气相法制备超细颗粒的热过程研究

发布时间：2020-11-09 01:18

　　 得益于超细颗粒优于常规尺寸颗粒的热学、电学性能等,超细颗粒的应用领域正逐步拓展到各行各业。在各类制备方法中,气相法制备的超细颗粒具有表面清洁、粒径和形貌易控等优点。在气相法制备超细颗粒的工艺中,骤冷过程中瞬态能量传递参数决定了颗粒的形核与生长演变过程。为了从源头上掌握制备条件对产物特征的影响规律,须揭示骤冷过程的瞬态热作用机制和颗粒形核与生长的微观机理。本文从形核过程能量转换和传递的热力学和动力学分析角度出发,探析了能量的瞬态传递在形核与生长过程中所起的主导作用,获得了制备工艺参数对超细颗粒特征的影响规律。对于物理气相法制备超细颗粒,研究了制备条件对超细颗粒平均粒径、粒径分布和形貌倾向性等的影响。首先,解析了超细金属颗粒形成的热物理过程,从能量分析的角度出发建立了均匀形核能量模型,预测了给定工艺参数条件下三种超细金属颗粒的产率和平均粒径等。然后,建立了颗粒粒径随时间演化的一般动力学方程,采用改进的多重蒙特卡洛法,模拟获得了实验工艺参数条件下气相法制备超细镁颗粒的粒径分布,模拟结果与实验结果的吻合验证了模型的准确性。最后,以超细铝颗粒为例,建立了颗粒形核吉布斯自由能和动态过程能量变化模型,在不同冷却速度和冷凝室压力条件下,比较不同形貌颗粒总能量的动态变化,预测超细颗粒形貌的倾向性。对于化学气相沉积法制备超细颗粒,研究了制备条件对颗粒平均粒径的影响,提出了一种数值方法用以计算颗粒堆积热导率。首先,以氨气和硅烷反应获得氮化硅为例,研究了氨气和硅烷的化学反应过程和氮化硅的骤冷形核直至凝结沉积的过程,建立了含化学反应的均匀形核能量模型,模拟计算得到了一定工艺参数条件下产物氮化硅颗粒的平均粒径,并揭示了超细氮化硅的形核机理。然后,提出了超细颗粒的堆积模拟方法,获得了颗粒堆积形成的多孔介质结构,对多孔介质结构进行网格划分和二值化处理,采用显示差分法求得稳态下多孔介质的温度场,进而获得了颗粒的堆积热导率。本文的研究围绕气相法制备超细颗粒的工艺过程,提供了一种可定量控制颗粒粒径和形貌的工艺参数获取方法,指出了一条可供参考的超细颗粒堆积热导率的理论分析道路,为从热科学分析的角度出发实现气相合成超细颗粒的精确调控揭开一角面纱。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.4
【部分图文】：

２．２．３气相法制备超细颗粒??气相法是以气体为原料，通过骤冷的方法使原料气凝华成超细颗粒１９２］，??如图２－１所示。气相法可分为物理气相法和化学气相法，包括物理气相法［９３］、??化学气相沉积法［９４］、濺射法［９５］等。??Ｅ?ｊ?Ｉ?）ｅ?Ｂ￣ｉｎｅｒｔ?ｇａｓｅｓ??／?／?“、?Ｄ—ｌｉｎｋ?ｃｈａｉｎ?ｏｆ??ｕｔｏｆｍｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ??Ｃ—獅瞻?．．．??Ｕ（?Ａ?ｕｌｔｒａｆｍｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ?？?？??藥Ｂ—ａｅｗｂｏｍ?？?？?？?？??Ｉ：?＾?ｕｌｔｒａｆｍｅ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?？?＊?？?＊??Ａ—ｚｉｎｃ?ｖａｐｏｒ??ｍｏｌｔｅｎ?ｚｉｎｃ?＜＾ｃｉｂｌｅ??Ｆｉｇｕｒｅ?２－１?Ｐｒｏｃｅｓｓ?ｏｆ?ｕｌｔｒａｆｍｅ?Ｚｎ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ?ｂｙ?ｉｎｅｒｔ?ｇａｓ?ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄ??图２－１物理气相法制备超细锌颗粒示意图??物理气相法是将原料加热至蒸气状态，通过惰性气体骤冷的方法使蒸气??原子能量下降，进而发生形核与长大过程，生成超细颗粒。基本原理图如图??－２４－??

??（沒＝?９０°），如图３－２所示。??Ｐ?０??０?＝?０°?０°?＜?（９?＜?９０°?＾?＝?９０°??（ａ）?ＣｃｉｕｒａＪ?ｃｏｌｌｉ！ｔｉ＜Ｒｉ?（ｂ）?Ｇｅｎｅｒａｌ?ｃ＾Ｕｉ￥ｉｏｎ?（ｃ）?Ｏｌａｎｃｕｔｇ?ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ??（ａ）对心碰撞?（ｂ）？—般碰撞?（ｃ）擦边碰撞??Ｆｉｇｕｒｅ?３－２?Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｒｅｅ?ｋｉｎｄｓ?ｏｆ?ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ??图３－２三种碰撞类型示意图??对于这三种类型的碰撞，从微观角度定性地分析，对心碰撞的结合概率??最大，擦边碰撞的结合概率最小，一般碰撞的结合概率介于两者之间，也就??是说，碰撞结合概率随着碰撞粒子速度方向与粒子中心线夹角外０°?Ｓ?０?Ｓ?９０°）??的增大而降低。??碰撞结合概率除了取决于碰撞类型之外，还有两个重要的影响因素，即??粒子的直径ｄ、碰撞时两种粒子的相对速度ｗ。定性地来说，粒子的碰撞结??合概率随着粒子直径＾的变大而升高，随着碰撞时两种粒子相对速度ｍ的增??大而降低。??从凝结核生成与长大的过程分析，系统中粒子间的碰撞有三种可能的情??况

在计算蒸气原子与多原子粒子间的作用力时，受力分析后采用受力叠加??的方法，也就是将蒸气原子与多原子粒子中每一个原子的作用力叠加起来分??析，如图３－３所示。??－３９－??
【参考文献】

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本文编号：2875654