可燃氣相爆轟場中核殼結構納米晶顆粒生長機制的研究

《可燃氣相爆轟場中核殼結構納米晶顆粒生長機制的研究》是依託中國礦業大學，由羅寧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：可燃氣相爆轟場中核殼結構納米晶顆粒生長機制的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：羅寧
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

具有代表性的核殼結構碳包覆型納米功能材料因其獨特的組成結構擁有諸多新奇的物理、化學特性，然而由於其高效製備方法的機理尚不清晰制約了開發套用，可燃氣相爆轟合成法可作為對常規合成方法的補充。通過最佳化多元氣相組分及調整氣相、氣液爆轟參數來控制納米材料結構、形貌和尺寸等性質，高效製備目標產物；採用高保真的數值方法分析氣相爆轟流場中物理量參數、合理選擇化學反應模型、顆粒生長模型，同時處理一個多相、場耦合問題，探究氣相爆轟場中納米顆粒的生長機制。本課題研究對進一步完善氣相爆轟理論、發展微細觀爆炸力學與物理、材料科學等學科的交叉，促進氣相爆轟理論在新型、高純納米功能材料開發，具有十分重要的科學意義和套用價值。

結題摘要

本項目利用可燃氣爆轟技術驅動多相混合前驅體，利用自主發明專利技術創新發明了爆轟加工設備，採用多種現代分析測試手段，研究了核殼結構碳包覆金屬納米顆粒、氧化物陶瓷納米顆粒、碳基納米複合材料等；探究了採用ZND爆轟反應模型和改進的時空守恆元-解元算法，引入Kruis顆粒生長模型,揭示了氣相爆轟反應流場特徵及納米顆粒動態生長、演化規律。研究發現：針對碳基納米功能材料在可燃氣相爆轟合成方面的研究，分別獲得了納米級的單晶型、混合型二氧化鈦納米顆粒、核殼結構包覆型納米材料等；利用簡單、快速氣液爆轟法合成了的核殼結構石墨包覆二氧化鈦納米粒子，通過引爆富含碳混合前驅體，獲得了球形、分散性好的混合晶體氧化鈦納米顆粒被厚石墨層包覆；創新實驗技術以乙醯丙酮銅作金屬源，氫氧氣體混合物作為爆炸源合成了高純度的納米晶銅，通過改變前驅體分別獲得了碳包覆銅納米顆粒和端部含有金屬納米顆粒的無序碳納米管及其結構特徵；通過設計氣相前驅體分別獲得了碳包覆鐵納米顆粒摻雜碳納米管、無序碳納米管及碳富勒烯球；開展了針對納米功能材料如碳納米管、碳包覆銅納米複合材料及其摩擦學性能等系列研究工作；基於可靠的實驗結果及所獲得納米功能材料，設計最佳化ZND爆轟程式結合顆粒生長模型，計算模擬了球形納米顆粒在爆轟流場中的生長特徵；採用高保真的數值方法，通過最佳化改進的時空守恆元-解元算法程式，準確模擬氣相爆炸流場中物理量參數，藉助守恆量的Taylor展開，在守恆元上求解積分形式的控制方程並整理得到數值格式，最佳化處理爆轟流場內的能量釋放過程和準確捕捉強間斷面問題；剖析了能量釋放過程由化學反應模型決定，並給出了相應的計算參數，引入Kruis顆粒生長模型，模擬了典型的球形納米顆粒在爆轟流場中的生長特徵；基於實驗結果分析與數值計算結果研究，揭示了核殼結構納米晶粒、納米複合材料在爆轟瞬態流場中生長特徵及爆轟流場動態演化機制，獲得計算結果與實驗結果相一致，取得了一些有新意的研究結果。