CN106129816A - 一种提高离子风风速的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高离子风风速的方法及装置，其方法是将碳纳米管有机浆料涂覆于针状电极如不锈钢针针尖表面，将不锈钢针置于马弗炉中进行烘烤，以除去有机浆料，使碳纳米管附着在不锈钢针尖端表面；得到碳纳米管离子发射电极；其装置包括绝缘外壳、离子发射极、离子风接收极以及在离子发射极和离子接收极之间施加高压的电源，所述的离子发射极是碳纳米管离子发射电极。当在离子发射极和离子接收极之间施加一个高压时，碳纳米管离子发射电极尖端会产生较高的场强，进而通过放电来引发离子风，其风速相对于现有的发射极有显著的增强效果。本发明装置使得离子风的速度得到了显著的提高，并且所施加的电压明显降低，减少了电力的消耗。
Description
技术领域
本发明涉及离子风产生方法及装置，尤其是指一种在离子风产生时，能够提高离子风风速的方法及装置。
背景技术
近年来，随着对放电等离子体技术不断深入的研究，以及其应用范围的不断扩大，离子风作为放电等离子体的一种现象，受到了国内外研究者的大量关注，并在气动流控制、散热、除尘、干燥、推进及减阻等诸多领域中有潜在应用，成为电子、能源、环境、材料、军事等行业内的热点研究问题。
离子风，是电晕放电过程中一种特有的现象，一般也称为电晕风。具体而言，就是在外加高压电场作用下，由于曲率较大的电极（即离子发射极）附近电场增强，在其周围的气体（如空气）被电离并在高压电场作用下产生大量离子射流运动，离子射流对周围流体产生强烈的扰动，形成从曲率较大的电极到曲率较小电极（即离子接收极）方向的流体运动，即为离子风。
目前，离子风技术仍处于开发研究阶段，仍未得到广泛应用，因此，关于离子风技术仍存在各种问题和需求。譬如，研究者期望可以进一步增大离子风的风速。通常，为了增大离子风风速，一般采用的方法是向引发离子风的电极施加较高的电压，但这同时会增大电力的消耗。因此，如何在同等电压下增大离子风风速成为一个值得研究的问题。当前，学术界对离子风风速的提高主要侧重于两极间电压和电极结构布局等方面，极间电压主要包括直流电源、高频电压和脉冲电压等；电极结构主要包括针-板式、线-板式、线-管式、线-线式、针-环式等电极结构。如何从材料改性角度出发来增大离子风风速成为一个非常值得研究的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高离子风风速的方法，通过引入碳纳米管材料，改变离子发射极的性能，增强所产生的离子风的风速，同时还提供了一种离子风发生装置。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种提高离子风风速的方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：制备用于分散碳纳米管的有机浆料
将质量比为1︰15~25的乙基纤维素和松油醇混合后，在60~80℃的水浴条件下充分搅拌，使之混合均匀，形成粘稠、透明的胶体，即为有机浆料；
步骤2：制备碳纳米管有机浆料
取质量比为1︰5~9的碳纳米管与所述有机浆料混合，转入研钵中手动充分研磨0.5~1.5小时至碳纳米管与有机浆料混合均匀，且碳纳米管被充分分散即肉眼所见无颗粒，形成碳纳米管有机浆料；
步骤3：制备碳纳米管离子发射电极
将碳纳米管有机浆料涂覆于不锈钢针即针状电极针尖表面，然后将不锈钢针置于温度设定为200~400℃的马弗炉中进行0.5~2个小时的烘烤，以除去有机浆料，使碳纳米管附着在不锈钢针尖端表面；最后，用带有粘附性的胶带对涂覆形成的碳纳米管薄膜表面进行数次粘附，进一步除去薄膜表面残留的有机浆料，同时使得碳纳米管能垂直电极表面分布，得到所述碳纳米管离子发射电极；
步骤4：提高离子风风速
将制得的碳纳米管离子发射电极设置于离子风发生器中，作为离子发射极，在产生离子风的过程中，该碳纳米管离子发射极能够增强离子风的风速。
或者采用以下步骤：
步骤1：确定用于分散碳纳米管的有机溶剂
使用分析纯级别的有机溶剂；
步骤2：制备碳纳米管有机溶液
将质量比为0.1︰50~200碳纳米管和有机溶剂混合，经过超声分散1~2小时，使其充分混合，形成分散均匀的碳纳米管有机溶液；
步骤3：制备碳纳米管离子发射电极
将碳纳米管有机溶液以每秒1~2滴的速度滴至不锈钢针即针状电极针尖表面，在60~100℃的条件下烘烤0.5~2个小时，以除去有机溶剂，使碳纳米管附着在不锈钢针尖端表面；最后，用带有粘附性的胶带对涂覆形成的碳纳米管薄膜表面进行数次粘附，进一步除去薄膜表面残留的有机溶剂，同时使得碳纳米管能垂直电极表面分布，得到所述碳纳米管离子发射电极；
步骤4：提高离子风风速
将制得的碳纳米管离子发射电极设置于离子风发生器中，作为离子发射极，在产生离子风的过程中，该碳纳米管离子发射极能够增强离子风的风速。
所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷、氯仿或者二甲基甲酰胺。
一种实施上述方法的装置，该装置包括：绝缘外壳、离子发射极、离子接收极以及高压电源，所述绝缘外壳为圆柱形管状或圆锥形管状，离子发射极与离子接收极设于绝缘外壳内，离子发射极位于绝缘外壳进口端，离子接收极位于绝缘外壳出口端，高压电源设于离子发射极与离子接收极之间；其中，所述离子发射极为碳纳米管离子发射电极。
所述离子发射极包括至少一根针状电极或线状电极；离子接收极为环状电极或网状电极。
所述高压电源为交流高压电或直流高压电，且施加直流高压电时，离子发射极与高压电源正极或者负极连接，离子接收极与地极相接。
本发明的有益效果：在离子发射极表面涂覆碳纳米管材料，并将此碳纳米管发射极作为发射极组装成离子风发生器，在此离子风发生器中，离子风的速度得到了显著的提高，并且所施加的电压明显比使用未涂覆碳纳米管的电压低，减少了电力的消耗。采用该方法和未采用该方法得到的效果对比将在具体实施例中进行展示。
附图说明
图1为本发明实施例1装置结构示意图；
图2为图1中A-A处剖面图；
图3为本发明实施例1风速对比曲线图；
图4为本发明实施例2装置结构示意图；
图5为图4中A-A处剖面图；
图6为本发明实施例2风速对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本发明的方法是在离子风发生器中的离子发射极20尖端表面涂覆一层碳纳米管薄膜，所述涂覆了碳纳米管薄膜的离子发射极20在产生离子风的过程中，由于碳纳米管的引入，可增强离子风的风速。
具体涂覆方法为：
（1）制备有机浆料
将质量比为1︰20的乙基纤维素和松油醇混合后，在一定温度（60-80℃）下充分搅拌，使之混合均匀，形成粘稠、透明的胶体，即为有机浆料；
（2）制备碳纳米管有机浆料
取质量比为1︰8的双壁碳纳米管与上述有机浆料混合，转入研钵中手动充分研磨至碳纳米管和有机浆料混合均匀，且碳纳米管被充分分散（肉眼所见无颗粒），形成碳纳米管有机浆料。
（3）制备碳纳米管离子发射电极
将碳纳米管有机浆料涂覆于不锈钢针（针状电极21）针尖表面，然后将不锈钢针置于温度设定为350℃的马弗炉中进行烘烤1.5小时，以除去有机浆料，从而使碳纳米管成功附着在不锈钢针21尖端表面。最后，对涂覆碳纳米管的针状电极21进行胶带处理，具体操作是用带有粘附性的胶带对涂覆形成的碳纳米管薄膜表面进行数次粘附，进一步除去薄膜表面残留的有机浆料，同时使得碳纳米管能垂直电极表面分布，有利于尖端电子的发射。
参阅图1，本发明提供的一种提高离子风风速的装置，该装置包括绝缘外壳10，绝缘外壳10主体部分为管状，离子风出口端11形状呈锥状，沿离子风形成方向，直径逐渐减小；离子发射极20为一根按上述方法尖端涂覆了双壁碳纳米管的不锈钢针电极21，其剖面图参阅图2，经过涂覆的碳纳米管以薄膜的形式附着在不锈钢电极21上，即图2中211所示的碳纳米管薄膜，将不锈钢电极21固定在绝缘外壳10内的进口端12，并保持不锈钢针21位于绝缘外壳10的轴心位置；离子接收极30为导电环状电极31，固定在绝缘外壳10主体部分靠近出口端，且与地极相接；在所述的离子发射极20和离子接收极30之间连接了一个用于施加高压的高压直流电源40，所述的离子发射极20与高压直流电源40的负极连接；并且所述的离子发射极20与离子接收极30之间的距离是可以调节的。
当在离子发射极20和离子接收极30之间施加一个高压时，具有碳纳米管薄膜211的针状电极21尖端会产生较高的电场强度，靠近离子发射极20的气体分子会在高压电场下被离子化，即中性分子的外层电子在强电场的作用下，脱离分子的束缚，形成带电粒子，沿着电场作定向运动，在电场的作用下，电子将以很快的速度去碰撞其它中性分子，这将会有更多的带电粒子产生，针状电极21附近形成大量离子射流运动，离子射流对周围流体产生强烈的扰动，形成针状电极21向离子接收极30方向的流体运动，即为离子风。在离子风出口端11，用热线风速仪来对形成的离子风风速进行测量记录。
最后，适当调节针状离子发射电极21和环状离子接收电极31之间的距离，将利用上述离子风发生装置在施加高压下测得的离子风风速的实验数据与在同样装置中使用未涂覆碳纳米管的不锈钢针发射极时测得的离子风风速的实验数据进行比较，得到两组用于对比的离子风风速变化曲线，如图3所示。图中A表示涂覆碳纳米管的发射极，B表示未涂覆碳纳米管的发射极，从中可以看出，使用了涂覆碳纳米管的发射极的离子风发生器中所测得的离子风风速比未涂覆碳纳米管的发射极离子风风速有着明显的提高，并且在相同风速的情况下，涂覆碳纳米管的发射极所需要施加的电压明显比未涂覆碳纳米管的发射极低。通过本实施例，本发明用于增强离子风风速的效果非常明显而有效。
实施例2
本发明提供了一种提高离子风风速的方法，包括以下步骤：在离子风发生器中的离子发射极20尖端表面滴附一层碳纳米管薄膜，所述的滴附了碳纳米管薄膜的离子发射极20在产生离子风的过程中，由于碳纳米管材料的引入，使得离子风的风速得以增强。
具体滴附方法为：
（1）制备碳纳米管溶液
取一定质量的多壁碳纳米管溶于一定体积的分析乙醇溶液中进行混合，经过10分钟左右的超声波搅拌之后，碳纳米管充分分散于乙醇溶液中，形成质量浓度为0.1%的碳纳米管溶液。
（2）制备碳纳米管离子发射电极
取适量碳纳米管溶液滴附于不锈钢针（针状电极21）尖端表面，然后将不锈钢针置于温度设定为350℃的马弗炉中进行烘烤1小时，以除去有机溶剂，从而使碳纳米管成功附着在不锈钢针表面，其剖面图参阅图5，经过滴附的碳纳米管分散附着在不锈钢电极21上，即图5中212所示的碳纳米管薄膜,将不锈钢电极21固定在绝缘外壳10内的进口端12，并保持不锈钢针21位于绝缘外壳的轴心位置。最后，对滴附了碳纳米管的针状电极21进行胶带处理，具体操作是用带有粘附性的胶带对滴附形成的碳纳米管进行数次粘附，使得碳纳米管能垂直电极表面分布，有利于针状电极21尖端电子的发射。
参阅图4，本实施例的离子风发生装置与实施例1的区别在于，装置的离子接收极30为网状导电电极32，网状导电电极32位于绝缘外壳10管状部分和锥形部分的交界处，同样与地极相连接。
最后，适当调节针状离子发射电极20和网状离子接收电极32之间的距离，利用本实施例装置在施加高压下测得的离子风风速的实验数据与在同样装置中使用未滴附碳纳米管的不锈钢针发射极时测得的离子风风速的实验数据进行比较，得到两组用于对比的离子风风速变化曲线，如图6所示。图中A表示滴附碳纳米管的发射极，B表示未滴附碳纳米管的发射极，从中可以看出，使用了滴附碳纳米管的发射极的离子风发生器中所测得的离子风风速比未滴附碳纳米管的发射极离子风风速有着明显的提高，并且在相同风速的情况下，滴附碳纳米管的发射极所需要施加的电压明显比未滴附碳纳米管的发射极低。通过本实施例，本发明用于增强离子风风速的效果非常明显而有效。
Claims (8)
1.一种提高离子风风速的方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：
步骤1：制备用于分散碳纳米管的有机浆料
将质量比为1︰15~25的乙基纤维素和松油醇混合后，在60~80℃的水浴条件下充分搅拌，使之混合均匀，形成粘稠、透明的胶体，即为有机浆料；
步骤2：制备碳纳米管有机浆料
取质量比为1︰5~9的碳纳米管与所述有机浆料混合，转入研钵中手动充分研磨0.5~1.5小时至碳纳米管与有机浆料混合均匀，且碳纳米管被充分分散即肉眼所见无颗粒，形成碳纳米管有机浆料；
步骤3：制备碳纳米管离子发射电极
将碳纳米管有机浆料涂覆于不锈钢针即针状电极针尖表面，然后将不锈钢针置于温度设定为200~400℃的马弗炉中进行0.5~2个小时的烘烤，以除去有机浆料，使碳纳米管附着在不锈钢针尖端表面；最后，用带有粘附性的胶带对涂覆形成的碳纳米管薄膜表面进行数次粘附，进一步除去薄膜表面残留的有机浆料，同时使得碳纳米管能垂直电极表面分布，得到所述碳纳米管离子发射电极；
步骤4：提高离子风风速
将制得的碳纳米管离子发射电极设置于离子风发生器中，作为离子发射极，在产生离子风的过程中，该碳纳米管离子发射极能够增强离子风的风速。
2.一种提高离子风风速的方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：
步骤1：确定用于分散碳纳米管的有机溶剂
使用分析纯级别的有机溶剂；
步骤2：制备碳纳米管有机溶液
将质量比为0.1︰50~200碳纳米管和有机溶剂混合，经过超声分散1~2小时，使其充分混合，形成分散均匀的碳纳米管有机溶液；
步骤3：制备碳纳米管离子发射电极
将碳纳米管有机溶液以每秒1~2滴的速度滴至不锈钢针即针状电极针尖表面，在60~100℃的条件下烘烤0.5~2个小时，以除去有机溶剂，使碳纳米管附着在不锈钢针尖端表面；最后，用带有粘附性的胶带对涂覆形成的碳纳米管薄膜表面进行数次粘附，进一步除去薄膜表面残留的有机溶剂，同时使得碳纳米管能垂直电极表面分布，得到所述碳纳米管离子发射电极；
步骤4：提高离子风风速
将制得的碳纳米管离子发射电极设置于离子风发生器中，作为离子发射极，在产生离子风的过程中，该碳纳米管离子发射极能够增强离子风的风速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷、氯仿或者二甲基甲酰胺。
6.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置包括：绝缘外壳、离子发射极、离子接收极以及高压电源，所述绝缘外壳为圆柱形管状或圆锥形管状，离子发射极与离子接收极设于绝缘外壳内，离子发射极位于绝缘外壳进口端，离子接收极位于绝缘外壳出口端，高压电源设于离子发射极与离子接收极之间；其中，所述离子发射极为碳纳米管离子发射电极。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述离子发射极包括至少一根针状电极或线状电极；离子接收极为环状电极或网状电极。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述高压电源为交流高压电或直流高压电，且施加直流高压电时，离子发射极与高压电源正极或者负极连接，离子接收极与地极相接。
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