高频等离子制备纳米微粒反应器的分析

论文摘要

高频等离子体技术已经广泛应用于纳米材料的制备，但是有关高频等离子体反应器分析的研究论文较少。本文基于化学反应工程的基本理论，研究了高频等离子气相沉积法制备纳米粉体材料的过程，建立了二维稳态环状高频等离子体反应器的普遍化模型，考虑了Greatz问题。对于求解该类模型使用了Crank-Nicholson有限差分法，并且编制了求解该类二维偏微分方程组的普遍化的程序。基于该方法，本文给出了高频等离子反应器中的温度、转化率和过饱和度分布的数值解；并详细的讨论了传质Peclet、传热Peclet、辐射玻尔兹曼数Boltzmann等无因次准数对高频等离子反应器的温度、转化率及过饱和度的影响；进一步探讨了等离子炬辐射传热、轴向对流和径向返混对温度、转化率和凝聚态物理参数过饱和度的影响；从而为定量分析高频等离子反应器中传热、传质对纳米材料成核和生长过程的影响，为理解和设计高频等离子反应器提供理论依据。HF-PCVD法反应过程快速、连续，易于实现高纯γ-Al2O3纳米粉的批量制备。采用高频等离子化学气相沉积法（HF-PCVD），以射频感应Ar等离子体为热源、AlCl3和O2为反应体系，制备了高纯、分散性良好的球形γ-Al2O3纳米微晶。XRD和TEM测定表明：所制γ-Al2O3粉末晶化较好，颗粒呈球形、粒径范围为20～50nm。文中还讨论了制备条件对γ-Al2O3纳米微粒平均粒径及粒径分布的影响。在实验中，保持其他条件不变，改变AlCl3的进料温度从而改变喷射进料的流量，可实现对γ-Al2O3纳米微粒粒径及其分布的调控。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 等离子体技术在化学化工中的应用
• 1.2.1 等离子体及其分类
• 1.2.2 等离子体在化学化工中的应用
• 1.3 纳米粉末的性质、制备方法及其表征
• 1.3.1 纳米粉的含义及其性质
• 1.3.2 纳米粉的制备方法
• 1.3.3 纳米粉末的表征
• 1.4 高频等离子体化学气相沉积法制备纳米粉体的特点
• 1.5 制备纳米粉体的等离子反应器研究
• 1.5.1 反应器中流动与传热的数值模拟
• 1.5.2 反应器中流动、传热与传质的数值模拟
• 1.5.3 反应器设计及流动的数值模拟
• 1.6 本课题的研究意义与主要研究内容
• 第二章 HF-PLASMA反应器分析
• 2.1 引言
• 2.2 侧向进料HF-PLASMA反应器原理简述
• 2.3 HF-PLASMA反应器模型
• 2.3.1 模型的基本进展
• 2.3.2 模型的建立
• 2.3.3 普遍化模型
• 2.4 模型的求解
• 2.5 参数值计算
• 2.5.1 流量校正
• 2.5.2 等离子矩温度的计算
• 2.6 模型求解结果及讨论
• 2.6.1 玻尔兹曼准数Bo的影响
• 2.6.2 彼克莱特准数Pe的影响
• 2.6.3 长径比L/D的影响
• 2.6.4 过饱和度S的理论分布
• 2O₃微晶的制备'>第三章 纳米γ-Al₂O₃微晶的制备
• 3.1 前言
• 2O₃粉末的制备方法'>3.1.1 纳米γ-Al₂O₃粉末的制备方法
• 2O₃粉末的应用'>3.1.2 纳米γ-Al₂O₃粉末的应用
• 2O₃的实验原理'>3.2 高频等离子化学气相沉积法制备γ-Al₂O₃的实验原理
• 3.3 实验所需仪器及药品
• 3.3.1 实验仪器
• 3.3.2 实验药品
• 3.4 操作条件的确定
• 3.4.1 工作气量的确定
• 3.4.2 冷却气量的确定
• 3.5 实验装置与操作
• 3.6 实验的操作方法
• 3.7 结果与讨论
• 2O₃纳米微晶的表征'>3.7.1 γ-Al₂O₃纳米微晶的表征
• 3.7.2 制备条件对纳米微粒尺寸及分布的影响
• 第四章 总结与展望
• 4.1 主要结论
• 4.2 本工作创新点
• 4.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录