多尺度多场耦合的纳米TiO2薄膜制备精确能量模型研究

Preparation of nano-products is energy-intensive. While energy consumption mechanism and low-carbon running method of nano-preparation process has not been scientifically explored accurately, this cannot satisfy the strategic requirements of nano low-carbon manufacturing and sustainable development. In this proposal, case study will be conducted on a Low-Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) process for nano-TiO2 film preparation. The research will be conducted as follows: First of all, considering the relationship among pressure field, velocity field, concentration field and temperature field, macroscopic finite-volume method and mesoscopic total energy distribution function DDF-LBE model are coupled to construct precise technological energy model of multiscale and multifield. Behavior of rarefied carrier gas movement and diffusion based on chemical reactions mechanism will be studied systematically. Specific energy calculation method will be put forward for the convenient of practical applications.Then exergy balance equation of components carrier gas will be developed, exergy analysis is performed to study energy utilization and the reason of energy irreversible loss will be found out. Energy-saving optimization method of nano-TiO2 film preparation will be explored. Both theoretical and experimental methods will be adopted to validate and revise the theoretical models. Finally, a complete theoretical system will be developed about Nano-TiO2 film preparation for energy consumption analysis and low-carbon running. The research results can provide the theoretical and data supports for the demand of nano-products low-carbon manufacturing and life cycle assessment.

纳米产品制备是能量密集型产业，目前尚未准确掌握纳米制备过程能量消耗机理和低碳运行方法，不能满足纳米产品批量化生产、低碳制造和可持续发展的战略需求。本项目以低压化学沉积方法（LPCVD）制备纳米TiO2薄膜为研究案例，采用宏观有限容积法和介观总能分布函数DDF-LBE模型多尺度耦合的方法，综合考虑压力场、速度场、浓度场和温度场等多物理场间的耦合关系，研究纳米TiO2薄膜制备精确工艺能量模型建模机理，揭示基于化学反应机理的稀薄运载气体运动和扩散行为，提出便于实际应用的比能耗计算方法。建立多组分运载气体?平衡方程，揭示能量利用和转换过程中的品质变化规律，探索纳米TiO2薄膜制备过程低碳优化运行方法，通过理论与实验相结合的方法对理论模型进行验证和修正，最终形成纳米TiO2薄膜制备的能耗分析和低碳运行的理论和方法体系。研究结果能够为纳米产品低碳制造和生命周期评估提供基础理论和数据支持。

纳米材料制备过程存在能耗高、材料利用率低和环境污染大等问题。纳米材料制备过程精确能耗分析是纳米可持续发展的基本前提，同时也是开展产品生命周期评估的有利保障。本项目按照计划进行，圆满完成了预期提出的研究目标，不仅以低压化学气相沉积法制备纳米TiO2薄膜为案例，研究建立了LPCVD方法制备TiO2薄膜的精确能量模型，而且以原子层沉积法制备纳米Al2O3薄膜为案例，研究建立了ALD方法制备AL2O3薄膜的精确能量模型；同时，完成了LPCVD法制备TiO2薄膜环境影响评价，预测了未来我国LPCVD工艺的能耗和碳排放的走势。.本项目综合考虑压力场、速度场、浓度场和温度场等多物理场间的耦合关系，通过理论与实验相结合的方法，在纳米薄膜制备过程运载气体扩散行为、纳米薄膜制备精确能耗模型建立、纳米薄膜制备比能耗计算方法、纳米材料生命周期评价方法等方面取得了重要研究进展。具体来说：项目以低压化学气相沉积系统为实验设备，研究基于化学反应的运载气体运动与扩散行为。基于化学热力学理论，建立TiO2薄膜制备精确工艺能量模型，基于比能耗定义和纳米制备工艺特征，提出TiO2薄膜制备工艺的比能耗计算方法。分析不同组纳米制备工艺参数下能耗和物耗规律，提出了基于试验的TiO2薄膜制备低碳运行方法。以原子层沉积系统为实验设备，采用Boltzmann方法中的LBGK-D2Q9和TRT两种模型，建立了ALD方法制备Al2O3薄膜过程中运载气体运动方程，分析了Al2O3薄膜制备过程能耗和物耗变化规律，提出了Al2O3薄膜制备工艺的比能耗计算方法，完成纳米Al2O3薄膜制备过程火用流分析。以LPCVD法制备TiO2薄膜工艺为研究对象，采用生命周期评价方法，实验和文献检索获得纳米TiO2薄膜生命周期过程中所涉及的资源、能源利用及环境污染排放数据，实现LPCVD法制备TiO2薄膜环境影响评价。针对LPCVD法生产TiO2薄膜工艺过程，以纳米TiO2涂层玻璃为依托，采用情景分析法，开展了未来我国能耗及碳排放预测研究。.研究结果能够为纳米产品低碳制造和生命周期评估、为纳米产品批量生产和低碳制造提供数据和理论支持。项目研究成果：发表论文6篇，其中SCI论文2篇，会议论文3篇（其中1篇荣获国际会议最佳论文LEO奖，每届仅1篇），核心期刊1篇。毕业硕士研究生1名，在读硕士研究生3名，在读博士生4名，其中项目执行期间硕转博3名。