[毕业论文] 滞止旋流火焰场内钛基颗粒沉积行为的实验和理论研究 [复制链接]

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毕业论文-滞止旋流火焰场内钛基颗粒沉积行为的实验和理论研究，共102页，27832字

中文摘要

高温火焰法因其一步合成、烧结程度可控性高等诸多优点，从而在纳米颗粒

及纳米薄膜的制备过程中具有一定优势和应用前景。本文选用了新型的滞止弱旋

火焰燃烧器，研究了合成二氧化钛纳米颗粒及纳米薄膜的过程中颗粒沉积机理和

规律。首先，采用 CFD 模拟方法求解并分析了作为颗粒沉积环境的火焰场。其次，

通过对沉积区域采用同心环状结构的设计，首次对径向沉积速率分布随前驱物浓

度、沉积时间和基底温度变化规律进行了实验测量。最后，基于经典的热泳、布

朗扩散系数表达式，对边界滞止层内的颗粒输运方程进行了解析求解，根据解析

解分析了沉积过程中热泳及布朗扩散各自的作用，从而对实验结果从理论层次进

行了合理的解释。

关键词：沉积

纳米颗粒及薄膜

火焰合成

径向分布

输运方程

ABSTRACT

Flame aerosol method, with its intrinsic advantages of one-step synthesis and

well-controlling sintering, is of great interest for synthesis and production of of

nanoparticle and nanofilm. In this thesis, by using a novel stagnation swirl flame, the

deposition processes during the synthesis of titania nanoparticle and nanofilm are

investigated. First, the flame structure, in which the reaction and deposition process

exists, is solved and analyzed using CFD software. Then, the radial distributions of

deposition rates at different precursor concentration, different deposition time and

different substrate temperature are experimentally measured. Finally, the particle

transport equation in the stagnation layer is solved analytically based on the classical

drag force and thermophoresis force expression, and the different roles of

thermophoresis and Brownian diffusion in deposition process are analyzed based on

the analytical solution and experiment results.

Keywords：Deposition

nanoparticle and nanofilm

flame synthesis

radial

distribution

transport equation

目录

第 1 章

引 言 .....1

1.1 二氧化钛薄膜的应用及火焰合成法的优势 .....1

1.2 二氧化钛及其他金属氧化物纳米颗粒火焰合成的实验系统 ......2

1.3 二氧化钛及其他金属氧化物薄膜合成的实验系统 ...3

1.4 影响颗粒沉积参数及性能的主要因素 ....5

1.5 本文工作的主要目的及整体框架 ..7

第 2 章 CFD 模拟火焰场 ...8

2.1 弱旋流预混湍流滞止火焰燃烧器简介 ....8

2.2 模拟方法及网格划分 . 12

2.3 模拟参数及工况 14

2.4 模拟结果与实验对比 -PIV 速度场 14

2.5 模拟结果与实验对比 -火焰温度与火焰形貌 .. 16

2.6 模拟结果分析弱旋火焰的结构 .... 17

2.7 喷管中的旋流衰减 ..... 18

第 3 章 沉积实验 ...... 19

3.1 实验的物理背景及工况设计 ........ 19

3.2 沉积量径向分布实验用具及分析 20

3.3 沉积不均匀性调整与分析 ... 23

3.4 实验重复性分析 24

3.5 沉积速率实验 ... 24

3.6 沉积量径向分布关系 . 26

3.7 变前驱物浓度的影响 . 27

3.8 变滞止板温度实验 ..... 29

第 4 章 沉积过程理论求解 30

4.1 滞止层及堆积层的相关理论 ........ 30

4.2 滞止层内沉积方程的解 ...... 32

4.3 滞止层内沉积方程解的特性 ........ 33

4.4 从沉积方程解析解分析实验结果 36

4.5 实验条件下热泳主导 . 40

第 5 章 结论 ..... 42

5.1 论文主要结论和发现 . 42

5.2 论文不足及展望 42

插图索引 ... 44

表格索引 ... 46

参考文献 ... 47

致 谢 ........ 50

声 明 ........ 51

附录 A 外文资料的书面翻译 ....... 52

附录 B 沉积滞止层内输运方程的求解过程 ... 89

在学期间参加课题的研究成果 ..... 96

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