RF-PCVD法制備納米Tio-成核長大過程及粒徑分布的數(shù)值模擬研究.pdf

1、射頻等離子體氣相沉積法(Radio-Frequency plasma chemical vapordeposition，RF—PCVD)能夠制各出分散性好、粒度分布窄、純度高等特點(diǎn)的納米粉體，尤其適合于需要在高溫下合成的耐熱及金屬材料，如氧化物(TiO2、WO3)、碳化物(TiC)、氮化物(TiN)等新型納米材料。其中TiO2作為一種重要的化工原料，目前在能源、化工、半導(dǎo)體材料、光催化材料、精細(xì)陶瓷等方面都有廣泛應(yīng)用。在納米粉體的研制領(lǐng)

2、域，大多僅限于通過對(duì)工藝條件的選擇及設(shè)備的改進(jìn)等方法來勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)工藝目標(biāo)，因此對(duì)制備過程做系統(tǒng)理論研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米粉體粒徑、粒度分布及晶型的控制和設(shè)計(jì)，具有重要的理論價(jià)值。本文以TiCl4氧化反應(yīng)合成TiO2為研究對(duì)象，通過對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的溫度場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)與成核長大過程的初步過程化研究，擬為RF-PCVD法制各納米微晶材料的理論研究奠定基礎(chǔ)。
　　 本研究針對(duì)RF-Plasma反應(yīng)器提出合理假設(shè)，將反應(yīng)器簡化為二維穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱柱狀反應(yīng)器

3、模型，考慮了反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，通過能量傳遞方程得到RF-Plasma反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的二階非線性偏微分方程，在Matlab中采用Crank-Nicholson有限差分格式編制程序進(jìn)行求解，得到反應(yīng)器內(nèi)溫度分布的數(shù)值解；反應(yīng)器內(nèi)納米粒子的成核長大過程以均相成核的碰撞長大理論為依據(jù)，通過合理假設(shè)得到納米粒子成核長大的一階非線性常微分方程，采用四五階Rtmge—Kutta法沿選定的流線進(jìn)行求解；通過沿選定流線求得的成核長大結(jié)果擬合出反應(yīng)器內(nèi)

4、粒子粒徑隨徑向距離的變化曲線，結(jié)合反應(yīng)器模型采用離散的方法統(tǒng)計(jì)并擬合出納米粒子的粒度分布情況，計(jì)算出納米粒子的平均粒徑。在不同的進(jìn)料濃度條件下，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，可以得出結(jié)論：
　　 (1)在平均粒徑數(shù)值和變化趨勢(shì)方面，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。當(dāng)進(jìn)料濃度分別為0．0657 mol／m3、0.266 mol／m3和0．356 mol／m3時(shí)，模擬平均粒徑分別為27.38 nm、48．78 nm和54．85 nm，實(shí)驗(yàn)平

5、均粒徑分別為25．0nm、45．0nm和50.0nm。在相同條件下模擬與實(shí)驗(yàn)的粒度分布結(jié)果比較接近，且隨著初始濃度的增大，模擬與實(shí)驗(yàn)的粒度分布范圍均變寬，變化趨勢(shì)相一致。故可以認(rèn)為該模型能夠較好的預(yù)測(cè)RF-PCVD法制各納米TiO2粒子的平均粒徑及粒徑分布。
　　 (2)模型中流動(dòng)狀態(tài)和濃度分布過于理想，對(duì)于最終的模擬粒度分布與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還存在一定的差距?？紤]反應(yīng)器內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)、傳質(zhì)因素和完善成核長大過程動(dòng)力學(xué)方程將是完善模型