Математическое моделирование теплообмена при электродуговом синтезе углеродных наноструктур

• Автор: Рындин, Павел Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 141 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Современное состояние вопросов математического моделирования электродугового синтеза углеродных наноструктур
1.1. Углеродные наноструктуры, как объект исследования. Свойства, применение, получение

1.2. Классификация углеродных наноструктур

1.3. Методы синтеза углеродных наноструктур

1.4. Анализ механизмов формирования углеродных нанотрубок.

1.5. Теоретические предпосылки к моделированию процессов электродугового синтеза углеродных наноструктур

1.6. Анализ существующих математических методов описания тепловых процессов

1.7. Цели и задачи исследования

2. Математическое моделирование тепловых процессов электродугового синтеза углеродных наноструктур
2.1. Структурная модель синтеза углеродных наноструктур
2.2. Особенности процесса электродугового синтеза углеродных наноструктур
2.3. Общая постановка задачи теплообмена при электродуговом синтезе углеродных наноструктур
2.4. Математическое моделирование теплообмена в плазме при электродуговом методе получения углеродных наноструктур
2.5. Определение коэффициентов модели теплообмена электродугового синтеза углеродных наноструктур численными методами
2.6. Оценка результатов математического моделирования
3. Анализ результатов математического моделирования условий электродугового синтеза углеродных нанотрубок
3.1. Исследование распределения температуры в плазме
3.2. Исследование процесса разрушения анода и образования кластеров.
3.3. Исследование теплообмена на границе плазма анод
4. Методика и техника эксперимента
4.1. Техника экспериментов
4.2. Методика эксперимента и обработки экспериментальных
данных
5. Практическое использование результатов моделирования
5 Л. Имитационное моделирование теплообмена при электроду го вом
синтезе углеродных наноструктур
5.2. Описание программного комплекса для расчета теплообмена при электродуговом синтезе
Основные выводы по работе Ю
Литература


Автор выражает признательность за помощь в разработке методики математического моделирования процесса электродугового синтеза с учетом двух подвижных границ доктору физико-математических наук, профессору кафедры Высшей математики ГОУ ВПО ВГТА Чернышову Александру Даниловичу, за научные консультации и обсуждение материалов диссертации доктору технических наук, профессору, заведующему кафедрой “Управления качеством и машиностроительных технологий” ГОУ ВПО ВГТА Попову Геннадию Васильевичу. Глава 1. Углеродные наноструктуры, как объект исследования. Свойства и применение. История открытия углеродных нанотрубок тесно связана с получением и детальным исследованием в году фуллеренов [1]. Разработка технологии их получения в макроскопических количествах была удостоена Нобелевской премии по химии в году. Это открытие положило начало исследованиям новых структур углерода, которые представляют собой поверхность, выложенную правильными шестиугольниками с атомами углерода, расположенными в вершинах. Вскоре после создания Кретчмером, Хаффманом и др. I0U [1-9]. Впервые углеродные нанотрубки были получены японским ученым Сумио Иджимой (Sumio Iijima) [3] и описаны в статье журнала Nature в октябре г. Их уникальная электропроводность, прочность, размеры, слоистая структура позволяют предположить, что найден материал, который послужит основным элементом будущих устройств наноэлектроники [,,]. Рис. Первые снимки многослойных углеродных нанотрубок, полученные Ииджимой [3] с помощью электронного микроскопа. В отличии фуллеренов, которые вместе с сажей осаждаются на стенках газоразрядной камеры, углеродные нанотрубки образуются преимущественно на торцевой поверхности катода, обращенной к межэлектродному промежутку. Рис. Идеализированная структура углеродной нанотрубки [2]. Рис. Идеализированная структура фуллерена [6]. Углеродные нанотрубки обладают уникальными электрическими и механическими, физико-химическими свойствами. Первые же исследования показали, что нанотрубки обладают великолепными механическими свойствами. Модуль упругости вдоль продольной оси трубки составляет ГПа, тогда как у легированной стали и наиболее упругого металла иттрия - 0 и 0 ГПа соответственно [2]. Кроме того, однослойные нанотрубки способны упруго удлиняться на %. Чтобы наглядно представить подобное свойство материала у стальной спицы длиной см, вообразим, что она растягивается под нагрузкой на 4. 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. Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. На основе углеродных нанотрубок было создано достаточно большое количество устройств. Одностороннее” прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется для создания выпрямляющего диода - одного из основных элементов электронных схем. Углеродные нанотрубки обладают свойством автоэлектронной эмиссией, поэтому они используются для производства дисплеев и выпрямителей. Так же этот материал используется для производства светодиодов, щупов электронных микроскопов, флэш-памяти и т. Порошки наноматериала предполагается применять в качестве наполнителей полимеров и эластомеров; в системах хранения водорода в качестве материала - аккумулятора; при создании композиционных материалов с радиопоглощающими свойствами, электродов в литиевых батареях; композитных конструкционных материалов; добавок, улучшающие смазывающую способность масел; газораспределительных слоев в топливных элементах; адсорбентов и фильтров [7-,-]. Классификация углеродных наноструктур. Одним из основных параметров, характеризующих нанотрубки, является хиральность. Трубки характеризуются различной хиральностью, т. Идеализированная нанотрубка представляет собой свернутую в цилиндр графитовую плоскость, т. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации задает хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности ее электрические характеристики. Это свойство нанотрубок иллюстрируется на рис.