Математическое моделирование магнитогидродинамических нестационарных процессов электродугового синтеза углеродных нанотрубок

• Автор: Ершов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 163 с. : ил.

Содержание

1. Современное,состояние вопросов математического моделирования

электродугового синтеза углеродных нанотрубок д

1.1. Углеродные нанотрубки, как объект исследования. Свойства, применение, получение

1.2. Методы синтеза углеродных ианотрубок

1.3. Анализ механизмов формирования углеродных нанотрубок

1.4. Анализ существующих математических методов описания плазменных процессов

1.5. Цели и задачи исследования

2. Математическое моделирование магнитогидродинамических процессов электродугового синтеза углеродных нанотрубок 4

2.1. Общая постановка задачи

2.2. Методика построения модели электродугового синтеза углеродных нанотрубок конечноразностным методом
2.3. Методика построения модели электродугового синтеза углеродных нанотрубок методом разложения искомых функций в ряды
2.4. Оценка результатов математического моделирования
3. Анализ результатов математического моделирования условий элек тродугового синтеза углеродных нанотрубок
3.1. Исследование процесса оптимизации при моделировании
3.2. Исследование динамических характеристик основных параметров движения
3.3. Исследование основных параметров движения
3.4. Исследование влияния изменения внешних параметров модели на
характеристические параметры
4. Методика и техника эксперимента
4.1. Техника экспериментов
4.2. Методика эксперимента и обработки экспериментальных
данных
5. Практическое использование результатов моделирования
5.1. Описание программного комплекса для расчета параметров движения ионов углерода при электродуговом синтезе
5.2. Предлагаемые способ и устройство получения углеродных нанотрубок
Основные выводы по работе
Литература


Нанотрубки первого типа могут быть получены в виде одномерной структуры в результате свёртывания графитовой поверхности в трубку (рис. Диаметр трубки и угол свёртывания (или шаг свёртывания) обычно характеризуются вектором свёртывания С = па| + та2=(п, гп), кристаллографическим аналогом элементарной ячейки для двумерного графитового листа, из которого выкраивается единичный повторяющийся кусочек нанотрубки. Рис. Схематическое представление графитовой плоскости, иллюстрирующее решёточные векторы и вектор свёртывания С. Здесь а | и а 2— базисные векторы графитовой гексагональной ячейки, ап и m — целые числа. Свёртывание производится так, чтобы начало и конец вектора С совместились. В пределе нехиральных случаев свёртывание происходит по линии зигзаг (при m = 0 ) и по линии ковшик с ручкой (её ещё называют подлокотник кресла — armchair) при m = п. Эти направления на рисунке изображены пунктирными линиями. Вектор трансляции Т вдоль продольной оси нанотрубки перпендикулярен С, его величина показывает, на каком расстоянии вдоль оси структура воспроизводится. Площадь свёртывания, заключённая между Т и С (закрашена цветом), соответствует единичному кусочку нанотрубки, который многократно повторяется вдоль продольной оси. Таким образом, зная Э, можно найти хиральность (соотношение т и п). Между индексами хиральности (т, п) и углом свёртывания а существует определённая связь. Многослойные нанотрубки отличаются от однослойных большим разнообразием форм и конфигураций. Поперечная структура у них имеет две разновидности, рис. I . Вторая напоминает скатанный рулон или свиток. Для рассмотренных структур среднее расстояние между соседними слоями, как и в графите, составляет 0. Благодаря своим уникальным свойствам (высокая прочность ( ГПа), сверхпроводимость, капиллярные, оптические, магнитные свойства и т. Более чем полтора десятилетия углеродные нанотрубки, несмотря на свои впечатляющие эксплуатационные свойства, использовались, в большинстве случаев, для научных исследований. Эти материалы не смогли пока занять прочные позиции на рынке, в основном, из-за проблем с их масштабным производством и неконкурентоспособными ценами (средняя цена нанотрубок в настоящее время составляет около 0 долл. Рис. Модели поперечного сечения МНОГОСЛОЙНЫХ нанотрубок [2,3]. ДА! Рис. В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются спортивные товары (углеродные нанотрубки входят в состав композитов, из которых они изготавливаются), электроника и автомобилестроение (здесь нанотрубки используются для придания полимерам антистатических и проводящих свойств). Первые же исследования показали, что нанотрубки обладают великолепными механическими и электрическими свойствами (табл. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки составляет ГПа, тогда как у легированной стали и наиболее упругого металла иттрия — 0 и 0 ГПа соответственно. Кроме того, однослойные нанотрубки способны упруго удлиняться на %. Такое свойство называется сверхупругостью. Из сверхупругой нанотрубки можно сделать зонд для электрических измерений: при превышении некоторого усилия он будет изгибаться упруго, обеспечивая тем самым хороший контакт с поверхностью. Характерный размер Диаметр от 0. Плотность 1. Плотность алюминия 2. Наиболее типична для многослойных нанотрубок структура русской матрёшки, когда трубки меньшего размера вложены в более крупные. Эксперименты сейчас достигли такого изящества, что с помощью специального манипулятора можно вытянуть внутренние слои, оставив внешние слои фиксированными (см. Нанотрубка удлиняется подобно телескопической антенне или удочке, приобретая коническую, со ступеньками, форму. Рис. Создание телескопической налотрубной системы: а) исходная нанотрубка; б) нанотрубка после удаления внешних слоев на вершине; в) нанотрубка с манипулятором; г) движение манипулятора вызывает обратимое перемещение внутренних слоев нанотрубки относительно наружных; д) отсоединение манипулятора от нанотрубки приводит к возврату внутренних слоев нанотрубки в исходное положение.