弱火花+介质极化：微纳材料电场解缠的新路径

浙江大学团队在真空电场中实现短切碳纤维一体化分散、迁移与定向的最新进展解读

关键词
Short carbon fiber; Vacuum; Electrostatic migration; Orientation; Electrostatic precipitator; Field-assisted additive manufacturing

在静电除尘（ESP）和工业烟气治理领域，如何在气相甚至真空环境下，对微纳颗粒实现高效分散、精准迁移与定向，一直是跨学科前沿问题。来自浙江大学的李树人团队，在第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024，京都）上报告了一项颇具突破性的工作：通过“介质极化+周期性弱火花”的电场时空操控策略（STE），在真空环境下完成短切碳纤维（SCF）的电场解缠、长距离迁移与竖直定向嵌入。

这项研究的核心关键词是：短碳纤维、真空、电场迁移、取向，同时紧密关联“静电除尘器”“场辅助增材制造”等行业热点。它既是对传统ESP中电场–颗粒相互作用机理的精细化延展，又为未来高端复合材料增韧、再生碳纤维高值化利用、空间微纳制造等应用提供了新的工艺思路。

本研究由浙江大学机械工程学院流体动力与机电系统研究所、浙江省先进制造技术重点实验室以及化学与生物工程学院联合完成。报告人与通讯作者为李树人，团队成员包括田宇、付一涵、张硕、沈星、朱卫东、柯英林、严可平等。

工作起点来自一个典型工程痛点：短切碳纤维在气相输送和场辅助增材制造中极易团聚、缠结，导致性能难以发挥。团队在前期研究中，已在常压空气中建立了一套基于静电感应与介质极化的SCF电场迁移工艺：在平行板式“类ESP”电极结构中，高压金属极板覆以陶瓷、有机玻璃或氧化锆介质，短切碳纤维铺放在接地极板上，电极间距约30 mm。当电压升至约5 kV时，纤维通过静电感应获得电荷，被加速至高压侧并牢固吸附于介质表面；继续提高电压（>15 kV），介质表面束缚电子被剥离，与碳纤维之间发生电荷交换，局部电场突变将纤维“弹射”至接收基底，实现亚秒级、大批量的定向迁移与分布调控[17,18]。这一“无污染、低成本、高效率”的电场操控方法，在常压条件下已表现出优于机械分散的综合性能。

但当场景转移到高真空——例如借鉴粒子加速器原理，将SCF在高真空电场中加速嵌入预浸料，实现层间微纳增强[13]——问题变得极为棘手。真空环境下气体稀薄、分子碰撞大幅减少，既影响放电起始条件和电场均匀性，也改变了颗粒受力与运动阻尼特性，传统机械和化学方法在这种环境里大多“水土不服”[14]。以静电力为代表的“非接触”操控方式，自然成为真空微纳材料操作的优选候选[15,16]。

研究团队首先系统考察了目标树脂体系在真空中的行为及其对真空度的影响。由于SCF最终大多嵌入环氧树脂或具一定黏度的预浸料中以形成复合材料[21,22]，树脂在真空下的脱气、出泡行为直接关系着电场工艺的稳定性。实验选用E51环氧树脂及三乙烯四胺固化剂，不同配比的混合体系采用石英真空管在室温（25 ℃）下抽真空，实时记录真空度随时间的变化。结果表明：

在无负载条件下，系统3分钟左右即可将真空度拉至约1 Pa，最终稳定在2.5×10⁻³ Pa量级；加入纯E51树脂后，脱泡“沸腾”过程明显，达到同样真空度需约4分钟，极限真空降至约5.6×10⁻³ Pa；纯固化剂因挥发性和含水量更高，使极限真空进一步降低到约9.2×10⁻³ Pa。树脂–固化剂混合体系的表现介于两者之间。尽管通过预脱气可大幅减少可见气泡，但在10⁻³ Pa级高真空下，微气泡的形成–长大–破裂循环仍会对真空度产生短时扰动。这一点对于后续高压电场工况尤为关键，因为根据Paschen定律，小幅气压变化即可引起放电特性显著偏移。

在明确树脂–真空相互作用后，团队转向电极在真空中的耐压特性测试。采用两种典型电极结构：（1）金属–金属平板电极；（2）金属–覆介质平板电极，将其布置于石英真空管内，在不同真空度和电极间距下缓升直流电压，观测击穿电压及放电形态。结果显示：在10⁻³ Pa量级真空中，当金属–金属间距增至20 mm时，系统可承受30 kV以上电压，满足SCF“5 kV分散+15–20 kV二次弹射”的空气工况需求。随着真空度提高，击穿电压显著上升，这是由于气体密度降低后气体电离级联难以维持，放电机理逐渐从体相转向表面闪络和固体–金属间的粒子交换[23,24]。

在金属–覆介质配置下，由于介质本身分担了部分电场，缓和了尖端和边缘的场强集中效应，击穿电压进一步提高；当间距达到约15 mm，即可在不击穿的前提下承受30 kV电压。综合无载耐压结果，可以初步判断：在典型20–30 mm电极距离下，即便在树脂存在引起的真空波动下，系统仍有电压裕度去完成低压分散和高压发射阶段。

随后的关键问题是：在真实装填SCF的真空环境中，静电感应+介质极化这套“在空气中行之有效”的工艺还能否复现？实验表明，在真空下，SCF同样可以在约5 kV电压下开始运动并向高压覆介质板迁移，完成宏观上的“电场收集”。更有意思的是，SCF起动电压会随装填量增加而略有下降，说明在大样本条件下，纤维间的群体电感应效应有利于提前触发整体迁移。

然而，当尝试在真空中复制空气条件下的“高压二次发射”过程时，问题暴露无遗：在约5×10⁻³ Pa真空度下，电压升高到一定程度便在介质–金属–真空的“三级结”位置频繁产生自发辉光/火花放电，电压曲线剧烈波动，始终无法稳定维持在SCF发射所需阈值之上。大量纤维被牢牢“锁死”在介质表面，即便少量脱离，也因电场突变失去定向，最终呈现为少量、无序、跌落状的接收状态。这一现象正是典型的真空三级结闪络问题：在金属/固体绝缘体/真空交界处，局部电场被强烈放大，电荷积聚和二次电子发射触发局部放电，成为高压真空工程中的顽疾[25,26]。

要在真空中实现稳定的高压电场操控，必须从电极结构上“消除三级结”。浙江大学团队的解决方案颇具工程实用性：以高压电缆为基础，将内部铜芯作为高压电极，外覆硅橡胶作为完整的外绝缘层，通过螺旋缠绕形成立体“线状电极阵列”。这样，金属导体被绝缘层全封闭，空间中不再存在金属–介质–真空直接交汇点，三级结自然消失，高压运行不再被自发放电打断。

在改进电极基础上，研究者进一步对工艺路径进行了重构，从原来“低压分散–介质收集–再高压发射”的分步流程，转变为一步完成的“高压电场振荡–反复加速–直达靶向接收”。具体做法是：将SCF预置在接地铝网（200目）上方，以石英环形导向管限定初始空间，顶部为螺旋高压电极。当一次性施加超过20 kV的直流电压时，纤维在上下电场中经历一系列“电场振荡”：先向上加速并接触高压螺旋电极，获得重新充电；随即在电场反向力作用下，快速脱离高压侧并向下穿过接地铝网进入下方真空空间，在几乎无空气阻力的环境中保持高速竖直飞行，最终嵌入下游布置的树脂、预浸料或多孔胶体基底。

实验统计结果颇具“工艺革命”意味：在E51环氧体系中，SCF可单根分散、竖直嵌入，平均嵌入深度约0.71 mm，且在真空中几乎没有明显减速；在多孔凝胶中，同样可获得方向性良好的纤维“微针阵列”。在更大尺寸的不锈钢真空腔体中，研究者将聚酰亚胺胶带接收面布置在不同距离（0.1–1.5 m），发现即便迁移距离增至1.5 m，仍有超过80%的纤维保持倾角>60°的直立状态，几乎看不到“躺平”纤维。随着距离增加，同号电荷纤维之间的静电斥力使空间分布逐渐均匀化，单位面积分布密度减小，但在约0.5 m后趋于稳定，呈现出稳定的“电场自组织”效应。

速度测试进一步凸显了真空环境的独特价值：同样以约5.8 m/s初速度出射，纤维在空气中仅迁移1 cm左右速度就降至2.5 m/s并迅速衰减至零；在真空中，由于气体阻力几乎为零，速度不仅不会显著降低，反而在重力作用下缓慢增加，实现了“长距离、高速度、保持姿态”的联合性能。这一特征对于未来在真空中构筑三维微结构、实现层间局部增强、乃至在空间环境中进行微纳材料场辅助装配，具有明显工艺优势[1–4,11]。

从静电除尘与工业烟气治理的视角看，这项工作最值得行业关注的并非具体材料本身，而是三点方法论启示：

第一，将传统ESP中的放电、电荷积累、颗粒受力等现象，上升到“时空电场+弱火花”联合调控微结构团聚体的层面，可为高黏性粉尘、亚微米二次颗粒团等难处理对象提供新的“电场解缠”思路[19]。

第二，对真空下电极结构、介质覆盖、三级结闪络的系统研究和工程化改造方案，为高压ESP向低压、变压、甚至近真空工况拓展提供了可借鉴的电极设计经验[23–26]。

第三，将“电场迁移+定向嵌入”这一思路拓展到再生碳纤维高值利用、功能复合材料增韧、电热除冰/自加热结构[5–8]，甚至对高温尾气中导电纤维类粉尘的控制，都可能催生新型“场辅助制造+污染控制”一体化装备形态。

综合来看，浙江大学团队的这项工作，将静电除尘与场辅助增材制造两个传统上相对独立的技术世界，在“真空电场–微纳颗粒操控”这一交叉点上打通，并给出了可工程化的电极与工艺方案。随着更多工业级试验的推进，这种基于电场的“普适时空电驱动（STE）”策略，有望在再生碳纤维利用、复合材料在线增强甚至高端烟气治理装备中，形成一批具有工程落地价值的新技术与新产品。

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