旋轉(zhuǎn)流對(duì)擴(kuò)散火焰合成奈米碳結(jié)構(gòu)的影響

1、旋轉(zhuǎn)流對(duì)擴(kuò)散火焰合成奈米碳結(jié)構(gòu)的影響黃緯程，侯順雄 崑山科技大學(xué)機(jī)械工程系(所) 林大惠國(guó)立成功大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系國(guó)科會(huì)計(jì)畫(huà)編號(hào)：NSC97- 2221-E-168-043摘 要本研究之目的在於利用旋轉(zhuǎn)對(duì)沖流擴(kuò)散火焰燃燒合成奈米碳結(jié)構(gòu)。研究中，上燃燒器通入乙烯/氮?dú)饣旌蠚?，下燃燒器通入氧?氮?dú)饣旌蠚?，在固定的?shí)驗(yàn)條件下：上燃燒器之乙烯濃度為20%，下燃燒器之氧氣濃度為20%，出口流速為15cm/s，改變不同的旋轉(zhuǎn)角速度()，探討火焰型態(tài)、拉伸率(stretch rate)和溫度場(chǎng)，對(duì)火焰合成奈米碳結(jié)構(gòu)的影響。關(guān)鍵字：燃燒合成、擴(kuò)散火焰、旋轉(zhuǎn)對(duì)沖流、奈米碳結(jié)構(gòu)一、 前言自從西元1985年Krot

2、o等人1發(fā)現(xiàn)C60，並將其命名為 Buckminsterfullerene，簡(jiǎn)稱(chēng)巴克球(Bucky ball)後，許多科學(xué)家相繼投入研究，開(kāi)啟碳科學(xué)的新紀(jì)元。直到西元1991年由日本NEC資深研究員(Sumio Iijima) 2以電弧放電法製作C60時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)而奈米碳管(Carbon Nanotube)，此可謂碳科學(xué)研究領(lǐng)域中像當(dāng)重要的突破。1.1 碳結(jié)構(gòu)的合成與製程方式奈米碳結(jié)構(gòu)合成需要碳源、熱源與金屬觸媒三大要件，常見(jiàn)的奈米碳結(jié)構(gòu)合成方式有3：電弧放電法(Electric-arc discharge) 4、雷射氣化(剝削)法(Laser ablation) 5、觸媒熱裂法(Cataly

3、tic pyrolysis)6、太陽(yáng)能法(Solar method) 7、電解法(Electrolysis)、低溫固體熱裂解(Low-temperature)、高分子凝膠裂解法(Sol-gel method)、振動(dòng)頻率(超音波)化學(xué)法(Sonochemical production)8以及燃燒合成法9等。1.2 對(duì)沖流擴(kuò)散火焰合成奈米碳管Merchan-Merchan等人11於2002年利用氧-甲烷之對(duì)沖流擴(kuò)散火焰，在沒(méi)有加入催化劑的狀況下，成功合成了多壁奈米碳管。1.3 研究目的研究中探討不同旋轉(zhuǎn)角速度下奈米碳結(jié)構(gòu)之生成情形，並分析在固定氧氣濃度O=40%與乙烯濃度E=20%下，對(duì)奈米碳結(jié)構(gòu)

4、成長(zhǎng)及其型態(tài)的影響，且利用SEM分析奈米碳結(jié)構(gòu)生成的成長(zhǎng)機(jī)制及其型態(tài)和結(jié)構(gòu)。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分成五大部分：燃燒器系統(tǒng)、氣體供應(yīng)系統(tǒng)、金屬觸媒基板沉積物取樣系統(tǒng)、影像處理系統(tǒng)以及奈米碳結(jié)構(gòu)檢測(cè)設(shè)備等。2.2 火焰拉伸率計(jì)算火焰拉伸率的計(jì)算係利用Lin和Sohrab 14的理論分析方法。非旋轉(zhuǎn)對(duì)沖流場(chǎng)，拉伸率在此定義為：= (1)2.3 實(shí)驗(yàn)方法與步驟本研究將先進(jìn)行火焰型態(tài)觀測(cè)、溫度場(chǎng)量測(cè)，最後進(jìn)行沉積物取樣與奈米碳結(jié)構(gòu)分析，實(shí)驗(yàn)量測(cè)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)方法與步驟如下所述於。 三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 火焰型態(tài)、拉伸率、溫度場(chǎng)、位置分析圖 3 為O40%及E20%，在V=15

5、cm/s時(shí)，碳煙區(qū)生成和旋轉(zhuǎn)角度()的變化關(guān)係圖。因旋轉(zhuǎn)角度增加，於流場(chǎng)中會(huì)形成迴流區(qū)，提高不飽和自由基於流場(chǎng)中滯留時(shí)間，故碳煙層之生成趨勢(shì)也隨旋轉(zhuǎn)角速度增加而有增厚的趨勢(shì)，火焰面的亮度亦隨旋轉(zhuǎn)角度()的增加而提高。四、結(jié)論本研究利用旋轉(zhuǎn)對(duì)沖流擴(kuò)散火焰進(jìn)行火焰合成奈米碳結(jié)構(gòu)的分析。在固定氧氣濃度、乙烯濃度與沉積取樣位置(zf+1)的實(shí)驗(yàn)條件下，改變旋轉(zhuǎn)角速度()以探討火焰型態(tài)、拉伸率與溫度場(chǎng)對(duì)火焰合成奈米碳結(jié)構(gòu)的影響， 五、致謝本文承蒙國(guó)科會(huì)研究計(jì)畫(huà)編號(hào) : NSC97- 2221-E-168-043之經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助得以順利完成，特此感謝。六、參考文獻(xiàn)1 Kroto, H. W., Hea

6、th, J. R., OBrien, S. C., Curl, R. F. and Smalley, R. E., C60: Buckminsterfullerene, Nature, Vol. 318(6042), pp. 162-163, 1985.2 Iijima, S., Helical Microtubules of Graphitic Carbon, Nature, Vol. 354, pp. 56-58, 1991.七、圖表圖1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖Influence of Flow Rotation on Synthesis of Carbon Nano-Structures vi

7、a Diffusion Flame MethodWei-Cheng Huang, Shuhn-Shyurng Hou Department of Mechanical Engineering,Kun Shan UniversityTa-Hui Lin Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung UniversityAbstractThe influence of flow rotation on the synthesis of carbon nano-structures using rotating counterflow ethylene diffusion flames was investigated. At a higher strain rate, curved and entangled tubular multi-walled carbon nanotubes were harvested, however, at a lower strain rate carbon nan