Введение к работе
Актуальность работы. Исследование процесса синтеза углеродных наноструктур (УНС) (углеродные нанотрубки, фуллерены), обладающих уникальными механическими и электрическими свойствами, является одним из перспективных направлений развития современной науки Для производства устройств наноэлектроники (транзисторов, мониторов, щупов для электронных микроскопов, флэш-памяти) необходимо получение УНС в производственных условиях, в больших количествах и требуемой структуры
Для получения наноструктур используются электродуговой метод, лазерное распыление, каталитическое разложение углеводородов, электролитический синтез, конденсационный метод и др Для каждого из них технологический режим определяется на основе экспериментальных данных Такой подход не позволяет вести технологический процесс эффективно
Ряд особенностей процесса синтеза таких как быстротечность, малые размеры рабочей области, высокая температура, наноразмеры получаемых продуктов затрудняют экспериментальные исследования и повышают актуальность математического моделирования
Основы моделирования процессов при синтезе углеродных наноструктур заложили в своих трудах такие ученые, как А В Елецкий, И В Золотухин, Н И Алексеев, Г А Дюжев, Г Н Чурилов, Д В Афанасьев, О А Нерушев, S Iijima, Т W Ebbesen, Е G Gamaly
Моделирование всей совокупности процессов, проходящих при синтезе УНС усложняется также необходимостью исследования влияния магнитных, электрических, температурных полей и массообмен-ных процессов Одновременный учет всех факторов в данном процессе весьма проблематичен, так как это приводит к нелинейным начально-краевым задачам математической физики с частными производными, решение которых затруднено даже численными методами
Анализ электродугового метода синтеза УНС показал, что при моделировании целесообразно разделить весь процесс на этапы Разработка структурной модели процесса и выделение этапов синтеза позволит снизить сложность математических моделей, исключив из рассмотрения поля, которыми для данного этапа можно пренебречь, и более точно учитывать все параметры синтеза Такой подход дает возможность существенно повысить точность описания процесса
Теплообмен является определяющим фактором данного технологического процесса, существенно влияющим на результат синтеза Это повышает актуальность решения проблемы моделирования распределения температуры в установке синтеза углеродных наноструктур
Диссертационная работа выполнена на кафедре «Математического моделирования информационных и технологических систем» Воронежской государственной технологической академии с 2003 по 2007 гг по программе Министерства образования Российской Федерации по теме «Математическое и компьютерное моделирование в задачах проектирования и оптимизации функционирования информационных технологических систем» (№ г р 01 2006 06298) Работа выполнялась в рамках гранта РФФИ «Математическое моделирование микромеханических процессов в технологии формирования нано пленок» (№ г р 06-08-01310-а)
Целью работы является разработка и исследование математической модели, позволяющей рассчитать распределение температуры в плазме и определить теплофизические параметры процесса, влияющие на состав углеродного депозита, содержащего наноструктуры
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы следующие задачи исследования
-
Провести анализ особенностей моделирования процесса электродугового синтеза УНС и разработать структурную модель,
-
Разработать математическую модель теплообмена в плазме при электродуговом синтезе углеродных наноструктур и алгоритм решения задачи теплообмена,
-
Исследовать свойства математической модели в условиях изменения входных параметров с использованием вычислительного эксперимента,
-
Разработать пакет прикладных программ и провести апробацию результатов имитационного моделирования теплообмена в плазме при синтезе углеродных наноструктур электродуговым методом
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовался системный подход, методы вычислительной математики и моделирования, теория теплообмена, теория дифференциальных уравнений в частных производных
Обоснованность научных положений, выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается корректным применением пере-
численных методов исследований и экспертизой результатов при их публикации в печатных изданиях
Научная новизна заключается в следующем
-
Разработана структурная модель электродугового синтеза углеродных наноструктур, отличающаяся разделением исследуемого процесса на этапы и устанавливающая взаимосвязь между ними
-
Разработана математическая модель теплообмена в плазме при электродуговом синтезе УНС Получено решение задачи распределения температуры в плазме между торцевыми поверхностями цилиндрических графитовых электродов, отличающееся учетом криволинейное рабочей зоны и позволяющее описать подвижность двух границ
-
Установлена взаимосвязь тепловых потоков и скорости разрушения графитового электрода, позволяющая влиять на состав углеродного депозита, содержащего УНС
Практическая значимость. Разработана имитационная модель, позволяющая рассчитывать температурное поле плазмы в условиях варьирования конструкционных и технологических параметров синтеза По полученному алгоритму разработан пакет прикладных программ, позволяющий влиять на состав углеродного депозита, содержащего УНС
Научные результаты, полученные в диссертационной работе, были внедрены в ОАО Научно-Исследовательский Институт Полупроводникового Машиностроения и Воронежском Государственном Техническом Университете, что подтверждено соответствующими актами внедрения
Апробадпя работы Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Ш международной научно-практической конференции «Моделирование Теория, методы и средства» (г Новочеркасск, 2003 г), на XVII международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г Кострома, 2004 г.), на XII международной научной конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г Воронеж, 2005 - 2007 г ), на XLII - XLV отчетных конференциях ВГТА (2003 - 2006 гг)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
В работах, опубликованных в соавторстве, лично автору принадлежит системный подход исследования процесса синтеза УНС
[1,4-8], методология описания тепловых процессов при синтезе УНС [3-5], разработанная математическая модель распределения температур [1,4-8], проведение численных экспериментов [1,3-8]
Структура и объем работы. Материал диссертации изложен на 118 страницах машинописного текста Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений, содержит 58 рисунков и 7 таблиц Библиография включает 106 наименований
Автор благодарит профессора, д ф-м н А Д Чернышова за ценные научные консультации при разработке математической модели и решение краевых задач, профессора, д т н Г В Попова за ценные научные консультации и обсуждение материалов диссертации
