Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Математическое моделирование кинетики образования углеродных кластерных групп с учетом столкновений частиц в плазме электродугового синтеза углеродных наноструктур

Диссертация: Математическое моделирование кинетики образования углеродных кластерных групп с учетом столкновений частиц в плазме электродугового синтеза углеродных наноструктур
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Полученная математическая модель позволяет определить параметры движения заряженных частиц в плазме с учетом их столкновений. Разработанные на основе модели алгоритмы позволяют учитывать влияние буферного газа, параметров процесса, а также рассчитывать области формирования углеродных кластерных групп и режимы образования катодного депозита. Данные результаты позволят повысить эффективность… Читать ещё >

Математическое моделирование кинетики образования углеродных кластерных групп с учетом столкновений частиц в плазме электродугового синтеза углеродных наноструктур (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Современное состояние моделирования процессов при синтезе углеродных наноструктур
    • 1. 1. Углеродные наноструктуры и их основные свойства
    • 1. 2. Методы получения фуллеренов и углеродных нанотрубок
    • 1. 3. Метод исследования углеродных наноструктур
    • 1. 4. Модели образования углеродных наноструктур
    • 1. 5. Современные методы моделирования углеродной плазмы
    • 1. 6. Численные методы решения уравнения Власова
    • 1. 7. Условия образования кластерных групп при электродуговом синтезе углеродных наноструктур
    • 1. 8. Цели и задачи исследования
  • 2. Математическая модель кинетики образования углеродных кластерных групп
    • 2. 1. Математическое моделирование движения заряженных частиц в плазме
    • 2. 2. Разработка численной схемы решения уравнений модели
      • 2. 2. 1. Метод решения задачи модифицированным методом крупных частиц
      • 2. 2. 2. Нахождение значений электрического и магнитных полей
      • 2. 2. 3. Алгоритм решения задачи модифицированным методом крупных частиц
      • 2. 2. 4. Реализация алгоритма вычисления
    • 2. 3. Анализ результатов решения математической модели
  • 3. Исследование процесса синтеза на основе математической модели
    • 3. 1. Исследование параметров численных расчетов
    • 3. 2. Исследование функций распределения частиц в плазме
    • 3. 3. Исследование функций области образования кластерных групп
  • 4. Методика и техника эксперимента
    • 4. 1. Техника экспериментов
    • 4. 2. Методика эксперимента и обработки экс пер и м ен тал ьных данных
  • 5. Практическое использование результатов моделирования
    • 5. 1. Методика инженерного расчета скорости роста депозитного осадка при электродуговом синтезе углеродных наноструктур
    • 5. 2. Описание программного комплекса расчета скорости роста и состава депозитного осадка при электродуговом синтезе
    • 5. 3. Описание автоматизированной информационной системы управления: процессом синтеза углеродных наноструктур

Актуальной теоретической и практической проблемой исследований в области синтеза фуллеренов и углеродных нанотрубок является поиск наиболее эффективного, экономически целесообразного метода, а также оптимальных условий получение углеродных наноструктур (УНС) в нужных количествах и с заданными качественными параметрами. Однако для достижения этой цели необходимо определить механизмы синтеза этих УНС на основе взаимодействия атомов углерода.

Ведущими исследователями в области математического моделирования процессов в низкотемпературной плазме и формирования УНС при термическом распылении графита являются: Л. Д. Ландау, А. А. Власов, X. Альфен, Л. А. Арцимович Э. Г. Раков и А. В. Елецкий.

Задача направлена на разработку математической модели условий формирования УНС. Моделирование динамики движения заряженных частиц в плазме дугового разряда с учетом столкновений позволит исследовать механизма формирования кластерных структур, определяющих формирование УНС.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом госбюджетных научно-исследовательских работ по теме «Математическое и компьютерное моделирование в задачах проектирования и оптимизации функционирования и нформацио н н ы х техн ол о гических систем» (ГК №.

01.2006.6 298). т.

1. Составлена математическая модель движения заряженных частиц в низкотемпературной анизотропной плазме, основанная на уравнениях Власова и Максвелла с учетом парных взаимодействий между частицами.

2. Разработан модифицированный метод крупных частиц численного решения построенной математической модели с распараллеливанием вычислений.

Получено решение задачи динамики движения заряженных частиц в плазме, 4 отличающееся учетом столкновений частиц, позволяющее определить области образования углеродных кластерных групп.

3. Разработан комплекс программ для проведения синтеза УНС электродуговым методом, а также для моделирования процесса с использованием параллельных вычислений.

Практическая значимость.

Полученная математическая модель позволяет определить параметры движения заряженных частиц в плазме с учетом их столкновений. Разработанные на основе модели алгоритмы позволяют учитывать влияние буферного газа, параметров процесса, а также рассчитывать области формирования углеродных кластерных групп и режимы образования катодного депозита. Данные результаты позволят повысить эффективность процесса синтеза УНС.

Апробация работы" Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях Кибернетика и Высокие технологии 21 века в 2010 и 2011 годах, а так же на отчетных конференциях Воронежской государственной техно л о ги ч ее кой академии в 2009, 201.0, 2011 годах.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.

Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. Личный вклад автора заключается в постановке задач и их решении. Автором разработаны математические модели, приведены методы расчета синтезированы алгоритмы и предметно-ориентированные программы.

Основные выводы по работе.

1. Разработана математическая модель движения заряженных частиц в низкотемпературной плазме с учетом взаимодействий между частицами углерода и буферного газа, позволяющая исследовать условия образования углеродных кластерных групп в плазме дугового разряда.

2. Разработан модифицированный метод крупных частиц численного решения построенной математической модели с распараллеливанием вычислений, предоставляющей возможность управлять совокупностью виртуальных персональных компьютеров с различными конфигурациями, с целью повышения эффективности расчетов.

3. Проведены численные эксперименты по предложенной модели, но влиянию основных параметров на процесс синтеза на кластерном уровне. Анализ моделирования показал, что зона интенсивного образования кластерных групп углерода при синтезе нанотрубок имеет форму кольца в при катодной области с диаметрами внутренним 0.4ёэл и внешним 0.7<1)Л.

4. Исследование параметров модели показало, что вероятность образования кластерных групп в плазме при синтезе фуллеренов на порядок выше, чем в режиме синтеза нанотрубок При этом варьируя технологические параметры модели, процесс возможно вести и без образования катодного депозита.

5. Разработан пакет предметно-ориентированных программ, позволяющих проводить экспериментальные исследования, проводить численные эксперименты и исследовать разработанную м аг е м, а г и ч е с ку ю модель.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Л. В., Карачевцев Г. В., Кондратьев В. Н. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и. сродство к электрону. М.1. Наука, 1974. С. 351.
  2. Kroto H. W" Heath R. J., O’Brien S. С. C60: Buckminsterfullerene // Nature. 1985. Vol. 318. P. 162.
  3. Д. А, Гальперн E. Г. // Докл. АН СССР. 1973. Т. 209, № 3. С. 610.
  4. Нобелевская премия по химии за 1996 год. http: //nobelprize. org/ no-belprizes/chemistry/Iaiireates/1996/.
  5. , А. В. Углеродные нанотрубы и их эмиссионные свойства Текст. / А. В. Елецкий // УФН. 2002. — т. 172, № 4. — С. 401 — 438.
  6. , Дж. Мир наноматериалов и нанотехнологий Текст.: углеродные нанотрубы к родственные структуры / Джордж Харрис — пер. с англ.
  7. Л.А. Чернозатонского. М.: Техносфера, 2003.
  8. В., Будтов В. П., Данилов О. Б., Мак А. А. // Оптический Журнал. 1997. Т. 64, № 12. С. 3.
  9. А. В., Смирнов Б. М. Фуллерены и структуры углерода // УФН. 1995. Т. 165, № 9. С. 977.
  10. Л.А., Сагдеев Р. З. Физика плазмы для физиков. М. :АтомИздат, 1979. — 322с.
  11. Ebhesen, T.W. Carbon nanotube Текст. / T.W. Ebbesen // Ann. Rev. Mater. Sei. 1994. — 24, № 235. — P. 34 — 37.
  12. А. В. Механические свойства углеродных наноструктур и мате106риалов на их основе // УФН. 2007. Т. 177, № 3. С. 233−274. URL: http ://afn. rn/ru/artieIes/2007/З/а/.
  13. А. И. Аппаратура и методы исследования углеродных нанотрубок // УФН. 2010. Т. 180, № 3. С. 265−288.
  14. , С. Н. Предпосылки к управлению синтезом углеродных нанот-рубок Текст. / С. Н. Аксенов, С. В. Ершов, Г. В. Попов // Матер. VI международной конф. «Кибернетика и высокие технологии», ВГУ. 2003.- С. 575- 579.
  15. Reziiik, D. X-ray powder diffraction from nanotubes and nanoparticles Текст. / D. Reznik, С. H. Olk, D. A. Neumann, J. R. D. Copley // Phys. Rev. B. -1995 .- voi. 52, A^ 1. P. 116- 124.
  16. , А. С. Сравнительное изучение различных способов очистки одно-стенных углеродных нанотрубок Текст. / А. С. Лобач, Н. Г. Спицына, С. В. Терехов, Е. Д. Образцова // Физика твердого тела.- 2002. т. 44, вып.3,-С. 457−459 .
  17. Maniwa, Y. Multiwalled carbon nanotubes grown in hydrogen atmosphere: An x-ray diffraction study Текст. / Y. Maniwa, R. Fujiwara, H. Kira // Phys. Rev. B. 2001 vol. 64, № 73 105. — P. 1 — 7.
  18. Ю. E., Попов A. M. Свойства и нанотехнологические применения нанотрубок // УФН. 2007. Т. 177, № 7. С. 786−799.
  19. А. В. Углеродные нанотрубки // УФЫ. 1997. Т. 167, № 9. С. 945−972.
  20. Проводимость и термо ЭДС углеродных депозитов, содержащих нанотрубки Текст.: дис.. канд. физ.- математ. наук.: 01.04.07 / Д. А. Держ-нёв. — Воронеж, 2006. — 106 с.
  21. Yu, М. F. Tensile Loading of Ropes of Single Wall Carbon Nanotubes and their Mechanical Properties Текст. / M. F Yu, S.F. Bradley, S. Arepall et al. // Phys. Rev. Letter. 2000. — vol. 84. № 24. — P. 5552 — 5555.
  22. Novoselov K. S. Electriv Field Effect in Atomicall Thin Carbon Films // Science. 2004. Vol. 306, no. 666.
  23. С. В., Новоселов К. С, Гейм А. К. Электронный транспорт в графене // УФЫ 2008. Т. 178, № 7. С, 776.
  24. Thess, A. Novel structures from arc vaporized carbon and metal: single -layer nanotubes and metallofuHerencs Текст. / A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev et al. // Surf Rev. Lett. — 1993. — № 3. — C. 765 — 769
  25. Talbot L. Chou Y.S. In Raregied Gas Dynamics (C.L. Brundin ed.), vol 11, Academic Press, New York, 1969, p. 1723.
  26. , А. Г. Влияние остаточного газа на зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда Текст. / А. Г. Николаев, Е. М. Оке, Г. Ю. Юшков // Журнал технической физики. 1998. — т. 68, № 9. — С. 24−28.
  27. , А. Г. Зарядовое распределение ионов в плазме вакуумного дугового разряда в сильном магнитном поле Текст. / А. Г. Николаев, Е. М. Оке, Г. Ю. Юшков // Журнал технической физики. 1998. — т. 68, № 5. — С. 39 — 43.
  28. А. И. Электродные системы к углеродным нанотрубкам и методы их изготовления // Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 3. С. 243−253. URL: http://ufn.ru/ru/artic 1 es/2009/З/Ь/.
  29. A.B. Кудрявцева H.A. Применение метода крупных частиц для анализа поведения двухкомпонентной плазмы с учетом столкновений между заряженными частицами//Научный вестник МГ ТУ ГА. Серия математика и физика. М.:МГТУ ГА, № 114, 2007, с. 67−74.
  30. Science And Application Of Nanotubes Электронный ресурс.: Ed. by D. Tomanek, R. J. Enbody. Электронные тестовые и граф. данные. (9 Мб). -Michigan: Kl uvver academic publishers, 2000.
  31. А. В., Искан дарова. И. М., Книжник А. А., Красиков Д. Н. Графе н: методы получения и теплофизические свойства // Успехи физических наук. 20i 1. Т. 181, № 3. С. 233−268. URL: http://ufn.ru/m/articles/2011/3/а/.
  32. Нобелевская премия по физике за 2010 год. http://nobelprize.org/ nobel prizes/physics/laureates/2010/.
  33. А. С, Спицына H. Г., Терехов С. В., Образцова Е. Д. Сравнительное изучение различных способов очистки одностенных углеродных Habi отрубок /./ Физика твердого тела. 2002. Т. 44, № 3. С. 457−459.
  34. В. С, Жайнаков А. Ж., Самсонов М. А. Потоки плазмы в сварочных дугах // Автоматическая сварка. 1969. № 12. С. 13−16.
  35. Kraetschmer W, // Nature. 1990. Vol. 347. P. 354.38. lijima S. // Nature. 1991. Vol. 354. P. 56.
  36. Гаврил ob А. П., Пологно E. А., Рязанов А. Анализ методов синтеза и промышленное производство углеродных нанотрубок // Вестник Воронежской государственной технологической академии. 2010. № 6. С. 1419.
  37. А. Г. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. Москва: Издательство Машиностроение-1, 2007. С. 316.
  38. Ю.М. Метод крупных частиц. // Математическая энциклопедия.—М.: Сов. Энциклопедия, 1985, т. З, с. 125−129.
  39. О.М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент. М.: Паука, Физматгиз, 1982.
  40. ЮМ. Метод крупных частиц для задач газовой динамики. Дисс. канд. физ.-мат. наук-М., 1970. -183 с.
  41. А. И. Аппаратура и методы исследования углеродных нанотрубок // Успехи физических наук. 2010. Т. 180, № 3. С. 265−288. URL: http://ufn.ru/ru/articles/2010/3/d/.
  42. М.В. Математическое и физическое моделирование работы плоского электрического зонда. Дисс. канд. физ.-мат. наук. — М.: МАИ, 1997.
  43. A.M., Мальков М. А. Диагностика плазмы в магнитном поле. Плоский зонд//Изв.вузов.Сер.физ.1984,№ 3,с.29−39.
  44. Чан П., Тэлбот Л., Турян К. Электрические зонды в неподвижной и движущейся плазме. М. Мир, 1978. — 202 с.
  45. P.E. Теория электрических зондов цилиндрической формы в свободном молекулярном потоке. РТК, 1968, г. 6, № 4, с. 161−167
  46. В. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Нижний Новгород: Российская академия наук, Институт физики микроструктур, 2004.
  47. К.И. Теория электрических зондов в плотной плазме. // Журн. Техн. Физ. т. 40, 1970, с. 790 -797.
  48. Г. Н. К вопросу о переходе углеродной плазмы в фуллеренопо-добное состояние углерода // Успехи физических наук. 2000. по. 810. Pp. 2−8.
  49. Лозовик К)., Попов А. Образование и рост углеродных наноструктур -фуллеренов, нанотрубок, наночастиц, конусов // Успехи физических наук. 1997. Т. 167, № 7. С. 752−754.
  50. М. В., Паугурт А. П. О механизме образования фуллеренови углеродных нанотрубок // ЖТФ. 2005. Т. 31, № 8. С. 6−11.
  51. Покрой ивный А. В., Покронивный В. В. Дислокационный механизмформирования нанотрубок // ЖТФ. 2003. Т. 29, № 12. С. 21−14.
  52. А. А., Дайнингер Д., Дюжев Г. А. Сравнительное изучение различных способов очистки одностенных углеродных нанотрубок // ЖТФ.2000. Т. 5, № 70. С. 1−7.
  53. , И. В. Термоэлектрические свойства нанотрубных и фрактальных углеродных депозитов Текст. / И. В. Золотухин, И. М. Голев, А. А. Попов, В. П. Иевлев // Письма в ЖТФ. 2002.- т. 28, вып. 16. — С. 32−36.
  54. Э. Г. Химия и применение углеродных нанотрубок // Успехи химии. 2001. Т. 70, № 10. С. 934−973.
  55. С. К, Забродин A.B., Иванов А. Н., Крайко Г. П., Прокопов Г. П. Численное решение многомерных задач газовой динамики. М.:Наука, 1976.-400 с.
  56. И. В. Применение численных методов для моделирования процессов в плазме: учебное пособие. М: МИФИ, 2007. С. 84.
  57. В.М. Основы численных методов. М.: Высшая школа, 2002. — 840 с.
  58. В.А., Григорьев Ю. Н. Численные методы «частицы в ячейках». Новосибирск, Наука, Сибирская издательская фирма РАН, 2000.- 184с.
  59. Гидаспов В.10., Иванов Н. Э., Ревизников Д. Л. Численные методы. Сборник задач. М.:Дрофа, 2007. 144 с.
  60. И. К., Муртазаев А. К., Алиев X. К. Исследование фазовых переходов и критических явлений методами Монте-Карло. // Успехи физических наук. 1999. Т. 169, № 7. С. 773−795. URL: http-//ufn.ru/ru/articles/l999/7/dl/.
  61. С. В. Моделирование методом Монте-Карло в статистической физике // Успехи физических наук. 1989. Т. 159, № 9. С. 187−188. URL: http ://ufn • г ц/ru/a rfides/1989/9/i/.
  62. . В. Физические основы обобщенной больцмановской кинети112ческой теории газов // Успехи физических наук. 2000. Т. 170, № 6. С. 649 679. URL: http://itfn.rU/rti/articles/200Q/6/d/.
  63. В. П. Кинетика слабостолкновительной плазмы // Успехи физических наук. 2002. Т. 172, № 9. С. 1021−1044. URL: http://ufn.ru/ru/ articIes/2002/9/Ь/.
  64. И. И. Прикладная магнитная гидродинамика. Атомиздат, 1969.
  65. А. М., Топтыгин И. Н. Кинетика частиц в сильно турбулентной плазме (Методы перенормировок и самосогласованного поля) // Успехи физических наук. 1993. Т. 163, № 11. С. 19−56. URL: http://ufn.ru/ru/ аг-ticles/1993/11/Ь/.
  66. А. М., Топтыгин И. Н. Неустойчивости многокомпонентной плазмы с ускоренными частицами и генерация магнитных полей в астрофизических объектах // Успехи физических наук. 2007. Т. 177, № 2. С. 149 182. URL: http://ufn.ru/ru/articles/20Q7/2/b/.
  67. Л. И, Механика сплошной среды. СПб.: Лань, 2004.
  68. Матвеев A, IT. Электричество и магнетизм: учеб. пособие для студентоввузов, дом «ОНИКС 21 век», 2010.
  69. У. Г. Численные методы: учеб. пособие для студ. вузов. Дрофа, 2004.
  70. Kiskeri Н. The Fokker-Pianck equation: Methods of solution and applica-tions.//Springer Series in Synergetics.- Springer Verlag, v. 18, 1996.
  71. . В. Физические принципы обобщенной больцмановской кинетической теории ионизованных газов. // Успехи физических наук. 2003.
  72. Т. 173, №> 2. С. 145−174. URL: http://ufn.m/ru/articles/2003/2/b/.113
  73. ., Фернбах С, Ротенберг М. Вычислительные методы в физике плазмы. Москва изд. МИР, 1974. С. 410.
  74. Р., Иствуд Д. Численное моделирование методом частиц: Пер. с англ. М: Мир, 1987. С. 640. '
  75. A.B., Михайлов Н.А.Численное моделирование. Методы Монте-Карло. Учебное пособие для вузов. М.: Academia, 2006. 368 с.
  76. В., Смягликов И., Золотовский А. и др. Двухканальная спи-ралеподобная дуга между графитовыми электродами при пониженном давлении // Письма в ЖТФ. 200. Т. 26, № 11. С. 80−83.
  77. Д. А. Ф. Плазма четвертое состояние вещества. Атомиздат, 1963.
  78. А. М., Рыбкин В. Вакуумно-плазменные процессы и технологии: учебное пособие. ГОУВПО Иван. гос. хим.-техн. ун-т Иваново, 2006.1. С. 260.
  79. В. В. Метастабильные фазы, фазовые превращения и фазовые диаграммы в физике и химии // Успехи физических наук. 2006. Т. 176, № 7. С. 745−750. URL: http://ufn.ru/ru/articles/20Q6/7/d/.
  80. М., Козлов Н., Пустогаров А. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах. Новосибирск: Наука, 1983.
  81. Р. Численные методы плоской задачи теплопроводности. Казань: Издательство Казанского государственного университета, 2007.
  82. B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: ФИЗ МАТ Л ИТ, 2002. 496 с.
  83. Р. С, Смирнов Б. М. Фазовые переходы в кластерах различных ти114пов /7 Успехи физических наук. 2009. Т. 179, № 2. С. 147−177. 1ЖЬ: Ь11р1//ип1.ги/т/а111с1е8/2009/2/Ь/.
  84. Н., Дюжев Г. А. Дуговой разряд с испаряющимся анодом (Почему род буферного газа влияет на процесс образования фуллеренов?) // ЖТФ. 2001. Т. 71, № 10. С. 41−49.
  85. , А. Рентгенография кристаллов Текст. / А. Гинье. М.: Физматгиз, 1961.
  86. , Н. В. Структурная кристаллография Текст. / Н. В. Белов. М.: Наука, 1951.
  87. И.А., Пантелеев А. В. Моделирование динамики двухкомпонентной плазмы с учетом столкновений между заряженными частицами в случае плоского зоБда./Весшик МАИ. Прикладная математика, механика, физика. М: МАИ, т. 16, № 2,2009.-с.114−121.
  88. В. Л. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. Российская академия наук, Институт физики микроструктур, Нижний Новгород, 2004 г. 110 с
  89. Р.З.Бахтизин, Р. РТаллямов «Физические основы сканирующей зондовой микроскопии», Уфа, РИО БашГУ, 2003, 82с.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!