A stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis

用于极端温度合成的稳定大气压等离子体

论文亮点

• 开发了一种新型碳纤维尖端增强电极，可在常压下产生均匀、超高温(高达8000K)且稳定的等离子体
• 该技术实现了多种极端材料的快速合成(仅需数秒)，包括超高温陶瓷和难熔金属合金，为高温材料的大规模制造提供了新途径

研究背景

• 等离子体能够产生超高温反应环境，用于各种材料的合成与加工，但传统等离子体存在体积有限、不稳定和不均匀等问题
• 大气压电弧放电通常收缩为狭窄的随机电弧通道，温度分布高度不均匀，限制了其处理大规模材料的能力
• 需要开发一种能够在常压下产生均匀、稳定且超高温的等离子体技术，以实现高温体材料的大规模制造

研究方法

本研究开发了一种碳纤维尖端增强电极设计，具体方法如下：

电极设计与制备

使用一对碳纤维尖端增强电极，电极由高密度(约10⁵ cm^-2)的短垂直取向碳纤维(直径约10μm)和一些延伸至两电极之间形成接触的长碳纤维组成。

等离子体生成过程

1. 施加电压时，焦耳热在长碳纤维的缺陷区域或接触点增强，这些区域电阻最高，达到超高温直至纤维断裂，形成微小间隙(约10μm)

2. 这些新形成的纤维尖端处局部增强的电场促进二次电子发射，导致跨纤维间隙的火花放电，从而以创纪录的低击穿电压(约40-45V)引发等离子体

3. 密集排列的短碳纤维产生尖端增强电场，这些电场在电极表面合并，加速Townsend击穿向电弧过渡，扩大等离子体尺寸和体积，提高等离子体均匀性

表征与测量

使用瑞利测温法测量等离子体温度分布，通过电场诱导二次谐波(E-FISH)方法原位测量电极间的等离子体电场强度，并通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等分析合成材料的形貌和结构。

主要结论

• 成功开发了一种能够在常压下产生均匀、超高温(高达8000K)且稳定等离子体(USP)的碳尖端增强电极设计
• 该技术实现了创纪录的低击穿电压(约42V)，远低于传统等离子体击穿值，且具有高度可重复性
• USP技术可用于快速合成多种极端材料，如超高温陶瓷(Hf(C,N))、难熔金属合金(W-1.5Nb-0.5Ti)和无催化剂碳纳米管，展示了其在高温材料制造中的广泛应用潜力

图1：碳纤维尖端电极实现的大气压均匀USP

图1 | 通过具有长碳纤维和密集排列的众多小直径碳纤维尖端阵列的电极设计实现的大气压均匀USP。

分析结果

图1展示了使用碳纤维尖端电极产生体积等离子体的示意图(a)和相应照片(b)。SEM图像(c)显示了碳毡电极表面的短纤维尖端阵列，尺度标尺为200μm。插图显示纤维的放大图像，尺度标尺为10μm。(d)短碳纤维示意图，显示了等离子体放电击穿发生时的尖端增强电场分布，其中碳尖端阵列合并并加强了电极表面的局部电场强度。(e)等离子体沿碳毡电极的温度分布曲线，可达到约8000K的高温，且具有优异的空间均匀性。误差条显示标准偏差；n=50。(f)USP与其他使用相似电流输入水平的等离子体技术的温度和均匀性比较，显示了USP在产生稳定的、大面积、高温(高达约8000K)大气压等离子体方面的优势。

图2：使用碳尖端增强电极设计的USP等离子体生成

图2 | 使用碳尖端增强电极设计的USP等离子体生成。

分析结果

图2a展示了用于USP过程的装置示意图。电极由嵌入石墨基座中的25.4mm圆形碳毡盘组成。碳毡在每个电极表面上既有短垂直取向碳纤维，也有长垂直取向碳纤维。(b)两个电极的放大照片，其中来自两个电极的较稀疏的长纤维形成初始接触。(c)短、高密度、垂直碳纤维束的SEM图像。这些碳纤维最初具有钝的尖端。(d)在电极之间施加电压导致气体放电，等离子体显示出极亮的光。为了更清楚地观察等离子体，我们应用了中性密度(ND)滤光片，证明了电极之间等离子体的均匀性。当施加电压时，等离子体显示出良好的稳定性，此处显示为10分钟。关闭输入电压后，等离子体停止，尽管碳毡电极在等离子体终止后立即保持红热状态。(e)等离子体形成后立即的短碳纤维SEM图像，显示纤维尖端变得更尖锐。(f)等离子体中心区域的温度作为输入电流的函数(15-45A，对应于3-9A cm^-2的电流密度变化)。误差条显示标准偏差；n=50。(g)只有长纤维的石墨板电极(即没有短纤维尖端阵列)(上图)和具有长纤维和短纤维尖端阵列的碳尖端增强电极(下图)之间等离子体形成过程的实验比较。短纤维对于电极扩展和稳定等离子体是必要的。尺度标尺：20μm(c)；10μm(e)。

图3：USP表征

图3 | USP表征。

分析结果

图3a,b展示了使用尖端增强碳毡电极的USP放电过程的电流-电压特性(a)和不同阶段的相应照片(b)。b中的虚线框表示形成后等离子体的均匀区域。(c)使用E-FISH技术测量碳毡电极之间的电场。紫色数据点是施加的电压，带有误差条的橙色数据点对应于使用E-FISH方法测量的电极之间的电场。误差条显示标准偏差；n=300。(d)等离子体可以被脉冲化，此处通过将施加的电压设置为45V持续0.5秒，然后关闭0.5秒，将电流升高到35A，并使温度在大约1000K和6000K之间循环。这些结果表明USP在各种非平衡合成中的潜力。

图4：USP在各种高温材料合成中的应用

图4 | USP在各种高温材料合成中的应用。

分析结果

图4a展示了使用USP合成和烧结陶瓷片的示意图。(b)在输入电流为15-30A时，带有HfC/HfN片的等离子体中心温度，与没有样品存在时的等离子体温度一致(图2f)。误差条显示标准偏差；n=50。(c)烧结前HfC/HfN前体片的横截面SEM图像。尺度标尺：5μm。(d)USP烧结后得到的Hf(C,N)的横截面SEM图像。尺度标尺：300μm。插图：等离子体烧结后的Hf(C,N)片。尺度标尺：5mm(插图)；50μm(右)。(e)使用USP快速加热和淬火得到的结晶粉末的XRD图谱。(g)使用USP方法得到的MgO的XRD图谱。(h)非晶MgO相的横截面SEM图像，显示没有明显的晶界。尺度标尺：20μm。(i,j)同轴碳毡棒-管USP装置的示意图(i)，可用于形成长的体积等离子体通道(j)。(k)可用于粉末床熔融-烧结过程中的聚焦USP光束的示意图。(l)等离子体光束可以聚焦成半径约1mm的细丝。尺度标尺：5mm。a.u.，任意单位。