離子風(fēng)的流動特點(diǎn)、攜帶帶電粒子等屬性，決定了其在不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。例如在食品干燥領(lǐng)域，離子風(fēng)可以加速食物表面水分的蒸發(fā)，從而延長食品的保存時(shí)間；在溫度控制領(lǐng)域，利用離子風(fēng)的流體性質(zhì)可以帶走周圍的熱量，從而強(qiáng)化電子設(shè)備和元器件的空氣對流散熱；在推進(jìn)領(lǐng)域，離子風(fēng)可以控制邊界層流體，抑制機(jī)翼氣流分離，從而降低飛行時(shí)的空氣阻力，提升飛行器的升力；在助燃領(lǐng)域，離子風(fēng)可以帶入放電過程中產(chǎn)生的活性粒子，促進(jìn)燃料燃燒，提高燃燒效率；在空氣凈化領(lǐng)域，離子風(fēng)所攜帶的電粒子與空氣中的顆粒和微生物充分混合后，可凝聚顆粒，殺死微生物。

離子風(fēng)所具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使其的應(yīng)用范圍非常廣泛，應(yīng)用前景光明。離子風(fēng)在很多領(lǐng)域還在實(shí)驗(yàn)階段，并且一些關(guān)鍵問題還有待解決。離子風(fēng)產(chǎn)生的方式主要有電暈放電和表面介質(zhì)阻擋放電（Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD）。

基于電暈放電和SDBD的離子風(fēng)發(fā)生裝置都是帶電粒子在電場作用下與空氣分子發(fā)生碰撞，進(jìn)行動量交換從而產(chǎn)生離子風(fēng)。針對離子風(fēng)在各個(gè)領(lǐng)域中存在的問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對離子風(fēng)激勵(lì)器提出了一些改進(jìn)策略，以求在各領(lǐng)域內(nèi)最大化離子風(fēng)的作用效果。

1 抑制有害副產(chǎn)物產(chǎn)生

氣體放電產(chǎn)生的副產(chǎn)物會引起食品在一定程度上的變質(zhì)，并且在空氣凈化過程中，若副產(chǎn)物得不到有效抑制，會造成二次污染。為了抑制副產(chǎn)物的影響，可以在離子風(fēng)激勵(lì)器上安裝紫外線照射器，抑制臭氧的產(chǎn)生。還可以采用恒流式電源供電，適當(dāng)加大高壓電極與地電極的距離，提高空氣濕度。光學(xué)催化劑的使用，如二氧化鈦(TiO2)、三氧化鎢(WO3)等的催化作用也可以有效抑制臭氧等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。

?2 提高離子風(fēng)強(qiáng)度

離子風(fēng)強(qiáng)度的提高，可以提升傳熱系數(shù)和推力的大小。提高離子風(fēng)強(qiáng)度的方法大致有兩類：一是使用多發(fā)射極并聯(lián)，提高流量；二是增加擴(kuò)展電極，延長電場線。S. J. Lee等采用集成式針-環(huán)電暈放電陣列結(jié)構(gòu)，并且在高壓電極與地電極之間引入屏蔽層，消除單元射流之間的影響，從而提高了離子風(fēng)的強(qiáng)度。針-環(huán)電極微型陣列如圖1所示。

圖1 針-環(huán)電極微型陣列

近年來，不少學(xué)者通過增加擴(kuò)展電極來提高離子風(fēng)強(qiáng)度，如圖2所示，Tirumala等通過增加擴(kuò)展電極，既可以增加遷移區(qū)的長度，提高離子風(fēng)的強(qiáng)度，同時(shí)可以分擔(dān)部分電流，降低了起暈電壓。

圖3所示為DBD離子風(fēng)激勵(lì)器通過增加電極數(shù)量來提高離子風(fēng)強(qiáng)度。圖3a是R. Erfani等向電介質(zhì)中嵌入第三電極的結(jié)構(gòu)，離子風(fēng)風(fēng)速與標(biāo)準(zhǔn)DBD離子風(fēng)激勵(lì)器相比提高了91.2%，功耗卻比標(biāo)準(zhǔn)DBD離子風(fēng)激勵(lì)器低。如圖3b所示，K. Yoshida等采用環(huán)形輔助電極提高DBD產(chǎn)生離子風(fēng)的強(qiáng)度，與沒有輔助電極時(shí)產(chǎn)生的離子風(fēng)相比，風(fēng)速從1.6m/s提高到3.7m/s，離子風(fēng)轉(zhuǎn)化率提高了30倍。

上述研究只是單純地添加電極來強(qiáng)化離子風(fēng)，而劉文正等采用交直流電極耦合的方法，在直流電極與交流電極之間引入第三電極，并接入直流電源。如圖3c所示，這種結(jié)構(gòu)提高了空間電荷密度，從而提高了離子風(fēng)的強(qiáng)度。在未來強(qiáng)化離子風(fēng)的研究中，可以綜合考慮電極的數(shù)目、排列方式和供電方式來提升離子風(fēng)的強(qiáng)度。

圖2 擴(kuò)展電極強(qiáng)化離子風(fēng)的裝置示意圖

圖3 DBD離子風(fēng)激勵(lì)器改進(jìn)示意圖

?3 消除帶電粒子的影響

在使用離子風(fēng)對集成電路的電子元件冷卻時(shí)，由于離子風(fēng)攜帶的帶電粒子在壁面上的沉積，可能會導(dǎo)致絕緣下降，還會對電子設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。為了消除帶電粒子的影響，可以采用雙極性電極產(chǎn)生離子風(fēng)。

圖4a是Van T. D.等采用雙極性針電極產(chǎn)生中性離子風(fēng)，這是因?yàn)椴煌瑯O性的帶電粒子自中和，消除離子風(fēng)的帶電性。雖然這種方式可以消除帶電粒子的影響，但離子風(fēng)強(qiáng)度較低。因此為了提高雙極性離子風(fēng)的強(qiáng)度，Wang Ronggang等在兩個(gè)針之間加SiO2電介質(zhì)，在出口設(shè)置接地電極環(huán)，圖4b所示裝置產(chǎn)生的離子風(fēng)強(qiáng)度可以達(dá)到普通雙針電極的5倍。

圖4 雙極性離子風(fēng)激勵(lì)器

?4 裝置小型化

電子設(shè)備微型化的發(fā)展趨勢，限制了其冷卻裝置的體積，因此離子風(fēng)裝置小型化也成為近年來離子風(fēng)激勵(lì)器的發(fā)展趨勢之一。C. P. Hsu等采用硅晶體制備了微型懸臂式電暈放電離子風(fēng)激勵(lì)器冷卻加熱板，電極間距4~5mm，電壓為8.5kV時(shí)，溫度降可達(dá)25℃，證明了離子風(fēng)激勵(lì)器小型化的可行性。

Jewell-Larsen等采用線-板式電極結(jié)構(gòu)，電極間距2~6mm，最大流量可達(dá)100L/min。A. O. Ong等采用的線-網(wǎng)電極集成式離子風(fēng)激勵(lì)器，電極間距可達(dá)到0.5mm，對CPU進(jìn)行冷卻具有比傳統(tǒng)風(fēng)扇更好的冷卻效果，如圖5所示。

通過減小電極間距，既可以實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)激勵(lì)器的小型化，又可以在一定程度上提高離子風(fēng)的強(qiáng)度，但林岑等的不同電極形式的離子風(fēng)散熱效果實(shí)驗(yàn)表明，通過減小間距提升離子風(fēng)強(qiáng)度需要綜合考慮電極形式，否則可能導(dǎo)致離子風(fēng)的應(yīng)用效果降低。

圖5 線-網(wǎng)電極陣列離子風(fēng)激勵(lì)器

上述研究都是通過減小電極間距來實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)泵的微型化，也可以從供電方式上實(shí)現(xiàn)激勵(lì)器的小型化。圖6是交流供電的兩種離子風(fēng)激勵(lì)器，圖6a是A. M. Drews等在針-環(huán)電極之間施加交流電產(chǎn)生離子風(fēng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，供電頻率較高時(shí)，離子風(fēng)的強(qiáng)度與電極間距無關(guān)。這一研究結(jié)果為將來將離子風(fēng)激勵(lì)器作為集成電路的冷卻方式提供了思路。

圖6b所示為V. T. Dau等對雙針電極施加交流電，這種結(jié)構(gòu)沒有地電極，一定程度上減小了激勵(lì)器的體積，并且這種雙針結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生中性的離子風(fēng)，消除帶電粒子的影響。電極形狀、材料對離子風(fēng)是否存在影響也需要進(jìn)一步研究。

圖6 交流離子風(fēng)激勵(lì)器

?5 降低電壓等級

氣體放電所需的高電壓一定程度上提高了離子風(fēng)的使用條件，因此在盡可能不降低離子風(fēng)強(qiáng)度的前提下，降低放電電壓等級，對擴(kuò)大離子風(fēng)的應(yīng)用范圍意義重大。目前已有不少學(xué)者提出了低壓離子風(fēng)方案。

Tirumala等采用的針—初始電極—擴(kuò)展電極，可以有效降低起暈電壓。也可采用新型供電單元，如圖7所示，M. J. Johnson等使用壓電變壓器為電暈電極產(chǎn)生離子風(fēng)。壓電晶體既可以作為發(fā)射極也可以作為收集極，作為收集極時(shí)，最低電壓可降低至7V，可產(chǎn)生離子風(fēng)的風(fēng)速大約為0.3m/s，作為發(fā)射極時(shí)，離子風(fēng)的風(fēng)速最大可達(dá)到0.8m/s。同樣也可以考慮使用熱電或光電變壓器作為供電單元產(chǎn)生離子風(fēng)。

改變供電方式也可以在一定程度上降低電壓等級，如圖8所示，S. Sato等使用多電極DBD結(jié)構(gòu)，并采用DC疊加脈沖驅(qū)動的方式，有效降低了離子風(fēng)驅(qū)動電壓。

上述研究從電極數(shù)量、電極材料和供電方式等方面降低產(chǎn)生離子風(fēng)所需電壓，也可以從電極間距、電極的排列方式等角度降低電壓，但不同電極形式的運(yùn)行工況不同，需要進(jìn)一步探究。

圖7 壓電晶體做收集極和發(fā)射極示意圖

圖8 多電極DBD離子風(fēng)激勵(lì)器

?6 防止電極腐蝕

離子風(fēng)激勵(lì)器的電極腐蝕問題直接關(guān)系到裝置的使用壽命和維護(hù)成本，所以尋找新的電極材料是離子風(fēng)研究領(lǐng)域的迫切問題之一?，F(xiàn)有的離子風(fēng)激勵(lì)器采用的電極大多是不銹鋼、銅電極。當(dāng)離子風(fēng)激勵(lì)器產(chǎn)生離子風(fēng)時(shí)，電極附近發(fā)生的復(fù)雜碰撞電離，會電離出能腐蝕電極的化學(xué)物質(zhì)。

防止電極腐蝕一般有兩種方法：①使用抗腐蝕且導(dǎo)電良好的材料，例如C. P. Hsu等和C. G. Noll等使用的硅、鍺針電極都具有很好的抗腐蝕性；M. J. Johnson等采用的壓電晶體和劉文正等采用的碳纖維電極也有著較強(qiáng)的抗腐蝕性。②在高壓電極上覆蓋抗腐蝕涂層，Ye Jianchun等在高壓電極上覆蓋TiO2/CNT涂層既可以起到抗腐蝕的作用，同時(shí)又提高了離子風(fēng)的風(fēng)速。

除了上述方法外，也可以采用合金作為電極材料。電極材料摻雜比例、加工方式可作為離子風(fēng)激勵(lì)器電極的優(yōu)化方向之一。

?以上研究成果發(fā)表在2021年第13期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“離子風(fēng)的應(yīng)用研究進(jìn)展”，作者為張明、李丁晨 等。