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    【Nature Communications】机械驱动的摩擦电微等离子体源诞生
    发表日期: 2018-09-13 文章来源:
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      引言 

      作为物质的第四态,等离子体在核聚变、激光、半导体、显示技术、生物医学、纳米技术、表面处理、航空航天等领域均扮演了重要的角色。传统的等离子体通常需要外部高压电源驱动,如直流、微波、射频等,其移动性、灵活性不可避免地受到电网或电池容量的限制。目前,通常利用压电材料、太阳能或(钻石与蓝宝石相互)摩擦来产生等离子体。尽管压电等离子体消除了对传统变压器的需求,但仍然需要电源作为能量输入;太阳能等离子体需要变压器和用于黑暗环境的储能装置;而摩擦等离子体(Triboplasma),则仅限于原位(in situ)应用。近年来,源自于麦克斯韦方程组中位移电流的摩擦纳米发电机(TENG)在自驱动系统中获得了广泛的应用。作为电源,TENG天然具有高电压的输出特性,目前已应用在质谱仪中定量地产生输入离子,还可通过高压电场生成纳米纤维。实际上,当操作TENG建立了较高的电势差(~kV)时,经常会出现静电放电现象,这就意味着有可能利用TENG可控地诱发连续静电放电以产生等离子体。 

      因此,我们提出摩擦电微等离子体Triboelectric Microplasma的概念,将等离子体与TENG结合起来,直接收集机械运动产生大气压等离子体。其原理为:通过摩擦起电效应产生足够高的电压,用于远程建立高压电场击穿气体,从而生成等离子体。这种方法为TENG在高压电场领域的直接应用打开了一扇门,尤其是自驱动等离子体。考虑到TENG的潜在应用和电特性,我们选择了大气压微等离子体源作为研究对象。     

      成果简介 

      2018913日,清华大学机械系程嘉副研究员,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士(通讯作者)等人在Nature Communications上发表了题为“Triboelectric microplasma powered by mechanical stimuli”的研究论文,程嘉,丁文伯,訾云龙为论文共同第一作者。该论文报道了通过摩擦纳米发电机(TENG)在大气环境下直接利用机械能驱动产生微等离子体放电,提出了摩擦电微等离子(Triboelectric Microplasma)概念。文章成功实现了利用TENG直接驱动四种典型的等离子体放电模式:介质阻挡放电(DBD)、大气压非平衡态等离子体射流(APNP-J)、电晕放电(Corona discharge)以及微火花放电(Microspark discharge)。通过对不同模式下的放电过程进行电学与光谱参数测量、建模与仿真分析,揭示了摩擦电微等离子体的作用机理,探索了多种参数对等离子体特性的影响规律。TENG天然具有高电压输出特性,利用机械运动可轻易获得高压电场,该研究进一步拓展了TENG在高电压领域的应用。这项工作为传统的等离子体激发方式提出了一种全新的可能,也为便携式、自驱动的等离子体应用提供了理论与实验基础。      

      文献链接: 

      J. Cheng, W. Ding, Y. Zi, Y. Lu, L.H. Ji, F. Liu, C. Wu and Z. L. Wang. Triboelectric microplasma powered by mechanical stimuli. Nat. Commun. 9, 3733 (2018) https://doi.org/10.1038/s41467-018-06198-x 

      图文导读

      1 摩擦电微等离子体的实验装置及原理图 

      (a)   摩擦纳米发电机直接驱动微等离子体射流示意图 

      (b)   摩擦电微等离子体与人体皮肤接触 

      (c)   具有TENG图案的介质阻挡放电(DBD)装置图 

      (d)   具有TENG图案的介质阻挡放电(DBD)等离子体照片 

      (e)   摩擦纳米发电机驱动等离子体的原理图

     

     

      2 摩擦电微等离子体的电学特性与N2电晕放电光谱分析 

      (a)   电学参数测量原理图 

      b-c)不同转速下TENG开路电压与短路电流 

      d-f)介质阻挡放电(DBD)电学特性 

      g-i)微电火花放电(Microspark)电学特性 

      j)五阶升压电路(ACDC),用于N2电晕放电 

      kN2电晕放电3条特征谱线、电流与电压随时间的同步变化 

      lN2电晕放电发射光谱

     

     

      3 介质阻挡放电(DBD)微等离子仿真 

      (a)瞬态电压、电场强度、电子数密度及电子温度随时间变化 

      b-c)在不同时刻毛细管内电子数密度与电子温度的径向分布 

      dT/2时刻电子数密度分布云图 

      e)在实验、等效电路模型及COMSOL模型中放电电流波形对比

     

     

      4 不同放电模式下电学特性随电极间距的变化 

      a-d1型介质阻挡放电(DBD)装置示意图及电学特性变化,具体包括放电电流、放电时间平均数/周期、电流有效值、平均功率(下同) 

      e-h2型石英毛细管微电火花放电装置示意图及电学特性变化 

      i-l3型不锈钢针管微电火花装置示意图及电学特性变化 

      m-p)放电模式随结构变化的过程

     

      5 摩擦电微等离子体的应用 

      a)用微等离子体处理FEP表面示意图 

      b)微等离子体处理前后FEP表面接触角的变化 

      c-d)微等离子体点亮“TENG”图案实物照片 

      e-f)摩擦纳米发电机驱动的等离子体发光盘(Plasma disk)实物照片 

     

    评 论
     
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