Разработка и моделирование процесса синтеза углеродных наноматериалов с индукционным нагревом

• Автор: Рухов, Артем Викторович
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 191 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАЦОМАТЕРИАЛОВ.

1.1. РАЗНОВИДНОСТИ МЕТОДОВ СИНТЕЗА УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ УНТ И УНВ.

1.2. ПОЛУЧЕНИЕ УНМ МЕТОДОМ СУБЛИМАЦИИДЕСУБЛИМАЦИИ ГРАФИТА

1.2.1 Электродуговой способ.

1.2.2 Способ лазерного испарения графита

1.2.3 Способ электронноионного испарения углерода

1.2.4 Способ сублимации углерода в плазме.

1.2.5. Способ резистивной сублимациидесублимации графита.

1.3. ПОЛУЧЕНИЕ УНМ МЕТОДОМ ПИРОЛИЗА УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ

1.3.1. Получение УНМ способом пиролиза кислородосодержащих веществ.
1.3.2. Получения УНМ способом пиролиза безкислородных веществ
1.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1
Глава 2. МЕХАНИЗМЫ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА УНМ
2.1. ПРОЦЕСС КАТАЛИТИЧЕСКОГО ПИРОЛИЗА УГЛЕВОДОРОДОВ
2.2. ПРОЦЕСС ВОССТАНОВЛЕНИЯ КАТАЛИЗАТОРА
2.3. ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ.
2.4. ПРОЦЕСС ПЕРЕНОСА УГЛЕВОДОРОДА
2.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2
Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИ СИНТЕЗЕ УНМ.
3.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕНОСА ПРИ СИНТЕЗЕ УНМ .
3.2. ПОЛЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ ГАЗОВОГО ПОТОКА, ДВИЖУЩЕГОСЯ НАД СЛОЕМ КАТАЛИЗАТОРА.
3.3. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПОЛЯ РЕАКЦИОННОЙ ЗОНЫ
3.4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В СЛОЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО КАТАЛИЗАТОРА
3.5. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ ПРЕНОСА ПРИ СИНТЕЗЕ УНМ
3.6. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА УНМ
4.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА УНМ
4.2. КАЧЕСТВЕННЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА УНМ.
4.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА УНМ С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ
4.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СИНТЕЗА УНМ С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ
4.4.1. Экспериментальное оборудование.
4.4.2. Исследование влияния дисперсного состава носителя катализатора
4.4.3. Исследование влияния концентрации водорода в исходной газовой
4.4.4 Исследование влияния концентрации углеводорода в исходной
газовой смеси
4.4.5. Экспериментальное исследование кинетики процесса синтеза УНМ
4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.
Глава 5. РАЗРАБОТКА ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОСНОВНОГО РЕАКЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СИНТЕЗА УНМ
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Подводящий участок анода 2 выполнен с осесимметричным несквозным каналом 6, у окончания которого выполнено несколько радиальных отверстий 7 для истечения инертного газа в камеру 5 со стороны рабочего участка. С другой стороны подводящий участок соединен трубопроводом 4 с устройством охлаждения инертного газа. Рабочий участок анода 2 расположен с зазором внутри нагревательного элемента 3, выполненного в виде кольцевого индуктора токов высокой частоты. Углеродные нанотрубки получают в дуговом разряде между катодом 1 и анодом 2. С отбирают инертный газ в охлаждающее устройство, затем подают его обратно в канал 6 для охлаждения подводящего участка анода 2. Данный способ синтеза позволяет увеличить содержание углеродных нанотрубок в катодном депозите за счет расширения и регулирования зоны действия температур, характерных для первой ионизации углерода. Рис. Для увеличения качества получаемых УНТ был предложен электроду-говой способ синтеза в жидком азоте []. По результатам исследований [, ] установлено множество факторов, влияющих на стабильность протекания электродугового процесса синтеза УНТ, это: напряжение, сила и плотность тока, температура плазмы, общее давление в системе, свойства и скорость подачи инертного газа, размеры реакционной камеры, длительность синтеза, наличие и геометрия охлаждающих устройств, природа и чистота материала электродов, соотношение их геометрических размеров, а также ряд параметров, которым трудно дать количественную оценку в процессе синтеза, например скорость охлаждения углеродных паров, геометрия частиц металлического катализатора и др. Выводы. Данный метод является экономически оправданным при синтезе бездефектных ОУНТ в малых количествах. Основными потребителями данного материала являются предприятия наноэлектроники и научные центры. В г. P.E. Смолли [, 1, работавшая в университете им. Райса (США), сообщила о синтезе УНТ лазерным испарением (абляцией). Общая схема использованной установки представлена на рис. Рис. Ранее данный способ использовался для выделения фуллеренов. Суть способа синтеза УНТ состоит в следующем. Нагретая в резистивной иечи до температуры °С графитовая мишень непрерывным или импульсным лазером испарялась в среде инертного газа. Окружающий холодный поток инертного газа создает благоприятные условия для быстрого охлаждения углеродного пара с образованием нанотрубок []. В качестве инертного газа, как правило, используется гелий или аргон. Па []. Введение в графитовые мишени небольшого количества катализатора (ТЛ-Со в отношении 1:1) позволило получить с высоким выходом жгуты ОУНТ []. Было установлено, что увеличение мощности импульсного лазерного излучения позволяет в определенном диапазоне управлять диаметром получаемых УНТ []. Механизм участия катализатора в синтезе УНТ при лазерном испарении представляется в следующем. Катализаторы после испарения также начинают конденсироваться, но более медленно, и, присоединяясь к углеродным молекулам, предотвращают их закрытие. Из начальных скоплений молекул углерода образовывались УНТ, процесс продолжается до тех пор, пока частицы катализатора не становились слишком большими или пока не охлаждались достаточно, чтобы углерод больше не мог диффундировать через объем и/или по поверхности частиц катализатора. Кроме того, возможно, что частицы катализатора покрывались слоем аморфного углерода и не могли больше абсорбировать его, и рост УНТ так же останавливался []. УНТ; около % аморфного углерода; . Со и N0; 1 . На эффективность данного метода значительно влияет состав катализатора. Чаще всего применяются биметаллические смеси (]чЧ-Со, №-Ре, Со-Тс, РсНРО. Получены положительные результаты экспериментов синтеза ОУНТ при пониженных температурах (~ 0. С) с применением N1 и Рй-Со катализаторов и предложен способ промышленной реализации []. Группой исследователей проводилась работа по легированию графитовых мишеней катализатором никсльюксид иттрия при атомном соотношении никелыиттрий, равном 4-:1, и при содержании катализатора в композитной мишени 1.