Математическое моделирование фазовых превращений при электродуговом синтезе углеродных нанотрубок

• Автор: Попов, Глеб Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Содержание
Введение
1. Современное состояние математического моделирования электродугового процесса получения углеродных нанотрубок и пути повышения эффективности производства
1.1 Углеродные нанотрубки. Структура, свойства, применения
1.2. Производство углеродных нанотрубок
1.3. Анализ существующих математических методов описания процесса электродугового синтеза
1.4. Цели и задачи исследования
2. Математическое моделирование процесса электродугового синтеза с учетом фазовых переходов
2.1. Мотивация к моделированию
2.2. Общая постановка задачи
2.3 Исходные упавнения модели испарения анода
2.4. Модель испарения анода
2.5 Исходные уравнения модели движения плазмы
2.6 Методика моделирования движения плазмы. Итоговая модель
2.7 Качественная оценка адекватности полученных моделей

3. Анализ результатов математического моделирования
3.1 . Анализ метода пристрелки
3.2 Количественная оценка адекватности моделирования
3.3 Анализ результатов расчета
4. Методика и техника эксперимента
4.1. Техника экспериментов
4.2. Методика эксперимента и обработки экспериментальных данных
5. Практическая реализация результатов моделирования
5.1. Методика инженерного расчета процесса электродугового синтеза и программа для ее реализации
5.2 Система управления электродуговым синтезом
Основные выводы по работе
Литература
Приложения

Введение
Актуальность работы. Стремительное развитие нанотехнологий в последние 20 лет базируется на создании новых материалов. Особое место в этом ряду занимают углеродные нанотрубки (УНТ), которые в силу особой структуры обладают широким спектром уникальных свойств. Высокая температуропроводность, электрическая проводимость, прочностные характеристики формируют спрос на этот материал не только в научных кругах, но и в промышленности.
В настоящее время ведется множество исследований посвященных вопросам применения УНТ и способам их синтеза.
Общемировое производство УНТ на 2009 г. составило всего 500 т. Основными причинами малого объема выпуска являются несовершенство установок синтеза и недостаточная воспроизводимость процесса.
Создание промышленных технологий и оборудования ведется зачастую
эмпирическим путем.
Очевидно, что идентификация процессов образования фаз в установках синтеза и закономерностей их формирования определяет эффективность промышленной технологии с точки зрения производительности и имеет определяющее значение для вопросов успешного проектирования технологий, оборудования и систем управления.
Условия синтеза характеризуются высокой температурой (4000-7000 К) и быстротечностью процесса. В связи с этим перспективным направлением изучения происходящих при синтезе процессов является теоретическое описание проблемы на основе фундаментальных законов физики, химии физической химии с применением методов математического моделирования.
Известные работы авторов Н. А. Поклонского А. Г. Николаева, Р. Дубровского, А. М. Попова, Г. Н. Чурилова, Л. С. Полака, Т. У. ЕЬЬеэеп и др. создают предпосылки для более полного описания условий синтеза, но не от-

Практическое применение кинетическая теория находит в расчетах магнитных ловушек, описании волновых и резонансных процессов в плазме, в частности т.н. ленгмюровских волн [71-74].
Магнитно-гидродинамическая (МГД) теория рассматривает плазму с позиций сплошной среды, в которой могут протекать токи. Областью исследования данного метода описания плазмы являются разреженные плазмы и газы (магнитная газодинамика), плазмы высоких плотностей с и>1014см“3, проводящие жидкости.
Система уравнений магнитной гидродинамики включает уравнения гидродинамики, электродинамики Максвелла, начальные и граничные условия. Также система включает уравнение связи плотности тока и скорости, уравнения состояния среды.
Граничные и начальные условия, дополняющие систему, состоят из известных гидродинамических условий [72,74,75] («прилипание» сплошной среды к поверхности твердых тел, условия на бесконечности, условие непроницаемости и пр.) и электромагнитных условий на границах раздела фаз и твердых стенках [69,71,76,79].
В общем виде система уравнений представлена в работах [71-74].
Области практического применения магнитно-гидродинамической теории - исследование движения электропроводящих жидкостей и газов в электромагнитных полях, изучение термоядерных реакций, моделирование течений плотной плазмы в плазматроне, работы по созданию магнитно-гидродинамических генераторов.
Работа [57] посвящена моделированию электродугового синтез с использованием магнитогидродинамического подхода. Так был описан характер движения ионов, а также найдена зависимость площади образования углеродных нанотрубок от диаметра электродов.
В ходе работы был сделан ряд допущений основывающийся на физике и геометрии процесса. С принятыми допущениями система уравнений магнитной гидродинамики приняла вид (1.9).