Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Статьи по КИПиАРасходометрияРегуляторы массового расхода газа для производства углеродных нанотрубок
Производство углеродных нанотрубок основано на контроллерах массового расхода с превосходной долговременной стабильностью для точности и управления несколькими газами
Углеродные нанотрубки (CNTs) представляют собой наноразмерные формы углерода, демонстрирующие исключительные физические и химические свойства. Обнаруженные в 1991 году, эти цилиндрические структуры обычно имеют толщину в один атом и являются одномерными. Они вызвали значительный научный и технологический интерес благодаря своим уникальным характеристикам.
Углеродные нанотрубки демонстрируют:
Они выпускаются в различных формах, включая волокно, пленку, жидкую дисперсию и порошок. Их уникальные свойства делают их идеальными для широкого спектра промышленных применений.
Углеродные нанотрубки в настоящее время используются во множестве промышленных и потребительских приложений. Они стали перспективными кандидатами для решений в области энергетического перехода.
Углеродные нанотрубки в аккумуляторах:
Интеграция углеродных нанотрубок в литий-ионные аккумуляторы обладает огромным потенциалом, обеспечивая более быстрое время зарядки, более высокую плотность энергии, увеличенный срок службы и повышенную безопасность.
Применение углеродных нанотрубок в суперконденсаторах позволяет увеличить плотность энергии. Канаты из углеродных нанотрубок могут достигать гравиметрической плотности энергии до 2,1 МДж/кг, что в 3 раза превышает плотность энергии литий-ионного аккумулятора.
Углеродные нанотрубки в топливных элементах:
Углеродные нанотрубки могут использоваться как эффективные катализаторы, материал биполярных пластин и электродов, обладая потенциалом замещать драгоценные металлы, которые дороги и труднодоступны для добычи. Исследования показали, что покрытие биполярных пластин улучшает устойчивость к коррозии в кислой среде, согласно AIM Press.
Углеродные нанотрубки в водородных технологиях:
Доказано, что углеродные нанотрубки способны поглощать водород с высокой плотностью, обеспечивая лёгкое и стабильное решение для систем хранения водорода, согласно данным AZONano.
Углеродные нанотрубки в солнечных батареях:
Солнечные батареи могут использовать углеродные нанотрубки в качестве материалов для поглощения света и переноса электронов. Кроме того, они могут способствовать терморегулированию панелей, позволяя им оставаться холодными.
Углеродные нанотрубки в биомедицине:
Углеродные нанотрубки также демонстрируют потенциал в биомедицинских приложениях. Их биосовместимость и уникальные поверхностные свойства открывают путь к созданию биосенсоров с исключительно высокой чувствительностью и селективностью. Кроме того, их прочность и гибкость обеспечивают возможности для разработки инновационных медицинских имплантов и систем доставки лекарств.
Другие области применения углеродных нанотрубок:
Композитные материалы с добавлением углеродных нанотрубок значительно улучшают характеристики полимерных материалов, таких как металлы, резины, силиконы, латексы, термореактивные смолы и различные термопласты. Также существует возможность 3D-печати с использованием материалов, содержащих углеродные нанотрубки. Список продолжается применением в волокнах и тканях, фильтрации воздуха и воды, конструкционных решениях, строительных материалах и кабельной продукции.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD) является наиболее широко используемым методом для получения углеродных нанотрубок. В ходе процесса CVD на подложку наносится слой частиц металлического катализатора (например, никеля, кобальта или железа). Размер частиц металла выбирается в зависимости от требуемого диаметра нанотрубок. Подложка нагревается до температуры около 700 °C. (См. Рисунок 1)
Рисунок 1: Как выращиваются углеродные нанотрубки
Углеродсодержащий газ разлагается на поверхности катализатора, атомы углерода диффундируют через нее, образуя осадки на краю катализатора. Существует два механизма роста: 1) Рост с кончика, когда частицы остаются на вершине растущей нанотрубки. 2) Рост от основания, когда катализатор остается прикрепленным к поверхности подложки.
Из камеры CVD углеродные нанотрубки могут собираться на катушку волокна. Дальнейшая обработка волокон позволяет создавать пленку нанотрубок, порошок и жидкие дисперсии. При проектировании процесса CVD для производства углеродных нанотрубок ключевыми экспериментальными переменными являются состав катализатора, расход газа, давление, температура реакции, время пребывания, типы добавок, а также технологический газ и газ-предшественник/углеродсодержащий газ, указанные ниже:
Технологический газ:
И, газ-предшественник/углеродсодержащий газ:
Варьирование любого из этих параметров (переменных) повлияет на выход и качество углеродных нанотрубок (CNTs). См. Рисунки 2 и 3 ниже.
MDPI с детализацией экспериментальных условий для различных образцов.
| Номер образца | Темп. в зоне 1 [°C] | Темп. в зоне 2 [°C] | Темп. в зоне 3 [°C] | Концентрация ферроцена [г/л] | Расход Ar/H₂ [SLPM] | Скорость впрыска раствора [мл/ч] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 300 | 450 | 750–850 | 2 | 2/0.4 | 9 |
| 2 | 300 | 450 | 750–850 | 2 | 0.8/0.2 | 9 |
| 3 | 300 | 450 | 750–850 | 2 | 0.675/0.075 | 9 |
| 4 | 300 | 450 | 750–850 | 2 | 0.5/0.08 | 9 |
| 5 | 300 | 450 | 750–850 | 2 | 0.380/0.060 | 9 |
Ключевые показатели успешного производства углеродных нанотрубок могут быть измерены по:
Для инициирования роста высококачественных нанотрубок массовые расходомеры (MFC) Brooks Instrument, известные исключительным управлением потоком газа и оснащенные цифровыми коммуникационными протоколами, являются критически важной частью процесса управления и точного контроля долговременной стабильности подачи нескольких газов.
Массовые расходомеры Brooks Instrument обеспечивают:
Типичная установка начинается с термомассовых расходомеров Brooks Instrument SLA5800 с интерфейсом EtherNet/IP или PROFINET, обеспечивающих передачу данных в реальном времени между контроллерами расхода газа и ПЛК. Цифровые контроллеры массового расхода серии SLA5800, известные исключительной точностью и прецизионностью, измеряют и управляют подачей нескольких газов в печь.
Точность контроллера массового расхода зависит от долговременной стабильности прибора, что обеспечивает более точное управление потоком газа, снижая вашу совокупную стоимость владения. Дополнительно, механические манометры Brooks Instrument серии 122 обеспечивают надежный локальный мониторинг давления. При наличии входных данных для процесса может начинаться рост углеродных нанотрубок.
На изображении показана панель газоснабжения ведущего реактора для синтеза углеродных нанотрубок, состоящая из четырех контроллеров массового расхода серии SLA5850.
Высокая точность, долговременная стабильность и широкий спектр доступных коммуникационных протоколов, предлагаемые контроллерами массового расхода SLA5800, в сочетании с манометрами Brooks Instrument серии 122, являются критически важными приборами в данной конфигурации установки. Результатом является сокращение времени, затрачиваемого на верификацию и повторную калибровку контроллеров массового расхода. Это способствует максимальному увеличению времени безотказной работы системы и обеспечению стабильного производства.
