V型热解火焰合成碳纳米管的试验研究及数值计算

摘要

火焰法可以同时提供碳纳米管合成所需的热源和碳源,其中V型热解火焰将加热过程与合成过程分开,易于大批量、可控合成碳纳米管。本文采用改进后的试验系统,利用乙炔/空气预混火焰提供热源,反应气体选用CO/H2/He,并携带五羰基铁(Fe(CO)5)等催化剂。试验成功制备了质量较好的碳纳米管,重点考察温度、催化剂、反应气体及其他因素对碳纳米管合成的影响,并得到了本系统碳纳米管合成的“温度窗口”约为500℃～650℃。本文采用FLUENT模拟了V型热解火焰合成碳纳米管的试验过程,阐述了其流场、温度场及物质组分,并与试验结果做对比,二者较吻合。结合试验及计算结果对碳纳米管的生长过程和机理进行了探讨。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 课题背景

1.2 碳纳米管简介

1.2.1 碳纳米管的结构、性质和应用

1.2.2 碳纳米管制备方法

1.3 火焰法制备碳纳米管研究现状

1.3.1 试验研究现状

1.3.2 数值计算研究现状

1.4 本文技术路线和研究内容

1.5 本章小结

第二章 Ⅴ型热解火焰试验系统和试验方法的改进

2.1 已有试验系统及其改进

2.1.1 已有试验系统及存在的问题

2.1.2 试验系统改进

2.2 试验原料及其改进

2.2.1 已用试验原料及存在的问题

2.2.2 试验原料改进

2.3 试验方法及其改进

2.3.1 已有试验方法及存在的问题

2.3.2 试验方法改进

2.4 本章小结

第三章 Ⅴ型热解火焰制备碳纳米管试验过程及产物分析

3.1 新试验系统及试验过程

3.2 新试验系统反应结果

3.2.1 肉眼表观

3.2.2 SEM及TEM表征

3.3 本章小结

第四章 影响碳纳米管合成的各种因素

4.1 温度

4.1.1 工况1

4.1.2 工况2

4.1.3 工况3

4.1.4 工况4

4.1.5 工况5

4.1.6 工况6

4.1.7 工况7

4.1.8 工况8

4.1.9 “温度窗口”讨论

4.2 催化剂

4.2.1 不同催化剂介绍

4.2.2 不同催化剂结果对比

4.2.3 催化剂流量的影响

4.3 其他因素

4.3.1 反应气体

4.3.2 取样时间

4.3.3 其他因素

4.4 本章小结

第五章 Ⅴ型热解火焰制备碳纳米管的数值模拟研究

5.1 数值模拟简介

5.2 以往数值模拟及其结果

5.3 新燃烧系统的数值模拟

5.3.1 燃烧系统物理模型和网格图

5.3.2 边界条件

5.3.3 数值计算工况

5.4 数值计算结果分析

5.4.1 计算工况1

5.4.2 计算工况2

5.4.3 计算工况3

5.4.4 计算工况4

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表论文和参加科研情况