可燃气相爆轰场中核壳结构纳米晶颗粒生长机制的研究

Core-shell structure functional nanomaterials has many novel physical and chemical properties because of its unique structure and composition, however efficient preparation technology restricts its development and application. Given the combustion gas detonation technology with its advantages in the synthesis of nanomaterials is unique, which can be used as a supplement to conventional synthesis method. Through optimizing the diverse gaseous components and adjust the gas phase, gas liquid detonation parameters to control the nanomaterial properties such as structure, morphology and size and ultimately efficient production of the target product. Numerical methods using high-fidelity analysis of gaseous detonation flow field physical parameters, choose the right chemical reaction model, the particle growth model, meanwhile dealing with a multi-phase, field coupled problems, to explore the growth mechanism of nanoparticles in the gaseous detonation field. This research on the further improvement of the gas phase detonation theory and development of the concept of micro explosion mechanics, physics and material science cross disciplines, to promote gas detonation theory in the development of high purity nanometer functional materials, has important scientific significance and application value.

具有代表性的核壳结构碳包覆型纳米功能材料因其独特的组成结构拥有诸多新奇的物理、化学特性，然而由于其高效制备方法的机理尚不清晰制约了开发应用，可燃气相爆轰合成法可作为对常规合成方法的补充。通过优化多元气相组分及调整气相、气液爆轰参数来控制纳米材料结构、形貌和尺寸等性质，高效制备目标产物；采用高保真的数值方法分析气相爆轰流场中物理量参数、合理选择化学反应模型、颗粒生长模型，同时处理一个多相、场耦合问题，探究气相爆轰场中纳米颗粒的生长机制。本课题研究对进一步完善气相爆轰理论、发展微细观爆炸力学与物理、材料科学等学科的交叉，促进气相爆轰理论在新型、高纯纳米功能材料开发，具有十分重要的科学意义和应用价值。

本项目利用可燃气爆轰技术驱动多相混合前驱体，利用自主发明专利技术创新发明了爆轰加工设备，采用多种现代分析测试手段，研究了核壳结构碳包覆金属纳米颗粒、氧化物陶瓷纳米颗粒、碳基纳米复合材料等；探究了采用ZND爆轰反应模型和改进的时空守恒元-解元算法，引入Kruis颗粒生长模型,揭示了气相爆轰反应流场特征及纳米颗粒动态生长、演化规律。研究发现：针对碳基纳米功能材料在可燃气相爆轰合成方面的研究，分别获得了纳米级的单晶型、混合型二氧化钛纳米颗粒、核壳结构包覆型纳米材料等；利用简单、快速气液爆轰法合成了的核壳结构石墨包覆二氧化钛纳米粒子，通过引爆富含碳混合前驱体，获得了球形、分散性好的混合晶体氧化钛纳米颗粒被厚石墨层包覆；创新实验技术以乙酰丙酮铜作金属源，氢氧气体混合物作为爆炸源合成了高纯度的纳米晶铜，通过改变前驱体分别获得了碳包覆铜纳米颗粒和端部含有金属纳米颗粒的无序碳纳米管及其结构特征；通过设计气相前驱体分别获得了碳包覆铁纳米颗粒掺杂碳纳米管、无序碳纳米管及碳富勒烯球；开展了针对纳米功能材料如碳纳米管、碳包覆铜纳米复合材料及其摩擦学性能等系列研究工作；基于可靠的实验结果及所获得纳米功能材料，设计优化ZND爆轰程序结合颗粒生长模型，计算模拟了球形纳米颗粒在爆轰流场中的生长特征；采用高保真的数值方法，通过优化改进的时空守恒元-解元算法程序，准确模拟气相爆炸流场中物理量参数，借助守恒量的Taylor展开，在守恒元上求解积分形式的控制方程并整理得到数值格式，优化处理爆轰流场内的能量释放过程和准确捕捉强间断面问题；剖析了能量释放过程由化学反应模型决定，并给出了相应的计算参数，引入Kruis颗粒生长模型，模拟了典型的球形纳米颗粒在爆轰流场中的生长特征；基于实验结果分析与数值计算结果研究，揭示了核壳结构纳米晶粒、纳米复合材料在爆轰瞬态流场中生长特征及爆轰流场动态演化机制，获得计算结果与实验结果相一致，取得了一些有新意的研究结果。