等离子体可以创造高度反应性和非平衡环境，用于各种材料的合成和加工。但是，制造大规模、特别是高熔点的块材料需要一个能够在大面积或大体积上实现均匀高温度的等离子体放电过程。然而，以往的等离子体放电过程，由于能量向周围环境的耗散，导致温度分布非常不均匀。因此，弧放电对于加工大规模材料，特别是具有平面形状因素的材料的能力有限。

弧放电虽然能够实现高温等离子体，但常规板电极之间的大气弧放电通常会形成窄小且随机的弧道，导致温度分布不均匀，限制了大规模材料的处理能力。

近日，马里兰大学胡良兵、赵继成和普林斯顿大学琚诒光团队提出了一种简单实用的等离子体技术，利用一对碳纤维增强电极，在大气压下生成均匀、超高温度且稳定的等离子体，用于合成各种极端材料，包括超高温陶瓷和耐火金属合金。该等离子体稳定且可达到高达8000 K的温度。等离子体形成过程涉及长碳纤维尖端之间的火花产生，由此产生的等离子体至少稳定10分钟。    

技术优势：

作者利用碳毡电极设计实现了在大气压下形成稳定的大面积等离子体，同时实现了高达8000K的超高温度，克服了传统大气等离子体的空间非均匀性和/或不稳定性以及温度范围有限的问题。同时采用低成本的碳材料作为电极材料，能够承受比各种金属更高的温度，且可以以不同的纤维结构进行成本效益的制造，从而实现了电场效应的增强。并且该技术只需要非常低的电流和电压（<50A和<50V），无需昂贵的高功率电源和控制，因此能够让世界各地的实验室进行极端材料的合成。可以快速调节温度，实现非平衡合成，从而控制反应产物或相变，避免不需要的反应进展。

研究内容

一种稳定的等离子体

    图1 大气压下实现的均匀、超高温、稳定的等离子体

通过等离子体生成的方法合成材料

作者介绍了一种在大气压下产生超声速等离子体的电极组装方式。该电极由两个碳毡电极组成，其中有许多长碳纤维延伸并形成电极之间的接触，表面也有许多短、垂直排列的碳纤维。通过逐渐增加电极之间的电压，长碳纤维之间的接触会产生强烈的焦耳加热，使得纤维发光。在继续增加电压的过程中，短碳纤维的存在会明显降低气体击穿电压，并增加电场和二次电子发射，从而在长碳纤维之间形成火花，引发等离子体。该等离子体温度极高，可以通过瑞利热测量法测得，随着电流的增加，温度从约4600K升高到7700K。控制实验表明，长碳纤维是引发超声速等离子体的关键，而短碳纤维的存在则可以增强电场和二次电子发射，使得等离子体能够稳定存在并扩散。USP过程是通过逐渐增加电极之间的电压来启动的，这产生了强烈的焦耳热，并使长纤维发光。随着电压的增加，纤维之间的微米级间隙减小了气体击穿电压，并增加了放电能力，长纤维端点之间形成火花，从而引发等离子体。由此产生的USP等离子体发出极其明亮的光，并保持稳定至少10分钟。使用雷利热计和灰体辐射光谱法测量等离子体温度，并显示中心处的均匀性良好。进行控制实验以更好地了解短纤维和长纤维在USP过程中的作用，证明了长纤维在启动过程中的必要性以及密集的短碳纤维在启动后扩展等离子体的重要性。    

图2 使用碳尖端增强电极设计产生 USP 等离子体

USP放电过程

作者描述了一种独特类型的等离子体放电过程，称为超短脉冲（USP）放电。作者使用了尖端增强的碳毡电极来产生USP放电，并观察到了放电过程的各个阶段，包括朱耳加热碳纤维的形成、纤维的物理断裂、微火花放电和弧形放电击穿。他们发现USP过程的击穿电压显著低于以前报道的等离子体击穿值，并且高度可重复。他们还展示了通过调制施加的电压和电流能够快速开关体积等离子体的能力，这对于控制需要急剧温度变化的非平衡合成中的反应路径可能是有用的。结果，作者发现能够在不 1秒的时间内使等离子体温度在1000 K 到 6,000 K之间循环，升温和冷却速率约为103 K s⁻¹。这种显著的可调性是由于尖端增强电极实现的电弧等离子体转变的低电压势垒。并且这种脉冲等离子体在短时间内达到高温然后骤冷回低温的能力表明，USP可用于控制各种非平衡合成的反应途径。

图3 USP 表征。    

利用UPS合成各种难度的材料

作者们使用USP合成和烧结了Hf（C，N）陶瓷，这是一种非常难以制备的超高温陶瓷，因为它的熔点非常高（> 4000K）。在USP处理（5150 K，10 s）之前和之后的HfC / HfN颗粒的横截面SEM图像证明了粉末前体混合物的成功烧结。经过USP加热后，X射线衍射（XRD）证实已成功实现了以岩盐晶体结构（空间群：Fm3m）为主的Hf（C，N）单相材料。此外，作者们还使用USP直接从金属元素粉末（例如W-1.5Nb-0.5Ti）合成了一种钨基耐火合金，形成了具有更均匀元素分布的致密合金。USP还可以通过简单地加热碳黑而无需任何催化剂来生成高价值的碳材料，例如碳纳米管。USP的快速淬火能力可以用于合成高熔点非晶态（玻璃态）材料。作者们将晶体氧化镁（MgO）加热并快速冷却，形成了非晶相。此外，USP还具有可扩展性和适应性，可以根据不同的制造需求进行调整。此外，USP设置可以适应将等离子体聚焦在非常小的区域内，形成锋利的前端，从而增加等离子体的加工精度，可用于3D打印和涂层沉积等应用。

    图4 USP在各种高温材料合成中的应用

总结展望

总的来说，马里兰大学胡良兵、赵继成和普林斯顿大学琚诒光使用一对碳纤维增强电极，在大气压下实现了均匀、超高温度（高达8,000 K）的稳定等离子体（USP）, 具有创纪录的低击穿电压，同时实现高达 8,000 K 的超高温，从而克服了典型的空间不均匀性和/或不稳定性以及传统大气等离子体的有限温度范围。电极由高密度的短纤维和一些长纤维组成，通过低击穿电压下的微火花放电引发等离子体。短纤维将放电聚合成体积稳定的超高温度等离子体。该技术允许产生连续的、体积稳定的等离子体，其温度可在3000K至8000K之间高度可控，并具有均匀的温度分布。与其他等离子体技术相比，USP过程在大气压下以适度的电流输入（约45 A）实现了均匀的大面积和高温度（约8,000 K）。碳纤维尖端在超高温度条件下仍保持稳定，使得体积等离子体能够在持续输入功率下稳定运行10分钟或更长时间。

参考文献：

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