化學(xué)氣相沉積制備多壁碳納米管反應(yīng)器內(nèi)流場的數(shù)值模擬

劉 斌

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南714000）

碳納米管作為一種一維材料，自從被制備之日起因其在力學(xué)、電學(xué)及化學(xué)方面的優(yōu)越性能受到廣泛的關(guān)注，大量的科研人員從事碳納米管的研究[1-2]。碳納米管可以看做是由石墨烯進(jìn)行卷曲形成，常見的單層碳納米管可以看做是單層石墨烯卷圈所形成的柱狀，而多壁碳納米管則可認(rèn)為是不同直徑的單壁碳納米管嵌套所形成。圖1分別展示了三種不同層數(shù)的碳納米管。碳納米管除了保留原有石墨烯優(yōu)良的機(jī)械以及電子傳輸特性之外，因其卷曲的形狀而使得可以在管壁內(nèi)負(fù)載更多的改性物質(zhì)。

多壁碳納米管相比與單壁碳納米管除價格較低外，也因其多壁的結(jié)構(gòu)可以附加更多的催化劑，對于材料的改性更加具有優(yōu)勢，因此對于多壁碳納米管的市場需求也十分可觀[3-5]。本課題組在實驗室長期實驗合成制備過程中，形成了較為成熟的多壁碳納米管CVD制備工藝，本文采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT 對多壁碳納米管合成過程中的溫度及速度變化規(guī)律進(jìn)行分析研究，從而對于合成工藝的優(yōu)化和反應(yīng)器設(shè)計提供理論支撐。

圖1 不同層數(shù)的碳納米管

1 模型建立及參數(shù)定義

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

建立化學(xué)氣相沉積制備多壁碳納米管反應(yīng)器的二維幾何模型，由于反應(yīng)器上下兩部分呈對稱分布，因此本文只建立反應(yīng)器的1/2模型[6-7]。采用混合網(wǎng)格對反應(yīng)器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的模型及網(wǎng)格劃分圖如圖2 所示。

圖2 反應(yīng)器二維模型及網(wǎng)格模型劃分圖

1.2 參數(shù)設(shè)置

反應(yīng)腔體內(nèi)主要為氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)將分段的點(diǎn)帶入Fluent軟件中進(jìn)而將其混合氣體的密度和比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置為隨溫度變化的方程。氫氣流量為27L/min，氮?dú)饬髁繛?2L/min。設(shè)置反應(yīng)器四周壁面絕熱，進(jìn)口為質(zhì)量進(jìn)口，出口為壓力出口。氫氣和氮?dú)獾拿芏入S溫度變化散點(diǎn)圖如圖3所示，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)變化方程見表1[8]。

圖3 實驗所測氫氣和氮?dú)饷芏入S溫度變化散點(diǎn)圖

表1 物性參數(shù)方程

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場分析

圖4 所示為反應(yīng)腔體內(nèi)溫度場隨時間變化云圖，從圖4（a）中可以看出反應(yīng)2 h時，熱量由電極傳出，中間發(fā)熱明顯，電極兩端溫度較低，反應(yīng)器腔體內(nèi)溫度場整體呈現(xiàn)內(nèi)凹外突中間高兩端低趨勢。這主要是因為從進(jìn)氣口進(jìn)入的氣體溫度較低，從而對反應(yīng)器前段的溫度場造成了影響。隨著電極供電時間的延長，溫度逐漸升高，4 h時，開始出現(xiàn)熱流疊加現(xiàn)象，中間溫度最高達(dá)到1 073 K，此時已基本達(dá)到反應(yīng)所需的溫度。6 h時腔體內(nèi)溫度已經(jīng)基本達(dá)到1 000 K以上，此時腔體內(nèi)的溫度已經(jīng)達(dá)到多壁碳納米管合成所需的溫度。在此之后延長供電2 h 可進(jìn)一步保持反應(yīng)器內(nèi)溫度場的均勻性，有利于高品質(zhì)多壁碳納米管的生成。

圖5 為8 h 時沿氣體流動方向反應(yīng)器內(nèi)溫度分布散點(diǎn)圖，從圖5 中可以看出適合于多壁碳納米管合成的溫度（1 100～1 200 K）區(qū)域在沿著氣體流動方向反應(yīng)腔體的1/3 處。在貼近于壁面附近溫度較低，主要是此處反應(yīng)腔體的壁面與外部空氣直接接觸，散熱比較明顯。當(dāng)距離進(jìn)口0.75 m 時，溫度開始逐漸降低，出口處溫度逐漸降至室溫。

圖4 反應(yīng)腔體內(nèi)溫度場隨時間變化云圖

圖5 8h時沿氣體流動方向反應(yīng)器內(nèi)溫度分布散點(diǎn)圖

2.2 速度場分析

從圖6所示反應(yīng)腔體內(nèi)溫度場隨時間變化云圖可以看出，反應(yīng)氣體從進(jìn)口處直接噴射進(jìn)入反應(yīng)腔體，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到4 h時見圖6（b）反應(yīng)已經(jīng)開始可以看出速度云圖對比與2 h時見圖6（a），整個云圖的均勻性有所改善。隨著時間的逐漸延長整個反應(yīng)腔體的速度云圖基本維持在0.02～0.01 m/s，均勻低速的溫度場有助于碳納米管的合成，從8h時沿氣體流動方向反應(yīng)器內(nèi)速度分布散點(diǎn)圖（見圖7）可以看出。整個反應(yīng)器中僅在進(jìn)口出口處速度較高，整個反應(yīng)器內(nèi)速度均勻性較好。

圖6 反應(yīng)腔體內(nèi)溫度場隨時間變化云圖

3 結(jié) 論

對多壁碳納米管的優(yōu)勢進(jìn)行了論述，同時采用數(shù)值模擬的方法對化學(xué)氣相沉積法制備多壁碳納米管的溫度場及速度場進(jìn)行模擬，結(jié)果表明在所設(shè)計的反應(yīng)腔體內(nèi)8 h時反應(yīng)器內(nèi)溫度場及速度場較為均勻，有助于多壁碳納米管的合成。

圖7 8h時沿氣體流動方向反應(yīng)器內(nèi)速度分布散點(diǎn)圖