細絲，溫度和活性物種分布不均勻。 因此，據了解，為了實現高溫塊體材料的可擴充套件製造，在大氣壓下進行高溫等離子體合成和加工的挑戰仍有待解決。
在這裡，研究人員實現了在大氣壓下的使用一對碳頭增強電極，實現乙個同質超高溫（高達 8000 K）和穩定的等離子體（USP）（圖1A，B）。 電極由高密度（約105 cm2）垂直取向的短碳纖維（直徑約10 m）和一些延伸到兩個電極之間的間隙並形成接觸的長碳纖維組成。 當施加電壓時，焦耳熱在長碳纖維的缺陷區域或接觸點（電阻最高）處加劇，達到超高溫，直到纖維斷裂，形成非常小的間隙（約 10 m）。 在這些新形成的纖維的頂端，區域性增強的電場促進了二次電子發射，導致火花放電通過狹窄的纖維間隙（圖1b），這有助於等離子體在創紀錄的低擊穿電壓（約40-45 V）下啟動。 同時，如圖1C的掃瞄電子顯微鏡（SEM）影象所示，密集間隔的短碳纖維產生尖端增強電場，在電極表面合併（圖1D），加速了從Townsend擊穿到電弧的轉變，擴大了等離子體的尺寸和體積，並增加了等離子體的均勻性。 這種膨脹還會產生集體加熱效應，有助於穩定等離子體。
圖1在大氣壓下，通過設計具有長碳纖維的電極和大量具有密集尖端的小直徑碳纖維來實現均勻的USP
通過這種技術，研究人員可以輕鬆實現連續的體積等離子體（由電極的大小決定），其溫度在3,000 K至8,000 K之間高度可控，溫度分布均勻（圖1E）。 與其他電弧射流或針狀電弧等離子體（圖1F）相比，USP工藝可以在大氣壓下以中等電流輸入（約45 A）實現均勻的大面積和高溫（例如，8,000 K）。 值得注意的是，由於碳電極的低熱容以及高導熱率和發射率，碳纖維尖端即使在這些超高溫條件下也能保持穩定。 因此，體積等離子體可以在連續功率輸入下保持穩定執行10分鐘或更長時間。
圖2USP 使用碳尖端增強型電極設計生成等離子體
圖2A顯示了在大氣壓下用於USP生成過程的電極設定示意圖。 兩個圓盤形電極由碳氈（直徑25.）製成。4 公釐）。然後，研究人員在大氣壓下的氬氣環境中垂直對準兩個碳氈電極（圖2a），彼此相距約3公釐。 在這種設定中，一些長碳纖維從碳氈表面突出，並在兩個電極之間形成接觸（圖2B）。 此外，電極表面具有大量垂直排列的短碳纖維，其鈍化尖端由水平排列的纖維隔開，束間距約為 200 微公尺。
碳纖維尖端的直徑約為10微公尺（圖2c），比傳統上用於產生電弧等離子體的金屬針電極的微公尺到厘公尺級要小得多。 由此產生的USP等離子體發出極其明亮的光，需要中性密度濾光片來觀察等離子體（圖2D）。 等離子體保持穩定至少10分鐘，直到研究者關閉電源（圖2D）。 研究人員發現，碳纖維尖端在等離子體產生過程中被磨尖（圖2e），可能是因為電場的集中。 鋒利的尖端還應進一步增加周圍的區域性電場，促進放電過程。 最後，研究人員使用兩個相同尺寸的石墨板電極進行了對照實驗，但在電極之間只貼上了一束長纖維（即沒有短纖維尖端陣列）圖2g），僅觀察到火花放電，沒有形成連續或擴充套件的等離子體。
圖3USP 標識
圖 3 及其子圖說明了使用尖端增強碳氈電極的 USP 放電過程的電流-電壓 （I-V） 特性，以及不同階段的相應影象（圖 3b）。 同時，使用原位電場感應二次諧波（e-fish）方法測量電極之間的等離子體電場強度（圖3c）。 當上部碳氈偏置從 0 伏增加到約 33 伏（圖 3a、i）時，觀察到電極之間有明亮的絲狀放電（圖 3b、i），這是由於長碳纖維接觸的焦耳熱。 然後，從大約 33-42 伏開始，I-V 曲線沒有電流訊號（圖 3a、ii），並且光纖不發光（圖 3b、ii）。 這是因為過度的焦耳熱會導致接觸的長纖維物理斷裂，產生微間隙並切斷電流（圖 3b、ii）。
隨著電壓進一步增加到約42-45伏（圖3a，iii），電場進一步增加（圖3c）並觀察到微電火花放電（圖3b，iii）。 這些放電發生在斷裂纖維之間的狹窄間隙中，利用尖端增強的電場。 該過程通過促進電子碰撞電離和湯森雪崩效應來幫助降低USP的擊穿電壓（圖3B，iv）。 隨著從微電火花到電弧放電的轉變，由於等離子體中電子數密度和電導率的增加，電壓迅速下降到約20伏（圖3a，c），電流浪湧到18安培（即電弧放電擊穿電流;圖3a）。擊穿後，兩個電極之間的測得電場非常低（約5伏公釐），表明它是熱等離子體。 然後，電弧放電體積在電極之間迅速膨脹（圖3b，v）。 當電流達到約45安培（圖3a、b、vi之後）時，USP產生的溫度約為7700 K（圖2F）。
隨後，研究人員逐漸將電流從45安培（圖3a，b，vii）降低，儘管電流約為7安培，遠低於氣體放電擊穿電流（約18安培;圖3a），電弧放電保持穩定。這是典型的電弧放電滯後現象。 總體而言，研究人員發現USP工藝的擊穿電壓明顯低於先前報道的等離子體擊穿值，並且具有高度可重複性（約42.2）。6 伏，基於 15 個實驗）。研究人員還發現，通過簡單地調整電壓和電流，可以快速開啟和關閉體積等離子體。 例如，研究人員使用可程式設計電源，將施加的電壓反覆設定為 45 伏 05 秒，然後回到 0 伏 05秒（圖3D）實現脈衝等離子體。 此過程在 1 秒內將等離子體電流增加到 35 安培。 結果，研究人員能夠在不到1秒的時間內將等離子體溫度在1000K和6000K之間迴圈，加熱和冷卻速率約為103K s。 這種顯著的可調節性是由於尖端增強電極降低了電弧等離子體轉換的電壓屏障。 這種將等離子體脈衝到高溫，然後在短時間內快速冷卻回低溫的能力表明，USP可用於控制各種非平衡合成物的反應途徑，其中需要劇烈的溫度變化（例如，快速冷卻）。
圖4USP在各種高溫材料合成中的應用
圖 4 說明了超高溫等離子體 （USP） 在高溫材料合成中的應用。 利用USP，研究人員成功合成並燒結了熔點極高的HF（C，N）超高溫陶瓷（圖4A，B），USP處理的HFC HFN顆粒的SEM影象證實了粉末前驅體的成功燒結（圖4C，D）。 X射線衍射結果表明，HF（C，N）單相形成岩鹽結構（圖4E）。 此外，USP還用於從金屬元素粉末合成鎢基難熔合金，以形成元素分布均勻的緻密合金，以及通過直接加熱炭黑製備碳奈米管，而無需催化劑。 USP的快速淬滅能力可用於合成高熔點非晶態材料，例如通過快速冷卻將結晶氧化鎂（MGO）轉化為非晶相（圖4F-H）。
USP技術的可擴充套件性和適應性體現在能夠製造更大的碳氈電極以處理更大的樣品，並通過改變電極設計來實現特定的加熱通道。 例如，通過將碳氈棒放入碳氈管中以形成同軸結構，可以建立長而體積的等離子體通道（圖4i，j）。 此外，可以調整USP設定，將等離子體聚焦在非常小的區域內，使其適用於增材製造（3D列印）等精密應用（圖4K，L）。 綜上所述，研究人員報告了一種尖端的增強型碳電極設計，能夠在大氣壓下以創紀錄的低擊穿電壓形成均勻的大面積體積等離子體，同時實現高達8,000 K的超高溫，克服了典型的空間不均勻性和/或不穩定性以及傳統大氣等離子體的有限溫度範圍。
碳特別適合作為等離子體生產的電極材料，因為它具有高導電性，可以承受比各種金屬高得多的溫度，並且可以用不同的纖維結構經濟高效地製造，以實現尖端增強的電場效應。 此外，USP 設定需要非常低的電流和電壓（在研究者的實驗中為 50 A 和 50 V），而無需傳統電弧熔化系統所需的昂貴高功率電源和控制裝置。 由於其低成本和易於設定，USP 使世界各地的實驗室能夠合成極端材料，這些材料現在只能使用高度專業化的裝置製造，或者根本不需要。
研究人員還可以快速開啟和關閉 USP 過程，在不到 1 秒的時間內在低（例如 1,000 K）和高（例如 6,000 K）水平之間迴圈。 這種可調性使非平衡合成能夠通過快速降低溫度來控制反應產物或相，從而避免不必要的反應過程。 研究人員證明了USP在陶瓷、合金和碳奈米管合成中的普遍性。 與電弧熔煉等用於材料合成和製造的其他等離子體技術相比，這種碳尖端增強等離子體具有各種優勢，包括大而均勻的加熱區域，從而能夠更大規模地合成材料。 USP電極的靈活性也使其能夠適應不同的合成和製造應用。 研究人員預計，這項技術可以幫助解決高溫合成中的一系列挑戰，並促進在反應性等離子體環境中發現材料。 最後，研究人員指出，這種高溫體積等離子體技術可以由可再生電力提供動力，這表明它有可能大規模綠色製造各種材料，包括那些能夠承受超高溫、壓力和腐蝕等極端環境的材料。 因此，USP 可以為未來廣泛使用的可持續材料的合成提供平台。
引用
xie, h., liu, n., zhang, q. et al. a stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis. nature 623, 964–971 (2023).
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