等離子體可以創造高度反應性和非平衡環境，用于各種材料的合成和加工。但是，制造大規模、特別是高熔點的塊材料需要一個能夠在大面積或大體積上實現均勻高溫度的等離子體放電過程。然而，以往的等離子體放電過程，由于能量向周圍環境的耗散，導致溫度分布非常不均勻。因此，弧放電對于加工大規模材料，特別是具有平面形狀因素的材料的能力有限。
弧放電雖然能夠實現高溫等離子體，但常規板電極之間的大氣弧放電通常會形成窄小且隨機的弧道，導致溫度分布不均勻，限制了大規模材料的處理能力。
近日，馬里蘭大學胡良兵、趙繼成和普林斯頓大學琚詒光團隊提出了一種簡單實用的等離子體技術，利用一對碳纖維增強電極，在大氣壓下生成均勻、超高溫度且穩定的等離子體，用于合成各種極端材料，包括超高溫陶瓷和耐火金屬合金。該等離子體穩定且可達到高達8000 K的溫度。等離子體形成過程涉及長碳纖維尖端之間的火花產生，由此產生的等離子體至少穩定10分鐘。
技術優勢：
作者利用碳氈電極設計實現了在大氣壓下形成穩定的大面積等離子體，同時實現了高達8000K的超高溫度，克服了傳統大氣等離子體的空間非均勻性和/或不穩定性以及溫度范圍有限的問題。同時采用低成本的碳材料作為電極材料，能夠承受比各種金屬更高的溫度，且可以以不同的纖維結構進行成本效益的制造，從而實現了電場效應的增強。并且該技術只需要非常低的電流和電壓（<50A和<50V），無需昂貴的高功率電源和控制，因此能夠讓世界各地的實驗室進行極端材料的合成?？梢钥焖僬{節溫度，實現非平衡合成，從而控制反應產物或相變，避免不需要的反應進展。
研究內容
一種穩定的等離子體
圖1 大氣壓下實現的均勻、超高溫、穩定的等離子體
通過等離子體生成的方法合成材料
作者介紹了一種在大氣壓下產生超聲速等離子體的電極組裝方式。該電極由兩個碳氈電極組成，其中有許多長碳纖維延伸并形成電極之間的接觸，表面也有許多短、垂直排列的碳纖維。通過逐漸增加電極之間的電壓，長碳纖維之間的接觸會產生強烈的焦耳加熱，使得纖維發光。在繼續增加電壓的過程中，短碳纖維的存在會明顯降低氣體擊穿電壓，并增加電場和二次電子發射，從而在長碳纖維之間形成火花，引發等離子體。該等離子體溫度極高，可以通過瑞利熱測量法測得，隨著電流的增加，溫度從約4600K升高到7700K。控制實驗表明，長碳纖維是引發超聲速等離子體的關鍵，而短碳纖維的存在則可以增強電場和二次電子發射，使得等離子體能夠穩定存在并擴散。USP過程是通過逐漸增加電極之間的電壓來啟動的，這產生了強烈的焦耳熱，并使長纖維發光。隨著電壓的增加，纖維之間的微米級間隙減小了氣體擊穿電壓，并增加了放電能力，長纖維端點之間形成火花，從而引發等離子體。由此產生的USP等離子體發出極其明亮的光，并保持穩定至少10分鐘。使用雷利熱計和灰體輻射光譜法測量等離子體溫度，并顯示中心處的均勻性良好。進行控制實驗以更好地了解短纖維和長纖維在USP過程中的作用，證明了長纖維在啟動過程中的必要性以及密集的短碳纖維在啟動后擴展等離子體的重要性。
圖2 使用碳尖端增強電極設計產生 USP 等離子體
USP放電過程
作者描述了一種獨特類型的等離子體放電過程，稱為超短脈沖（USP）放電。作者使用了尖端增強的碳氈電極來產生USP放電，并觀察到了放電過程的各個階段，包括朱耳加熱碳纖維的形成、纖維的物理斷裂、微火花放電和弧形放電擊穿。他們發現USP過程的擊穿電壓顯著低于以前報道的等離子體擊穿值，并且高度可重復。他們還展示了通過調制施加的電壓和電流能夠快速開關體積等離子體的能力，這對于控制需要急劇溫度變化的非平衡合成中的反應路徑可能是有用的。結果，作者發現能夠在不 1秒的時間內使等離子體溫度在1000 K 到 6,000 K之間循環，升溫和冷卻速率約為103 K s?1。這種顯著的可調性是由于尖端增強電極實現的電弧等離子體轉變的低電壓勢壘。并且這種脈沖等離子體在短時間內達到高溫然后驟冷回低溫的能力表明，USP可用于控制各種非平衡合成的反應途徑。
圖3 USP 表征。
利用UPS合成各種難度的材料
作者們使用USP合成和燒結了Hf（C，N）陶瓷，這是一種非常難以制備的超高溫陶瓷，因為它的熔點非常高（> 4000K）。在USP處理（5150 K，10 s）之前和之后的HfC / HfN顆粒的橫截面SEM圖像證明了粉末前體混合物的成功燒結。經過USP加熱后，X射線衍射（XRD）證實已成功實現了以巖鹽晶體結構（空間群：Fm3m）為主的Hf（C，N）單相材料。此外，作者們還使用USP直接從金屬元素粉末（例如W-1.5Nb-0.5Ti）合成了一種鎢基耐火合金，形成了具有更均勻元素分布的致密合金。USP還可以通過簡單地加熱碳黑而無需任何催化劑來生成高價值的碳材料，例如碳納米管。USP的快速淬火能力可以用于合成高熔點非晶態（玻璃態）材料。作者們將晶體氧化鎂（MgO）加熱并快速冷卻，形成了非晶相。此外，USP還具有可擴展性和適應性，可以根據不同的制造需求進行調整。此外，USP設置可以適應將等離子體聚焦在非常小的區域內，形成鋒利的前端，從而增加等離子體的加工精度，可用于3D打印和涂層沉積等應用。
圖4 USP在各種高溫材料合成中的應用
總結展望
總的來說，馬里蘭大學胡良兵、趙繼成和普林斯頓大學琚詒光使用一對碳纖維增強電極，在大氣壓下實現了均勻、超高溫度（高達8,000 K）的穩定等離子體（USP）, 具有創紀錄的低擊穿電壓，同時實現高達 8,000 K 的超高溫，從而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范圍。電極由高密度的短纖維和一些長纖維組成，通過低擊穿電壓下的微火花放電引發等離子體。短纖維將放電聚合成體積穩定的超高溫度等離子體。該技術允許產生連續的、體積穩定的等離子體，其溫度可在3000K至8000K之間高度可控，并具有均勻的溫度分布。與其他等離子體技術相比，USP過程在大氣壓下以適度的電流輸入（約45 A）實現了均勻的大面積和高溫度（約8,000 K）。碳纖維尖端在超高溫度條件下仍保持穩定，使得體積等離子體能夠在持續輸入功率下穩定運行10分鐘或更長時間。
參考文獻：
Hua Xie, Ning Liu, Qian Zhang, Hongtao Zhong, Liqun Guo, Xinpeng Zhao, Daozheng Li, Shufeng Liu, Zhennan Huang, Aditya Dilip Lele, Alexandra H. Brozena1, Xizheng Wang, Keqi Song, Sophia Chen, Yan Yao, Miaofang Chi, Wei Xiong, Jiancun Rao, Minhua Zhao, Mikhail N. Shneider, Jian Luo, Ji-Cheng Zhao*, Yiguang Ju*& Liangbing Hu*. A stable atmospheric-pressure plasma for extreme-temperature synthesis. Nature (2023).
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06694-1
