火焰法合成碳納米管的實(shí)驗(yàn)研究及燃燒過程數(shù)值模擬.pdf

1、碳納米管具有良好的力學(xué)、導(dǎo)電、傳熱、光學(xué)、儲氫等性能，在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，碳納米管的制備方法主要有:電弧放電法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)等。然而，這些方法的合成條件相對苛刻，束縛了碳納米管的工業(yè)化生產(chǎn)。火焰法是利用烴類等含碳物質(zhì)的燃燒來合成碳納米管的一種全新方法，能夠同時提供足夠的碳源和用于碳納米管生長的高溫環(huán)境，該方法工藝路線簡單、易連續(xù)操作、可控性強(qiáng)。所以，開展火焰法制備碳納米管的基礎(chǔ)研究具有重要的科學(xué)意

2、義和實(shí)用價值。
　　 本論文利用液體乙醇為燃料和碳源，以實(shí)驗(yàn)室酒精燈為燃燒裝置，在擴(kuò)散火焰中成功合成了碳納米管。系統(tǒng)地研究了取樣高度、火焰溫度、取樣時間、基板材料、催化劑種類和濃度等工藝條件對合成碳納米管的影響。研究得到了液體燃料乙醇合成碳納米管的最佳合成工藝，即采用1.0mol/L的硝酸鎳為催化劑，取樣高度為20mm，取樣時間為10min，在銅基板上能合成品質(zhì)較好的碳納米管。
　　 在擴(kuò)散火焰合成碳納米管的研究基礎(chǔ)上，

3、使用自行設(shè)計(jì)的燃燒器，采用摻氮?dú)獾囊胰才c空氣預(yù)混合燃燒成功合成了碳納米管。研究了工藝參數(shù)對合成過程的影響，得到了合成碳納米管的最佳工藝條件，即采用0.1mol/L的硝酸鎳為催化劑，取樣高度為17mm，取樣時間為20min，在銅基板上能合成品質(zhì)較好的碳納米管。基于以上實(shí)驗(yàn)研究，通過AtuoCAD和Gambit建立了燃燒器主體以及燃燒區(qū)域的三維模型。采用Chemkin、Fluent等軟件進(jìn)行了燃燒過程的數(shù)值模擬，得到了乙炔/氮?dú)?空氣的預(yù)混

4、合氣流的溫度場，并與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了計(jì)算對象的可靠性。最后應(yīng)用乙炔的化學(xué)動力學(xué)簡化機(jī)理，采用Fluent數(shù)值模擬分析得到燃燒過程中的相關(guān)組分的濃度場和溫度場分布。通過分析燃燒反應(yīng)中C、CO、C2H2、OH、H2等組分的曲線圖，初步判斷了碳納米管的合成區(qū)間為火焰高度為15～20mm的中心區(qū)域;與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，該合成區(qū)間是正確的，數(shù)值模擬能很好預(yù)測合成區(qū)域。本論文通過大量的實(shí)驗(yàn)和燃燒過程的數(shù)值模擬，優(yōu)化了預(yù)混合火焰合成碳納米管的