Herstellung und Auswertung der Hybrid Composites der chemischen Treibstoff und mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren in das Studium der Thermokraft Waves

Summary

A protocol for conducting thermopower wave experiments is presented. The synthesis of hybrid composites of a chemical fuel and micro/nanostructured material, manufacturing of a thermopower wave generator, and methods for measuring the corresponding physical phenomena are described.

Abstract

Wenn eine chemische Brennstoff in einer bestimmten Position in einem Hybridverbundwerkstoff aus dem Brennstoff und einem Mikro / nanostrukturierten Materials gezündet wird, tritt der chemischen Verbrennung an der Schnittstelle zwischen den Brennstoff- und Kernmaterialien. Gleichzeitig führen dynamische Änderungen in der thermischen und chemischen Potentials für die Mikro- / nanostrukturierten Materialien in gleichzeitige Erzeugung elektrischer Energie durch Ladungstransfer in der Form einer High-Ausgangsspannungsimpuls induziert. Wir zeigen das gesamte Verfahren einer Thermowellenexperiment, von der Synthese bis zur Auswertung. Thermische chemische Dampfabscheidung und die Nassimprägnierung Prozesse jeweils für die Synthese eines mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Anordnung und einer hybriden Verbund Pikrinsäure / Natriumazid / mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden. Die hergestellten Hybridverbindungen werden verwendet, um eine Thermowellengenerator mit Verbindungselektroden herzustellen. Die Verbrennung des Hybrid-Verbundmaterial wird durch Lasererwärmung oder Joule-Heizung, und th initiierte entsprechende Verbrennungsausbreitung, direkte Erzeugung elektrischer Energie, und Echtzeit-Temperaturschwankungen werden gemessen unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-Mikroskopiesystem, ein Oszilloskop, und ein optisches Pyrometer auf. Ferner sind die entscheidenden Strategien für die Synthese von Hybridverbund und Initiierung der Verbrennung, die die Gesamtthermokraft Wellenenergieübertragung zu verbessern angenommen werden vorgeschlagen.

Introduction

Chemische Energieträger haben eine sehr hohe Energiedichte und in großem Umfang als nützliche Energiequellen in einem breiten Spektrum von Anwendungen von Mikrosystemen verwendet werden, um Makrosysteme. ¹ Insbesondere haben viele Forscher versucht, chemische Brennstoffe als Energiequelle für die nächste Generation von Mikro- / Nanosysteme verwenden basierenden Technologien. ² jedoch aufgrund der Schwierigkeit bei der Integration von Energieumwandlungskomponenten in sehr kleinen Räumen in Mikro- / Nanogeräten, gibt es grundlegende Einschränkungen zur Umwandlung chemischer Brennstoffen in elektrische Energie. Daher hat die Verbrennung von chemischen Brennstoffen vor allem für die Herstellung von chemischer oder mechanischer Energie in Mikro- / Nanogeräten wie nanothermites oder Mikroaktoren eingesetzt. ^1,3

Thermowellen-a neu entwickelte Energieumwandlungskonzept haben beträchtliche Aufmerksamkeit als ein Verfahren zum Umwandeln der chemischen Energie eines Brennstoffs direkt in elektrische ene zogenrgy ohne Verwendung irgendwelcher Komponenten konvertieren. ^4,5 Thermokraft Wellen können unter Verwendung eines Hybrid-Verbundmaterial einer chemischen Brennstoff und eine Mikro- / nanostrukturierten Materials erzeugt werden. ⁵ Wenn die chemische Brennstoff in einer bestimmten Position in einem Hybridverbundwerkstoff gezündet wird, tritt der chemischen Verbrennung entlang die Schnittstelle zwischen der chemische Brennstoff und mikro- / nanostrukturierten Materials. Gleichzeitig dynamischen Veränderungen in der thermischen und chemischen Potentials über den Kern mikro- / nanostrukturierten Materials führen gleichzeitige Erzeugung elektrischer Energie durch Ladungstransfer in der Form einer High-Ausgangsspannungsimpuls induziert. Es ist erwiesen, dass diverse Mikro- / nanostrukturierte Materialien wie mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) ^4-6 und ZnO, ⁷ Bi ₂ Te _3, ⁸ Sb ₂ Te _3, ⁹ und MnO ₂ ¹⁰ Mikro / nanostrukturierten Materialien ermöglichen Hybridkomposite um Thermowellen nutzen und zeigen, chemisch-thermische-electrical Energieumwandlung. Insbesondere Kernmaterialien mit hohem Seebeck-Koeffizienten ermöglichen die Erzeugung eines hohen Ausgangsspannungen ausschließlich aus propagiert Verbrennung. Jedoch können auch andere Parameter, die sich auf identische Verbundstoffe, wie etwa die Mischung von chemischen Brennstoffen Masseverhältnis von Kraftstoff / Kern-Materialien, das Herstellungsverfahren und Zündbedingungen kritisch beeinflussen die Gesamteigenschaften des Thermo Wellen.

Hier zeigen wir, wie sich die Herstellungsverfahren, die Bildung eines ausgerichteten chemischen Treibstoff und Massenverhältnis von Kraftstoff / Kernmaterialien beeinflussen Thermowellenleistung. Auf der Grundlage einer MWCNT Array durch thermische chemische Dampfabscheidung (TCVD) hergestellt ist, gezeigt, wie ein Hybrid-Verbundmaterial einer chemischen Brennstoff und MWCNTs zur Thermowellenenergieerzeugung vorbereitet. Design des experimentellen Aufbaus, der die Bewertung der Energieumwandlung ermöglicht wird zusammen mit entsprechenden experimentellen Messungen für Prozesse wie Verbrennung propagati eingeführtauf und direkte Erzeugung elektrischer Energie. Außerdem zeigen wir, dass Polaritätsverteilung beschriebenen durch das dynamische Ausgangsspannung und spezifische Spitzenleistung entscheidend bestimmt die elektrische Energieumwandlung. Diese Studie wird spezifische Strategien liefern, um die Energieerzeugung zu verbessern, und werden für das Verständnis der zugrunde liegenden Physik der Thermowellen helfen. Darüber hinaus wird das Herstellungsverfahren und die hier beschriebenen Experimente bei der Ausweitung der Forschungsmöglichkeiten auf Thermo Wellen auf chemisch-thermisch-elektrischen Energieumwandlung zu helfen, aber auch.

Protocol

1. Synthese von vertikal ausgerichteten Multi-Walled Carbon Nanotubes (VAMWCNTs) Herstellung der Wafer und die Ablagerung von Katalysatorschichten Vorbereiten eines n-Typ (100) Si-Wafer. Abscheidung einer 250 nm dicken SiO 2 -Schicht auf dem Si-Wafer durch thermische Oxidation oder alternative Verfahren, wie Sputtern. Injizieren 200 sccm O 2 für 3 h 20 min bei 1000 ° C in einem Horizontalofen. Verwenden Schütt Al 2 O 3 (99,9%) als Meh…

Representative Results

Die ausgerichtete MWCNT Array als Kernnanostrukturierte Material für Thermo Wellen wurde durch TCVD, 11-13 synthetisiert, wie in 4A gezeigt. Der Durchmesser der aufgewachsenen MWCNTs 20-30 nm (Abbildung 4B). Die ausgerichtete Hybridkomposit der Pikrinsäure / Natriumazid / MWCNTs ist in 5A gezeigt. Dieser Verbundstoff wurde durch das Nassimprägnierungsverfahren synthetisiert, 14 wie in dem Protokoll beschrieben. Um eine Schnittstelle zwischen der…

Discussion

Die Protokolle der Thermowellenexperimente beinhalten kritische Schritte, die ideale thermische Wellenausbreitung sowie elektrische Energieerzeugung zu ermöglichen. Erstens, die spezifische Position der Zündung und die entsprechende Reaktion Übertragung erhebliche Faktoren bei der Kontrolle der Energieumwandlung von Thermo Wellen. Zündung an einem Ende des Hybridverbund startete entlang der Grenzflächen zwischen den Kernmaterialien und chemischen Brennstoffen in einer Richtung geführt Verbrennung. Zündung an jede…

Materials

4” n-type silicon wafer	Unisill	4” Si-wafer
Al2O3	TAEWON	A-1008	99.9999% Purity
Fe	Sigma Aldrich	267945	99.9999% Purity
Ar	Seoul specialty gas	Ar(N60)	99.9999% Purity
C2H4	Seoul specialty gas	C2H4	99.5% Purity
H2	Seoul specialty gas	H2(N60)	99.9999% Purity
Silver paste	Fujikura Kasei	D-550
Picric acid	Sigma Aldrich	197378	＞98% Purity Highly toxic
Sodium azide	Sigma Aldrich	S2002	＞99.5% Purity
Acetonitrile	Sigma Aldrich	271004	99.8% Purity
Power supply	Mastech	HY3010
TCVD	Scientech	TCVD
Oscilloscope	Tektronix	DPO2004B
High-speed microscopy system	Phantom	V7.3