论文部分内容阅读
射频等离子体气相沉积法(Radio-Frequency plasma chemical vapordeposition,RF—PCVD)能够制各出分散性好、粒度分布窄、纯度高等特点的纳米粉体,尤其适合于需要在高温下合成的耐热及金属材料,如氧化物(TiO2、WO3)、碳化物(TiC)、氮化物(TiN)等新型纳米材料。其中TiO2作为一种重要的化工原料,目前在能源、化工、半导体材料、光催化材料、精细陶瓷等方面都有广泛应用。在纳米粉体的研制领域,大多仅限于通过对工艺条件的选择及设备的改进等方法来勉强实现工艺目标,因此对制备过程做系统理论研究,以实现对纳米粉体粒径、粒度分布及晶型的控制和设计,具有重要的理论价值。本文以TiCl4氧化反应合成TiO2为研究对象,通过对反应器内的温度场、流动场与成核长大过程的初步过程化研究,拟为RF-PCVD法制各纳米微晶材料的理论研究奠定基础。
本研究针对RF-Plasma反应器提出合理假设,将反应器简化为二维稳态轴对称柱状反应器模型,考虑了反应器内的流动状态,通过能量传递方程得到RF-Plasma反应器内温度分布的二阶非线性偏微分方程,在Matlab中采用Crank-Nicholson有限差分格式编制程序进行求解,得到反应器内温度分布的数值解;反应器内纳米粒子的成核长大过程以均相成核的碰撞长大理论为依据,通过合理假设得到纳米粒子成核长大的一阶非线性常微分方程,采用四五阶Rtmge—Kutta法沿选定的流线进行求解;通过沿选定流线求得的成核长大结果拟合出反应器内粒子粒径随径向距离的变化曲线,结合反应器模型采用离散的方法统计并拟合出纳米粒子的粒度分布情况,计算出纳米粒子的平均粒径。在不同的进料浓度条件下,将模拟结果与实验结果相比较,可以得出结论:
(1)在平均粒径数值和变化趋势方面,模拟结果与实验结果相一致。当进料浓度分别为0.0657 mol/m3、0.266 mol/m3和0.356 mol/m3时,模拟平均粒径分别为27.38 nm、48.78 nm和54.85 nm,实验平均粒径分别为25.0nm、45.0nm和50.0nm。在相同条件下模拟与实验的粒度分布结果比较接近,且随着初始浓度的增大,模拟与实验的粒度分布范围均变宽,变化趋势相一致。故可以认为该模型能够较好的预测RF-PCVD法制各纳米TiO2粒子的平均粒径及粒径分布。
(2)模型中流动状态和浓度分布过于理想,对于最终的模拟粒度分布与实验结果还存在一定的差距。考虑反应器内的实际流动状态、传质因素和完善成核长大过程动力学方程将是完善模型的下一步工作。