Введение к работе
Актуальность темы.
В последние годы многие лаборатории мира проводят эксперименты для более эффективного получения фуллеренов - единственной молекулярной аллотропной формы углерода - сферических молекул углерода Ceo, Сто, и т.д.
Исследования фуллеренов и, в частности, их синтез включены в список приоритетных направлений развития науки и техники России в качестве основы для получения углеродных материалов с твердостью более высокой, чем твердость алмаза.
До сих пор фуллерены получаются в лабораторных условиях в количествах, необходимых для исследований, но недостаточных для их широкого повсеместного применения. Это обусловлено несовершенством и трз'доеикостью технологии их получения. Самый продуктивный способ получения этих уникальных молекул на сегодняшний день - сжигание графитового стержня в атмосфере гелия. Однако при этом на катоде образуется плотный углеродный конденсат - нарост, в котором конденсируется приблизительно от 30% до половины массы (в зависимости от условий синтеза) сгорающего графитового анода. В результате больнгуто часть времени дуга горит в замкнутом пространстве, ограниченная стенками нароста. С одной стороны, это приводит к экранированию объема камеры синтеза от УФ-излучения, которое разрушает фуллерены. С другой стороны, нарост сужает поток выходящего из межэлектродного пространства углеродного пара, тем самым изменяя скорость охлаждения пара. Таким образом, видно, что данный угольный конденсат меняет условия синтеза фуллеренов в плазмохимическом реакторе. Несмотря на неоспоримую важность влияния катодного нароста на процесс синтеза фуллеренов, в литературе отсутствуют данные по его формированию как во времени, так и по структуре. До сих пор остается открытым вопрос о структуре данного образования на катоде. Каковы размеры частиц, из которых состоит нарост? Как они размещены друг относительно друга? Как происходит образование катодного нароста?
Существует ли отличие между частицами, образующими нарост и фуллеренсодержащую сажу? Ответы на данные вопросы позволили бы уточнить пути трансформации графита анода. На сегодняшний день без ответа остаётся вопрос о процессах, происходящих с графитом на аноде. Данные образования нароста во времени позволяют более подробно рассмотреть процессы на электродах, поверхности которых изменяются во времени. Очевидно, что расположение микрочастиц углерода на поверхности электродов при элекгродуговом синтезе фуллеренов в инертных газах (Аг , Не), геометрические размеры и форма межэлектродного пространства должны влиять на процесс синтеза фуллеренов, однако этот вопрос в большинстве исследований синтеза фуллеренов оставался практически неизученным. С научной и практической точки зрения вызывает интерес вопрос о влиянии катодного нароста на процесс получения фуллеренов, а так же математическое моделирование данного процесса. Поэтом}' выполненные в диссертационной работе исследования являются актуальными.
Цель работы и задачи исследования.
Для определения условий синтеза фуллеренов и определения его количественных характеристик необходимо знать процессы, происходящие с электродами и в межэлектрдном пространстве. Математическую модель разработана с целью количественной интерпретации экспериментальных данных.
Таким образом, цель настоящей работы - изучение структуры и расположения микрочастиц углерода на поверхности электродов при электродуговом синтезе фуллеренов в инертных газах (Аг , Не) и разработка модели процесса образования катодного нароста.
В частности, представляет интерес:
расположение, размер и форма частиц катодного нароста и анода;
изучение влияния геометрических параметров катодного нароста на выход С60.;
изучение влияния катода сложной формы, экранирующего излучение дуги, на процесс синтеза фуллеренов.
функция распределения фуллеренсодержащей сажи по размерам;
математическое моделирование процесса инерционного осаждения частиц, образующих катодный нарост.
Научная новизна:
В данной работе впервые проведены исследования важнейших характеристик изменения межэлектродного промежутка угольной дуги синтеза фуллеренов. Впервые исследовано изменение поверхностей электродов. Показано, что во время горения дуги в аргоне наряд}- с интенсивным испарением анода, которое приводит к появлению сферических частиц фуллеренсодержащей сажи, на аноде происходит формирование плоских чешуйчатых частиц. Эти частицы, осаждаясь на поверхности катода, образуют катодный нарост. Размеры и строение этих частиц резко отличается от аналогичных параметров частиц фуллеренсодержащей сажи.
В частности:
впервые систематически исследованы размеры, форма, расположение в пространстве частиц катодного нароста и графитового анода;
- изменение во времени геометрических параметров катодного нароста и графитового анода при синтезе фуллеренов электродуговым способом;
- изучено влияние образования катодного нароста на содержание фуллеренов в фуллеренсодержащей саже.
- показано влияние катода сложной формы, экранирующего
излучение дуги и охватывающего межэлектродное пространство, на
процесс синтеза фуллеренов.
- впервые предложена математическая модель
инерционного осаждения частиц, образующих катодный нарост в
углеродной дуте высокой интенсивности при аномальной плотности
тока (50-350 А/см2) на аноде.
Практическая значимость работы.
Результаты данной работы рекомендуется использовать при оптимизации процесса синтеза фуллеренов электродутовым способом. Результаты данной работы дают представление об изменении поверхности катода и анода и, следовательно, позволяют перейти к разработке газоразрядного аппарата синтеза фуллеренов, исключающего возникновение дугового разряда между катодом и стенками аппарата.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования пространственного расположения, формы и размеров частиц, из которых состоят электроды.
2. Результаты исследования изменения геометрических
параметров катодного нароста и анода в зависимости от времени
горения дуги и влияние этого изменения на содержание фуллеренов в
фуллеренсодержащей саже при электродуговом синтезе фуллеренов.
-
Результаты исследования влияния катода сложной формы, экранирующего излучение дуги и охватывающего межэлектродное пространство, на процесс синтеза фуллеренов.
-
Математическая модель инерционного осаждения частиц, образующих катодный нарост в углеродной дуге высокой интенсивности при аномальной плотности тока (50-350 А/см2) на аноде.
Апробация работы и публикации.
Отдельные вопросы и разделы диссертации докладывались на AAAR-95 (Pittsburg, 1995 г.), 8-Annual Conference of Aerosol Society (York, 1994 г.), 9th Annual Conference (Norwich, 1995 г.), II (Москва, 1995 г.) и III (Москва, 1996 г.) Международных Аэрозольных Симпозиумах, III Всероссийской Научной Конференции Студентов-физиков (Екатеринбург, 1995 г.). Работа поддержана грантом International Science Foundation M2UO0O и совместным грантом International Science Foundation и Российского правительства M2U300.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ (5 статей, 10 тезисов докладов).
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, трех разделов, основных выводов и списка литературы, включающего 121 наименований. Диссертация изложена на 118 страницах машинописного текста, иллюстрирована 49 рисунками.
Похожие диссертации на Структура и расположение микрочастиц углерода на поверхности электродов при электродуговом синтезе фуллеренов в инертных газах (Ar, He)
