多尺度多場耦合的納米TiO2薄膜製備精確能量模型研究

《多尺度多場耦合的納米TiO2薄膜製備精確能量模型研究》是依託大連理工大學,由李濤擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多尺度多場耦合的納米TiO2薄膜製備精確能量模型研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李濤

項目摘要

納米產品製備是能量密集型產業，目前尚未準確掌握納米製備過程能量消耗機理和低碳運行方法，不能滿足納米產品批量化生產、低碳製造和可持續發展的戰略需求。本項目以低壓化學沉積方法（LPCVD）製備納米TiO2薄膜為研究案例，採用巨觀有限容積法和介觀總能分布函式DDF-LBE模型多尺度耦合的方法，綜合考慮壓力場、速度場、濃度場和溫度場等多物理場間的耦合關係，研究納米TiO2薄膜製備精確工藝能量模型建模機理，揭示基於化學反應機理的稀薄運載氣體運動和擴散行為，提出便於實際套用的比能耗計算方法。建立多組分運載氣體?平衡方程，揭示能量利用和轉換過程中的品質變化規律，探索納米TiO2薄膜製備過程低碳最佳化運行方法，通過理論與實驗相結合的方法對理論模型進行驗證和修正，最終形成納米TiO2薄膜製備的能耗分析和低碳運行的理論和方法體系。研究結果能夠為納米產品低碳製造和生命周期評估提供基礎理論和數據支持。

結題摘要

納米材料製備過程存在能耗高、材料利用率低和環境污染大等問題。納米材料製備過程精確能耗分析是納米可持續發展的基本前提，同時也是開展產品生命周期評估的有利保障。本項目按照計畫進行，圓滿完成了預期提出的研究目標，不僅以低壓化學氣相沉積法製備納米TiO2薄膜為案例，研究建立了LPCVD方法製備TiO2薄膜的精確能量模型，而且以原子層沉積法製備納米Al2O3薄膜為案例，研究建立了ALD方法製備AL2O3薄膜的精確能量模型；同時，完成了LPCVD法製備TiO2薄膜環境影響評價，預測了未來我國LPCVD工藝的能耗和碳排放的走勢。 本項目綜合考慮壓力場、速度場、濃度場和溫度場等多物理場間的耦合關係，通過理論與實驗相結合的方法，在納米薄膜製備過程運載氣體擴散行為、納米薄膜製備精確能耗模型建立、納米薄膜製備比能耗計算方法、納米材料生命周期評價方法等方面取得了重要研究進展。具體來說：項目以低壓化學氣相沉積系統為實驗設備，研究基於化學反應的運載氣體運動與擴散行為。基於化學熱力學理論，建立TiO2薄膜製備精確工藝能量模型，基於比能耗定義和納米製備工藝特徵，提出TiO2薄膜製備工藝的比能耗計算方法。分析不同組納米製備工藝參數下能耗和物耗規律，提出了基於試驗的TiO2薄膜製備低碳運行方法。以原子層沉積系統為實驗設備，採用Boltzmann方法中的LBGK-D2Q9和TRT兩種模型，建立了ALD方法製備Al2O3薄膜過程中運載氣體運動方程，分析了Al2O3薄膜製備過程能耗和物耗變化規律，提出了Al2O3薄膜製備工藝的比能耗計算方法，完成納米Al2O3薄膜製備過程火用流分析。以LPCVD法製備TiO2薄膜工藝為研究對象，採用生命周期評價方法，實驗和文獻檢索獲得納米TiO2薄膜生命周期過程中所涉及的資源、能源利用及環境污染排放數據，實現LPCVD法製備TiO2薄膜環境影響評價。針對LPCVD法生產TiO2薄膜工藝過程，以納米TiO2塗層玻璃為依託，採用情景分析法，開展了未來我國能耗及碳排放預測研究。 研究結果能夠為納米產品低碳製造和生命周期評估、為納米產品批量生產和低碳製造提供數據和理論支持。項目研究成果：發表論文6篇，其中SCI論文2篇，會議論文3篇（其中1篇榮獲國際會議最佳論文LEO獎，每屆僅1篇），核心期刊1篇。畢業碩士研究生1名，在讀碩士研究生3名，在讀博士生4名，其中項目執行期間碩轉博3名。