化學氣相沉積制備多壁碳納米管反應器內(nèi)流場的數(shù)值模擬

劉 斌

（陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，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、電學及化學方面的優(yōu)越性能受到廣泛的關注，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)律進行分析研究，從而對于合成工藝的優(yōu)化和反應器設計提供理論支撐。

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

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

圖2 反應器二維模型及網(wǎng)格模型劃分圖

1.2 參數(shù)設置

反應腔體內(nèi)主要為氫氣和氮氣的混合氣體，根據(jù)實驗測試數(shù)據(jù)將分段的點帶入Fluent軟件中進而將其混合氣體的密度和比熱容、導熱系數(shù)設置為隨溫度變化的方程。氫氣流量為27L/min，氮氣流量為12L/min。設置反應器四周壁面絕熱，進口為質(zhì)量進口，出口為壓力出口。氫氣和氮氣的密度隨溫度變化散點圖如圖3所示，比熱容和導熱系數(shù)變化方程見表1[8]。

圖3 實驗所測氫氣和氮氣密度隨溫度變化散點圖

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。這主要是因為從進氣口進入的氣體溫度較低，從而對反應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，中間溫度最高達到1 073 K，此時已基本達到反應所需的溫度。6 h時腔體內(nèi)溫度已經(jīng)基本達到1 000 K以上，此時腔體內(nèi)的溫度已經(jīng)達到多壁碳納米管合成所需的溫度。在此之后延長供電2 h 可進一步保持反應器內(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器內(nèi)溫度分布散點圖，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，主要是此處反應腔體的壁面與外部空氣直接接觸，散熱比較明顯。當距離進口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器內(nèi)溫度分布散點圖

2.2 速度場分析

從圖6所示反應腔體內(nèi)溫度場隨時間變化云圖可以看出，反應氣體從進口處直接噴射進入反應腔體，當反應進行到4 h時見圖6（b）反應已經(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器內(nèi)速度分布散點圖（見圖7）可以看出。整個反應器中僅在進口出口處速度較高，整個反應器內(nèi)速度均勻性較好。

圖6 反應腔體內(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)勢進行了論述，同時采用數(shù)值模擬的方法對化學氣相沉積法制備多壁碳納米管的溫度場及速度場進行模擬，結(jié)果表明在所設計的反應腔體內(nèi)8 h時反應器內(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器內(nèi)速度分布散點圖