纳米等离子体喷涂中纳米颗粒多相流的数值研究

纳米等离子体喷涂是一项新兴的材料技术，能在比较便宜的基体材料上沉积一定厚度的特殊物性的纳米涂层，有着广阔的市场前景。本项目在已取得的工作基础上，对纳米等离子体喷涂中的纳米颗粒多相流过程进行理论分析、数值计算和系统研究，围绕粒子的雾化、破碎、聚并、受力、加速、熔化、蒸发等过程中所涉及的多相流问题进行了深入的研究。建立了包括颗粒雾化、破碎、碰撞、凝并等完整飞行过程的的粒子多相流模型；模型给出了纳米颗粒所受拖曳力、萨夫曼力、布朗脉动力等的表达式，确定了不同流场和不同颗粒条件下的主导力；考虑了多相流过程中二次雾化、碰撞、蒸发等对纳米颗粒直径变化的影响，计算了纳米颗粒速度、温度、熔化度等状态参数，计算结果与实验结果吻合较好；同时，用该模型探讨了高温等离子体射流的工况，纳米颗粒的材料、尺寸等对粒子飞行过程及其喷涂效果的影响，为工程应用提供了理论依据。

纳米等离子体喷涂技术中，纳米颗粒的多相流基础研究远远落后于应用，特别是纳米颗粒的聚并、飞行等的机理尚不清楚。本研究通过对纳米等离子体喷涂中的纳米颗粒多相流过程进行理论分析、数值模拟和实验研究，达到以下目标：给出流体介质非连续性条件下纳米颗粒所受的拖曳力、范德华力、屏蔽静电力、布朗脉动力的表达式，用量纲分析找出不同雷诺数下的主导力；用拉格朗日方法直接数值模拟多个纳米粒子的聚并过程，给出聚并直径与初始状态的关系；制备纳米颗粒悬浮液并测量聚并直径，实验结果用于验证数值模型；建立等离子体射流中纳米粒子飞行、熔化和碰撞过程的多相流模型；实现纳米等离子体喷涂多相动力学全过程的建模，模拟不同参数下纳米粒子的聚并、雾化、飞行、碰撞、熔化、蒸发和氧化过程；研究纳米粒子初始直径、悬浮液物性、雾化气液比、射流温度和速度、飞行距离等参数对喷涂效果的影响，为工程应用提供理论依据。

混合纳米颗粒，特别是作为催化剂已应用于各个领域，但由于颗粒间力存在，极易团聚，其优良特性未得到有效利用。如何减少甚至消除其团聚，是目前急需解决的难题。振动流化床已经广泛应用在化工、生物制药、能源、微电子等工业上，具有优良的传质和传热特性，能破碎聚团，无疑是一个很好的选择，但振动对流化床中纳米聚团的破碎作用机理还不十分清楚，严重影响其工业应用。本申请项目将以气-固流化床中混合纳米颗粒聚团为研究对象，探讨振动对混合纳米聚团的破碎作用机理。主要内容为：1）研究振动大小和频率对多种纳米颗粒混合物流化性能的影响；2）研究振动对混合纳米颗粒聚团的破碎规律，建立数学模型。3）纳米颗粒聚团结构不同于微米颗粒聚团的紧密结构，因此，微米级颗粒的粘性能的表达式已不适用，需寻找一种新的表征方法；4）确定混合纳米颗粒聚团之间的碰撞能。最后，进行计算与优化，为混合纳米颗粒的工业化应用提供理论基础。 本项目通过对三种二元纳米颗粒混合物SiO2/TiO2, SiO2/ZnO和TiO2/ZnO在振动流化床中聚团流化行为和聚团大小随操作条件变化的规律的研究，得出振动能的引入可以有效的消除节涌、抑制沟流、降低最小流化速度、减小聚团尺寸，显著地改善了混合纳米颗粒的流化质量。一定质量分数的SiO2和TiO2纳米混合物在振幅为3.0 mm、频率为40 Hz时，能够正常流态化。频率小于15 Hz的低频振动对混合体系流态化的改善不大。纳米颗粒在流化床中流化一段时间后聚团才形成比较稳定的硬聚团。 针对混合纳米颗粒振动流化床提出了修正的能量平衡模型，所预测的混合纳米颗粒聚团大小与实验测量的混合纳米颗粒聚团大小一致。还通过Richardson-Zaki方程结合Stokes定律预测了混合纳米颗粒聚团大小，其预测值也与实验结果一致。

混合纳米颗粒，特别是作为催化剂已应用于各个领域，但由于颗粒间力存在，极易团聚，其优良特性未得到有效利用。如何减少甚至消除其团聚，是目前急需解决的难题。振动流化床已经广泛应用在化工、生物制药、能源、微电子等工业上，具有优良的传质和传热特性，能破碎聚团，无疑是一个很好的选择，但振动对流化床中纳米聚团的破碎作用机理还不十分清楚，严重影响其工业应用。本申请项目将以气-固流化床中混合纳米颗粒聚团为研究对象，探讨振动对混合纳米聚团的破碎作用机理。主要内容为：1）研究振动大小和频率对多种纳米颗粒混合物流化性能的影响；2）研究振动对混合纳米颗粒聚团的破碎规律，建立数学模型。3）纳米颗粒聚团结构不同于微米颗粒聚团的紧密结构，因此，微米级颗粒的粘性能的表达式已不适用，需寻找一种新的表征方法；4）确定混合纳米颗粒聚团之间的碰撞能。最后，进行计算与优化，为混合纳米颗粒的工业化应用提供理论基础。

<1>磁控溅射法形成Co/Zno多层交叉纳米颗粒膜，经过几种不同温度的退火处理，首次发现具有超顺磁特性，实验数据用Langevin函数进拟合理论与实验结果拟合较好，发现随退火温度的变化颗粒直径渐变化，Co氧化物的出现对磁性产生影响<2>直流磁控溅射法形成Co/ITO多层交叉纳米颗粒膜发现室温下正磁电阻效应<3>直流磁控溅射法形成Co/Ta多层交叉纳米颗粒膜首次发现磁滞回线产生对称台阶结构<4>磁控溅射制出氧化亚铜颗粒膜，用于Cu/AIN坚合效果较好，对Cu/AIN直接坚合理论上有新解释<5>化学沉淀法形成内箝稀土纳米颗粒氢氧化镍膜，发现新的光电特性<6>氢催化单晶硅纳米颗粒氧沉淀减少缺陷，应用价值重大<7>硅锗合金氧化有望纳米颗粒Ge从硅锗中析出产生发光效应，形成新的发光材料。