Математическое моделирование и оптимизация процесса получения углеродных нанотрубок : Нановолокон

• Автор: Ненаглядкин, Илья Сергеевич
• Шифр специальности: 05.17.08, 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 174 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Виды углеродных структур.

1.2. Свойства и потенциальные области применения углеродных нанотрубок

1.2.1. Применение в композитах

1.2.2. Применение в электронной технике

1.2.3. Другие области применения

1.3. Методы получения углеродных нанотрубок

1.3.1. Дуговой синтез

1.3.2. Лазерный синтез
1.3.3. Каталитический пиролиз
1.3.4. Прочие методы
1.4. Механизмы образования и роста нанотрубок
1.5. Математическое моделирование синтеза углеродных нанотрубок, получаемых методом каталитического пиролиза углеводородов
1.6. Постановка задач исследований
Глава 2. Экспериментальные исследования образования углеродных нанотрубок нановолокон при каталитическом пиролизе метана
2.1. Исследование кинетики образования углеродных нанотрубок из метана
2.1.1. Экспериментальная установка для изучения кинетики образования углеродных нанотрубок
2.1.2. Используемые катализаторы
2.1.3. Методика проведения работы
2.1.4. Результаты исследований кинетики образования нановолокнистого углерода в реакторе периодического действия
2.2. Исследования образования углеродных нанотрубок из метана в реакторе непрерывного действия
2.2.1. Схема непрсрывнодействующего реактора синтеза нановолокнистого углерода из метана
2.2.2. Результаты исследований образования углеродных нанотрубок в непрерывнодействующем реакторе
Глава 3. Математическое моделирование кинетики каталитического пиролиза метана с образованем углеродных нанотрубок
3.1. Уравнения математической модели образования нановолокнистого углерода при каталитическом пиролизе метана
3.2. Построение кинетической схемы пиролиза метана на катализаторе с образованием углеродных нанотрубок
3.3. Определение кинетических параметров математической модели
3.4. Результаты математического моделирования периодического реактора каталитического пиролиза метана
Глава 4. Математическое моделирование и оптимизация непрерывнодействующего реактора каталитического пиролиза метана
4.1. Уравнения математической модели непрсрывнодействующего реактора синтеза нановолокнистого углерода из метана
4.2. Решение уравнений математической модели
4.3. Результаты математического моделирования реактора
4.4. Оптимизация реактора каталитического пиролиза метана с движущимся слоем катализатора
Глава 5. Технологическая схема производства углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза метана
5.1. Описание технологической схемы
5.2. Основные материальные потоки технологической схемы
Заключение
Список литературы


Различные виды гибридизации углерода а Бргибридизация, б Бр2гибридизация, в Бр3гибридизация. Благодаря такому разнообразию видов гибридизации углеродных атомов, существует ряд модификаций углерода, имеющих различное строение. Алмаз существует в кубической и гексагональной форме. В наиболее часто встречающейся кубической форме рис. СС 1,4 А 1. Это примерно на больше, чем у графита. Однако атомная плотность 1, см3 у алмаза на выше, чем у графита. Физические свойства алмаза определяются его структурой. Алмаз широкозонный полупроводник 5, эВ, самый твердый материал в природе и имеет самую высокую атомную плотность. Рис. Различные формы алмаза а кубическая, б гексагональная. Втсм К1 и наивысшей температурой плавления К. Длина углеродной связи у гексагонального алмаза рис. А 2. Плотность двух типов алмаза равна 3, гсм3. В графите атомы углерода располагаются слоями в виде сот, в которых атомы связаны между собой Бр2 стсвязями и делокализованной лсвязью. Наиболее часто встречается форма графита, в которой слои располагаются в последовательности вида АБАБ. В пределах одной плоскости расстояние между соседними атомами углерода составляет 1,1 А , а межилоскостное расстояние равно 3,4 А. Рис. Гексагональная структура графита с укладкой типа АБАБ. Существует также менее распространенная форма графита ромбоэдрическая, при которой графеновые плоскости располагаются в последовательности вида АБВАБВ Межплоскостное расстояние у этой формы графита несколько выше 3,8 А. Укладка типа АБ более стабильна, нежели ромбоэдрическая. Плотность обоих видов графита 2. Связь графеновых плоскостей друг с другом осуществляется посредством перекрытия тторбиталей углеродных атомов соседних слоев, а не за счет вандерваальсовых сил 3, в результате чего эта связь получается слабой. Описанная структура характерна для монокристалла графита. Структура этих областей может приближаться к идеальной решетке графита или отличаться от нее за счет искажений как внутри слоев, так и за счет неправильностей их чередования. Такие области упорядоченности называются кристаллитами и имеют собственные геометрические характеристики средний диаметр, средняя высота кристаллит и среднее расстояние между слоями в кристаллите. Эти величины определяются с помощью рентгенографического анализа. Кроме того, в реальных графитовых телах имеется некоторое количество неупорядоченных атомов аморфный углерод, занимающих пространство между кристаллитами или внедренных между слоями. Эти атомы могут находиться в Бр, ер2 или эргибридном состоянии. Фуллерены. Экспериментальные и теоретические работы показали, что наиболее стабильной формой углеродных кластеров являются линейные цепи для кластеров, содержащих до атомов углерода 4. Для кластеров, включающих от до атомов наиболее устойчива форма кольца 5. Существование кластеров с числом углеродных атомов маловероятно, а кластеры из более атомов образуют шароподобные каркасные структуры, называемые фуллеренами. Особенно устойчивой формой обладает С рис. Крото с сотр. Рис. Среднее расстояние между атомами углерода составляет 1, А, что почти равно межатомному расстоянию в графите. Каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами зр2подобной связью. Изгиб этих связей в структуре Сбо приводит возникновению некоторого числа 8р3связей, характерных для тетраэдрической структуры алмаза, но отсутствующих в графите 7. Другими стабильными фуллеренами являются С, С, Сзо и т. Углеродные наиотрубки образуются в результате свертывания полос плоской атомной сетки графита в бесшовные цилиндры диаметром от 1 до нм и длиной до сотен микрометров. Одним из основных параметров, характеризующих НТ, является хиральность, т. Существует три формы НТ ахиральные типа кресла две стороны каждого шестиугольника ориентированы перпендикулярно оси НТ, ахиральные типа зигзага две стороны каждого шестиугольника ориентированы параллельно оси НТ и хиральные, или спиралевидные каждая пара сторон шестиугольников расположена к оси НТ под углом, отличным от 0 и . Рис. Схематическое изображение, поясняющее строение НТ.