Экспериментальное определение тепловых эффектов при распаде углеродо- содержащих молекул и формировании углеродных наночастиц за ударной волной

• Автор: Макеич, Александр Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 106 с. : ил.

1 Введение

1.1 Актуальность темы исследований

1.2 Обзор литературы по образованию углеродных наночастиц при пиролизе углеродосодержащих соединений

1.2.1 Описание моделей образования углеродных наночастиц из углеводородов

1.2.2 Температурная зависимость оптической плотности

1.2.3 Сдвиг температуры первого колокола

1.2.4 Термодинамика процесса пиролиза

1.2.5 Особенности роста углеродных частиц в С3О2

1.3 Обзор литературы по оптическим методам измерения температуры

1.3.1 Описание методов по определению температуры газовых смесей

1.3.2 Описание методов по определению температуры газо-кластерных смесей

1.3.3 Выбор метода измерения температуры для
условий данного исследования
2 Экспериментальное оборудование и методика измерений
2.1 Ударная труба
2.2 Теория метода обращения спектральных линий
2.3 Описание методики обращения спектральных линий
2.4 Тестовые эксперименты в смеси 5%С02+Аг
2.5 Тестовые эксперименты в смеси СС14+Аг
2.6 Тестовые эксперименты в смеси с 10%СО
3 Исследование тепловых процессов при пиролизе
С302 и формировании углеродных наночастиц
3.1 Первичные экспериментальные данные
3.2 Температурный эффект пиролиза С3О2 и образования углеродных наночастиц
3.3 Кинетические данные
3.4 Численное моделирование
3.5 Определение общего тепловыделения
3.6 Определение тепловыделения при росте частиц
3.7 Выводы

4 Определение тепловых эффектов при пиролизе
хлоруглеродов (ССІ4 и С2С14) и образовании углеродных наночастиц
4.1 Тепловые эффекты пиролиза ССІ4
4.1.1 Первичные экспериментальные данные
4.1.2 Температурный эффект пиролиза ССІ4 и
образования углеродных наночастиц
4.1.3 Температурная зависимость оптической
плотности
4.2 Тепловые эффекты пиролиза С2С14
4.2.1 Первичные экспериментальные данные
4.2.2 Температурный эффект пиролиза С2СІ4 и образования углеродных наночастиц
4.2.3 Температурная зависимость оптической
плотности
4.3 Опенка химического состава продуктов реакций
4.4 Выводы
5 Исследование тепловых процессов при пиролизе
С6Н6 и формировании углеродных наночастиц
5.1 Первичные экспериментальные данные
5.2 Температурный эффект пиролиза СбНб и образования углеродных наночастиц
5.3 Определение общего теплового эффекта в процессе пиролиза С6Н6 и формировании углеродных наночастиц
5.4 Температурная зависимость оптической плотности
5.5 Обобщение температурной зависимости выхода частиц
6 Заключение и выводы
Литература

Глава
1.1 Актуальность темы исследований.
Формирование углеродных частиц в высокотемпературных газовых реакциях является сложным физико-химическим процессом. Растущие частицы имеют различный размер и структуру, а кинетика их формирования достаточно сложна. Исследования этих явлений проведены в огромном количестве работ. Большая часть из них посвящена образованию сажевых частиц в пламенах и при пиролизе углеводородов. Для интерпретации особенностей происходящих процессов предложены различные гипотезы [1-3], которые постоянно обсуждаются и развиваются.
В связи с бурным развитием нанотехнологий особый интерес вызывает возможность получения углеродных наночастиц с заданными свойствами (фуллерены, нанотрубки, карбины и ультра-дисперсные алмазы) при высокотемпературных газовых реакциях. Все эти процессы до сих пор еще не достаточно изучены. Для того, чтобы получить более общее представление об этом многообразном явлении необходимо проводить дальнейшие экспериментальные исследования процессов образования кластеров углерода, наиболее полно исследовать механизмы роста кластеров в зависимости от источника исходных молекул и окружающих условий. Процесс пиролиза исходных молекул является эндотермическим, в результате чего падение температуры смеси по сравнению с начальной может достигать сотен градусов. Такие изменения температуры могут существенно сказаться на кинетике процесса и должны учитываться при интерпретации полученных данных. Поэтому, один из важнейших факторов, который нужно знать - это истинная температура, при которой происходит формирование наночастиц.

по всей видимости, тепловые эффекты распада молекул С302 и образования углеродных частиц компенсируют друг друга, в результате чего температура газовой смеси практически не меняется. При расчетной температуре Т3=1743 К (рис. 3.1В) сигналы экстинкции выглядят похожим образом, но измеренная температура показывает значение близкое расчётному Т3 только первые ЮОмкс за отраженной ударной волной. В момент времени 1=150 мкс начинается резкий рост температуры, который достигает 100 К, при этом экстинкции в видимом и ИК диапазоне значительно увеличиваются. При Т5=1985К сигналы экстинкции показывают быстрый рост частиц. При этом, измеренная температура сразу же имеет значение приблизительно на 270 К выше, чем расчетная.
1 /100 мкс 1/100мкс 1/100 мкс 1/ЮОмкс
Рис. 3.1 Примеры записанных в эксперименте сигналов экстинкции и эмиссии, а также временных профилей температуры, полученных в смесях 5%С02+Аг (А) и 3%С302+5%С02+Аг (Б-Г).