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.
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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 Mehr Sputtern (RF-Leistung: 1000 W) Quelle und Abscheidung einer 10 nm dicken Al 2 O 3 (99,9%) -Schicht auf der SiO 2 -Schicht. Verwenden einen langsamen Abscheidungsrate von 10 nm / min mit einem Abscheidungsdruck von 2 × 10 -2 mbar.
- Verwenden Schütt Fe (99,9%) als Quelle durch Verwendung eines E-Strahl-Verdampfer und Abscheidung einer 1 nm dicken Fe-Schicht auf der Al 2 O 3 Schicht. Verwenden einen langsamen Abscheidungsrate von ~ 0,1 nm / s mit einem Abscheidungsdruck von 5 × 10 -6 Torr. Schneiden Sie das Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si-Wafer mit einem 28 mm × 15 mm Größe mit einer Diamantritz.
Hinweis: Je nach der gewünschten Größe des VAMWCNT Array kann die Größe des Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si-Wafers variiert werden.
- Synthese von MWCNT Array TCVD und Vorbereitung von freistehenden MWCNT Wälder.
- Platzieren Sie die Fe / Al 2 O 3 / SiO 2 / Si-Wafer mittig in einem Quarzschiffchen, das Abmessungen von 120 mm × 30 mm hat.
- Stellen Sie das Quarzboot in der 2-Zoll-Quarzrohr des TCVD Setup (Abbildung 1A).
- Injizieren Sie 900 sccm Ar-Gas für 10 Minuten bei Umgebungsbedingungen an der Luft zu entfernen, und füllen Sie den 2-Zoll-Quarzrohr mit Ar.
- Injizieren 600 sccm Ar-Gas und 400 sccm H & sub2; -Gas während zunehmender Temperatur in dem Ofen von 25 ° C bis 750 ° C in 30 min.
- Injizieren 100 sccm Ar-Gas und 400 sccm H 2 gas bei 750 ° C für 10 min auf Fe-Nanopartikeln als Wurzeln MWCNTs formulieren.
- Injizieren 100 sccm Ar-Gas, 368 sccm H & sub2; -Gas und 147 sccm Ethylen (C 2 H 4) Gas bei 750 ° C für 280 min. Gleichzeitig gelten Joulesche Erwärmung am Eingang der Quarzröhre durch Wolframfaden (Spannung: 0,8 V, Stromstärke: 15 A), um die Zersetzung von C 2 H 4 -Gas zu fördern, um als Kohlenstoffquelle dienen. Diese Kohlenstoffquellen sind Fe-Nanopartikeln auf Si-Wafer befestigt und in CNTs umgewandelt.
- Stoppen Sie die Injektion von H 2 -Gas und C 2 H 4 Gas, und schalten Sie den Ofen. Während dieses Verfahrens kontinuierlich einzuspritzen 100 sccm Ar-Gas, bis die Temperatur des Wafers fällt unter 60 ° C.
- Nehmen Sie MWCNTs auf dem Wafer. Trennen Sie vorsichtig die MWCNT Array aus dem Wafer zu freistehenden MWCNT Wälder (Länge: 3-6 mm) zu erhalten (Abbildung 1B).
- Herstellung von chemischen Brennstoffen
- Bereiten Sie eine Pikrinsäure (2,4,6-Trinitro Phenol) Lösung und Natriumazid (NaN 3).
- Dampfe das Pikrinsäure Lösung Pikrinsäure Pulver (1 atm, 25 ° C, 24 h) erhalten. Messen 6 g des Pulvers und Pikrinsäure in 100 ml Acetonitril (262 mM) zu lösen.
- Maßnahme 6 g Natriumazid Pulver und in 100 ml entionisiertes (DI) Wasser (923 mM) zu lösen.
- Bereiten Sie eine Pikrinsäure (2,4,6-Trinitro Phenol) Lösung und Natriumazid (NaN 3).
- Synthese und Charakterisierung von Hybridverbindungen durch Nassimprägnierung
- Messen Sie die Masse eines einzelnen MWCNT Wald mit einer Mikrowaage und bestätigen Sie die ausgerichteten Strukturen der MWCNT Wald von SEM (4A). Verwenden Sie eine Spannung von 15 kV und eine Vergrößerung von 1,200X. Überprüfen Sie, ob die ausgerichtete Struktur über die gesamte MWCNT Wald erhalten bleibt.
- Hinzufügen von 25 ul 262 mM Pikrinsäurelösung auf top der MWCNT Wald, damit der Kraftstoff, um die Poren des Waldes einzudringen. Lassen Sie die Probe für 30 Minuten, um den Film Array schrumpfen, und lassen Sie die Pikrinsäure vollständig durchdringen die Poren, bis alle Acetonitril wurde aus dem Wald (1C) verdampft.
Hinweis: Je nach Ziel Verhältnis zwischen der chemischen Treibstoff und MWCNT Array, ändern Sie die Konzentration und Menge des Pikrinsäurelösung. - Tauchen Pikrinsäure beschichtet MWCNT Wälder in 25 ul 923 mM Natriumazid Lösung 2,4,6-Trinitro Natriumphenoxid und Stickstoffwasserstoffsäure (Kraftstoffschicht) durch Nassimprägnierung zu bilden. Lassen Sie die Probe für 30 Minuten, bis alle Lösungsmittel verdampfen.
Hinweis: Je nach Zielverhältnis zwischen der chemischen Brennstoff und MWCNT Array, kann die Konzentration und Menge der Natriumazidlösung modifizieren. - Messen Sie die Masse eines einzelnen Hybrid-Komposit von Kraftstoff und MWCNTs mit einer Mikrowaage, und vergleichen Sie die endgültige Masse, um die Massenverhältnis berechnender Kraftstoffschicht und MWCNTs.
wobei M h und M m die Masse der einzelnen Hybrid-Verbundmaterial und individuelle MWCNT Folie verbunden. - Bestätigen der ausgerichteten Strukturen des Hybridverbund von Brennstoff und MWCNTs durch SEM (5A). Nach Angaben des Herstellers, senken Sie den Druck für die Betriebsbedingungen, und heben Vergrößerung, bis die chemische Stoff Aggregation ist eindeutig in der ausgerichteten MWCNT Wald beobachtet. Überprüfen Sie die Form des Kraftstoff Aggregation auf MWCNTs.
3. Fertigung der Thermokraft Wave Generator (Abbildung 2)
- Befestigen Kupferbänder an beiden Enden eines Glasobjektträgers als Elektroden zur Verbindung mit einem Oszilloskop, das die Gleichspannungsausgabe von dem Thermowelle misst handeln.
- Schließen Sie die Kupferbänder zu beiden Enden des Hybrid-Verbund über eine Silber paste Tröpfchen. Lassen Sie die Probe, bis die Silberpaste wird hart und die Verbindung festgelegt.
- Mit einem Multimeter, den elektrischen Widerstand des Hybrid-Verbund messen.
4. Messung der Thermokraft Wellen (Figur 3)
- In einem Polycarbonat Kammer, fixieren Sie die Thermowellengenerator auf dem optischen Tisch mit Klemmen für die Sicherheit.
- Verwenden Krokodilklemmen die Kupferelektroden in das Oszilloskop zur Messung der Ausgangsspannung angeschlossen.
- Ein High-Speed-Mikroskopiesystem Stellen Sie [Komponenten: eine Hochgeschwindigkeitskamera (> 5.000 Bilder / s), Makro-Objektiv (105 mm / f2.8 Objektiv) und eine LED-Lampe], um Verbrennungsausbreitung aus dem Generator aufzunehmen. Zeigen und schalten Sie die LED-Lampe für klare Aufnahme mit hochauflösenden Bildern vor dem Thermowellengenerator. Stellen Sie die Aufnahmegeschwindigkeit mehr als 5000 Bilder / Sek.
- Ein optisches Pyrometer in einer bestimmten Position, um die Echtzeit-Änderungen in der Temperatur aufzuzeichnender Hybrid-Komposit.
- Gelten entweder die Laserbestrahlung oder Joule-Erwärmung, um die chemische Brennstoff in der Hybrid-Komposit entzünden.
- Fokus-Laser (<1.000 mW) an einer bestimmten Position auf dem Hybrid-Verbundmaterial. Beibehalten des Fokus für ein paar Sekunden, bis die Verbrennung in der Thermowellengenerator eingeleitet.
- Bereiten Sie eine Hochstrom-Netzteil und ein Nickel-Chrom-Draht. Schließen Sie das Kabel an einen Hochstrom-Stromversorgung (Betriebsbedingungen: 5 V und 3 A), und die Wärme einer Nickeldraht. Make sanften Kontakt zwischen der erhitzten Nickeldraht und chemische Brennstoff auf dem Hybrid-Verbundmaterial, bis die Verbrennung im Thermowellengenerators initiiert.
- Schalten Sie den Meßaufbau, bestehend aus einem Hochgeschwindigkeits-Mikroskopiesystem, ein Oszilloskop, und ein optisches Pyrometer, wenn ein Thermowelle wird durch den Generator eingeführt.
- Richten Sie die Aufnahmebildrate (5.000 Bilder / s) in der Hochgeschwindigkeitskamera. Trigger-Aufnahme zu Beginn des thermopower Wellenausbreitung. Nehmen Sie Schnappschüsse in High-Speed-fotografische Bilder mit der High-Speed-Mikroskopiesystem, und extrahieren Sie die Anzahl aufgezeichneter Bilder von Anfang bis Ende des Thermowellenausbreitung (Gesamt #Nummer von Frames).
- Notieren Sie die Spannungssignal von dem Anfang bis Ende der Thermowellenausbreitung mit Hilfe des Oszilloskops. Extrahieren der Ausgangsspannungsimpuls (V).
- Focus der optischen Pyrometer an der spezifischen Position auf einem Hybrid-Verbund, die die Zielbereiche anzeigt, und messen dynamische Änderungen in der Temperatur (° C).
- Berechnen der Geschwindigkeit der Reaktionsausbreitung durch Extrahieren des Reaktions vorderen Position an den einzelnen Frames in der Hochgeschwindigkeits-Mikroskopiesystem.
wo, l h ist die Gesamtlänge des Hybrid-Komposit, ist n f die Anzahl aufgezeichneter Bilder von Anfang bis Ende des Thermowellenausbreitung und n o </ Sub> ist die Aufnahmebildrate. - Extrahieren der Ausgangsspannungsdaten des Oszilloskops und berechnen die maximale Spitzenspannung als auch die spezifische Energie von der Ausgangsspannungsimpuls. Verwenden Sie den elektrischen Widerstand, der in Schritt 3 gemessen wurde.
- Entpacken Sie die Temperaturänderung mit der optischen Pyrometer.
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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 chemischen Brennstoff und MWCNTs bilden, wurde Pikrinsäure in Acetonitril (eine niedrige Oberflächenenergie Lösungsmittel) gelöst, um ein Eindringen innerhalb des MWCNT Array ermöglichen. Ferner wurde, während Natriumazid in deionisiertem Wasser gelöst, um eine dünne Beschichtung für einfache Zündung zu bilden. Die chemische Brennstoff wurde von zwei Chemikalien zusammengesetzt: der chemischen Hauptbrennstoff war Pikrinsäure mit hohem Verbrennungsenthalpie (2,570 kJ / mol), während Natriumazid wurde als Brennstoff für die Anfangsreaktion aufgrund seiner geringen betätigendes verwendetIonenenergie (40 kJ / mol). 5 Darüber hinaus ist die Mischung von Pikrinsäure / Natriumazid bildeten eine eindimensionale Struktur, die die Verbrennung verstärkt, wie es in 5B gezeigt ist. 15. Nach der Herstellung der Thermowellengenerator, der Hochgeschwindigkeits- Mikroskopiesystem aufgezeichnet Verbrennungsausbreitung (Abbildung 6). Joule-Erwärmung gezündet die Verbrennung, und es wurde schnell als eine sich selbst fortpflanz chemische Reaktion entlang der Ausrichtungsrichtung der MWCNTs transformiert (6a und 6b). Gleichzeitig wird die gleichzeitige elektrische Energiewandlungs als eine Ausgangsspannung-wurde mit der synchronisierten Oszilloskop (7) erhalten. Die Nickel-Chrom-Draht für die Zündung nur verwendet, kontaktiert die Kraftstoffverbindung auf der Hybrid-Verbundmaterial, und es gab keine Störung von dem externen elektrischen Signal. Als Kontrollexperiment wurde chemische Verbrennung ohne die MWCNT Array über das sa suchtme Verfahren. Es wurde bestätigt, dass es keine bestimmte Richtung für die Verbrennung. Darüber hinaus wurde zur Erzeugung elektrischer Energie nicht beobachtet, wenn die MWCNT Array nicht verwendet wurde.
Abbildung 1. Synthese von Hybridverbindungen der chemischen Treibstoff und MWCNTs. (A) TCVD einzurichten. (B) Schema eines freistehenden MWCNT-Film. (C) Die Regelung von Hybridverbundwerkstoffen, durch Nassimprägnierungsverfahren synthetisiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 2: Herstellung von Thermowellengenerator Probe. Schieben Glas und Silberpaste-Kupferband sindals Substrat verwendet und die Verbindungsknoten verbunden. Hybridkomposite Brennstoffschichten und Kernmaterialien werden als Thermowellenquellen verwendet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 3. Experimentelle Messung bis zur Thermowellen gesetzt. (A) Schematische Darstellung des experimentellen synchronisiert eingerichtet, welche Ladungsbewegungen über Thermo Wellen. (B) Echtversuchsanordnung in einem Polycarbonat-Kammer, die aus einem Hochgeschwindigkeits-Mikroskopiesystem, ein Oszilloskop, ein optisches Pyrometer und ein Zündsystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 4. Erweiterte MWCNTs. (A) REM-Aufnahme einer MWCNT Array TCVD synthetisiert. (B) TEM-Aufnahme eines einzelnen MWCNT. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 5. Erweiterte Hybridkomposite von chemischen Treibstoff und MWCNT-Array. REM-Aufnahmen (A) detaillierte Strukturen der Pikrinsäure / Natriumazid / MWCNT Verbund, und (B) eine eindimensionale Aggregation von Pikrinsäure / Natriumazid nach Verdampfen des Lösungsmittels. Bitte Klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen t seine Figur.
Abbildung 6. Thermische Wellenausbreitung über Thermowellen, gemessen mit High-Speed-Mikroskopiesystem (5.000 Bilder / s). Schnappschüsse von Verbrennungsausbreitung durch Erzeugung elektrischer Energie in (A) einer Polarität und (B) ungeordneten Polarität begleitet. Bitte klicken Sie hier, um sehen eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7. Elektrische Energieerzeugung aus Thermowellen. Die Ausgangsspannungen in (A) einer Polarität, und (B) ungeordneten Polarität.e.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 8: Schema der Strukturwandel in der chemischen Kraftstoffgemischen Pikrinsäure / Natriumazid. (A, B) Chemische Strukturen Pikrinsäure / Natriumazid und Natrium 2,4,6-trinitrophenolate / Stickstoffwasserstoffsäure nach dem Austausch Na + und H + . (C) Schematische Darstellung der chemischen Struktur von 2,4,6-trinitrophenolate / Stickstoffwasserstoffsäure in geordneten, eindimensionale Struktur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
| Thermowellen in einer einzigen Polarität | Thermowellen in einem ungeordneten Polarität | ||||
| Ausgangsspannung | Kraftstoff / MWCNT-Verhältnis | Leistung (kW / kg) | Ausgangsspannung | Kraftstoff / MWCNT-Verhältnis | Leistung (kW / kg) |
| (MV) | (MV) | ||||
| 1062 | 4.19 | 417,72 | 35 | 36,59 | 0,11 |
| 926 | 4.19 | 30,57 | 37 | 36,59 | 0,027 |
| 1980 | 4.19 | 143,6 | 30 | 36,59 | 0,016 |
Tabelle 1. Zusammenfassung der Ausgangsspannung, Kraftstoff / MWCNT-Masse-Verhältnis und spezifische Leistung.
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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 jeder anderen Position erzeugt jedoch bidirektionale Thermo Wellen, die an beiden Enden überführt wurden, wodurch die Aufhebung der Ladungsträger in den entgegengesetzten Richtungen als auch ungeordnete Wärmetransport innerhalb der Kernmaterialien. Wie in 7A gezeigt, die Zündung an einem Ende erzeugte elektrische Energie von einer einzigen Polarität; jedoch Zündung in der Mittelposition in Folge bidirektionale Verbrennungsausbreitung und ungeordneten Polarität im Ausgangs VoltAlter (7B). Weiterhin einzigen Polarität in Thermo Wellen ergab eine Spitzenausgangsspannung, die mehr als fünf Mal höher als in dem Fall von ungeordneten Polarität aufgrund der beschleunigten Ladungstransfer durch thermische Dauerwellen ohne Löschung von Ladungen.
Das Massenverhältnis zwischen der chemischen Brennstoff und Kern Mikro- / Nanomaterialien können die Gesamteigenschaften des Thermowellen zu bestimmen. 16,17 Wie erwähnt, ist das Massenverhältnis ein steuerbarer Faktor aufgrund der variierenden Konzentration und Menge der Lösung verwendet wird. In dieser Studie gefördert geeignete Grenzflächen zwischen dem chemischen Brennstoff und Kernmaterial eine stabile Kettenreaktion an der Oberfläche und vorgesehen gesteuerten Verbrennungsausbreitung, was zu einer effektiven Energietransfer (6A). Im Gegenteil, es ist schwierig, eine stabile Kettenreaktion mit zu viel chemische Brennstoff aufrechtzuerhalten. Im Fall von Thermowellen Kernmaterial mit hoherWärmeleitfähigkeit liefert das Vorwärmen von thermischer Energie für die chemische Brennstoff in den Grenzflächen, und fördert die Verbrennung der benachbarten Brennstoff durch Überwindung der Aktivierungsenergie entlang der Grenzfläche. Wenn jedoch überschüssige chemische Brennstoff verwendet wird, unabhängig von der Wärmetransport über den Kernmaterialien, die chemische Brennstoff, die weit von dem Kernmaterial kann aufgrund der zufällig propagiert Reaktion in der chemischen Brennstoff anstatt der geführten Kettenreaktion bei gezündet die Schnittstelle (6B). Dies führt zu einer Verbrennung in mehreren Richtungen sowie ungeordneten Polarität. Die experimentellen Ergebnisse eines Vergleichs der optimalen Massenverhältnisse und gehende chemische Brennstoff Proportionen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt. Eine optimale Massenverhältnis von 4,19 über 1000 mV erzeugt, während ein übermäßiger Massenverhältnis von 36,59 erzeugte nur etwa 35 mV.
Darüber hinaus können spezifische Modifikation der chemischen Brennstoffzusammensetzung Zubeh fernerce Energieumwandlung in der Thermowelle. Grundsätzlich ist die chemische Zusammensetzung und die Kraftstoffmassenverhältnis in Hybrid-Composites haben einen starken Einfluss auf die Verbrennungsausbreitung sowie elektrische Energieerzeugung aus Thermo Wellen. Erstens können eindimensionale Aggregationen Brennstoffgemische innerhalb MWCNTs durch eine spezielle Kombination aus einem primären Brennstoff und Natriumazid (5) realisiert werden. Zum Beispiel gibt es keine ausgerichteten Aggregation Brennstoffgemische picramide und Natriumazid. Wenn jedoch Pikrinsäure und Natriumazid wurden gemischt und während der nassen Tränkverfahren dampft, eine neue Struktur einer chemischen Treibstoff, der den geführten chemische Reaktion gefördert wurde synthetisiert, wie in 8 gezeigt. In der Pikrinsäure und Natriumazid Gemisch das H + -Ionen in Pikrinsäure wurde mit Na + -Ionen in Natriumazid Figur ausgetauscht, wodurch 2,4,6-Trinitro Natriumphenoxid und Hydrogenazid (H-N 3) in der Kraftstoffschicht (e 8A und 18 8b). Gleichzeitig Stapeln, die durch van der Waals-Kräfte zwischen den Benzolringen induziert werden, konstruiert eindimensional aggregierte Strukturen, mit ähnlich wie bei einem Zylinder 19,14 (8C) Formen. Es wurde bestätigt, dass auf Grund der negativen Bildungsenthalpie von neuen chemischen Verbindung und der eindimensional ausgerichteten Strukturen der chemischen Brennstoffen, die Ausgangsspannungserzeugung und die Verbrennungsgeschwindigkeit aus Thermowellen dramatisch um über 10-fach verstärkt. 20
Thermowellen können ein Verständnis der chemisch-thermisch-elektrischen Energie-Umwandlung in Mikro- / nanostrukturierten Materialien. Bisher wurden die meisten Forschungsbemühungen auf die Verbrennung in Mikro- / nanostrukturierten Materialien wurden auf die Umwandlung von chemischer in thermische Energie fokussiert, oder aus der chemischen in mechanische Energie; Einige Beispiele dieser Vorrichtungen umfassen nanothermites undMikroaktuatoren. Thermo Wellen können das Verständnis der Energieumsätze bei der Prüfung der dynamischen Erzeugung elektrischer Energie zu verlängern. Darüber hinaus haben Thermowellen breiten Anwendungsmöglichkeiten. Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist die Leistungsdichte des Thermowellen in einem Hybridverbund beeindruckend im Vergleich zu anderen herkömmlichen Verfahren. So können Thermowellen als High-Power-Energiequelle für miniaturisierte Geräte verwendet werden. Da ferner Thermo Wellen sind in der Lage, sowohl Abwärme und Kraftstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln, kann sie als eine neue Art von Abfallenergie-Rückgewinnungssystem entwickelt werden. Außerdem kann die thermische Wellenausbreitung an der Grenzfläche zwischen dem chemischen Brennstoff und mikro- / nanostrukturierten Materialien für Feststoffsynthese durch Verbrennung verwendet werden. Es besteht jedoch eine Einschränkung zu überwinden. Derzeit Thermowellen produzieren nur ein Pulsausgang von elektrischer Energie durch Verbrennung. Daher ist ein Energy-Harvesting-Verfahren fürdie Impulsenergieausgang vom Thermowellen können in der Zukunft benötigt werden. Die Entwicklung eines speziellen Systems, das wiederholt liefert eine chemische Brennstoff zu den Kernmaterialien kann für Anwendungen mit Thermowellen sein.
Zusammenfassend haben wir Verfahren beschrieben, um einen Hybrid-Verbundmaterial einer chemischen Brennstoff und Mikro- / Nanomaterialien zu synthetisieren, und einen Thermowellengenerator herzustellen. Der Versuchsaufbau für die Untersuchung der Thermowellen im Detail erläutert worden. Darüber hinaus entscheidende Strategien zur weiteren Verbesserung der Thermowellen wurden zusammen mit experimentellen Daten bewiesen angenommen werden. Wir erwarten, dass diese Arbeit einen Beitrag zur Felder Thermowellen bezogen sowie auf die Entwicklung künftiger Anwendungen, die das chemisch-thermisch-elektrischen Energieumwandlung innerhalb Mikro- / Nanomaterialien in der Verbrennung zu erforschen.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde von der Basic Science-Research-Programm durch die National Research Foundation of Korea (NRF), die vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Technologie (NRF-2013R1A1A1010575) und durch Nano FuE-Programm durch die Korea Science and Engineering Foundation finanziert unterstützt durch das Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Technologie (NRF-2012M3A7B4049863).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
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