高频感应热等离子体环境下溶液液滴及中空壳状颗粒的蒸发机理研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 9 4 19.95MB 77 页 15积分

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摘要

对于溶液注入热等离子体喷涂(Solution Precursor Plasma Spray, SPPS)进行改

进，利用高频感应热等离子炬来替代直流热等离子炬，将溶有涂层材料的前驱体

溶液替代材料粉末，且以喷雾液滴的形式，由内气携带，轴向地射入热等离子体

环境。溶液液滴在热等离子体中运动吸热，使得液滴温度升高，溶剂蒸发。随着液

滴溶质浓度的增大，到达临界过饱和浓度时，溶质析出，形成实心固体或中空壳

状等各种不同形态的颗粒。而中空壳状颗粒包裹溶液继续在热等离子体环境中运

动，环境热量通过固体壳层传递入颗粒内部，颗粒内部溶液受热蒸发，产生蒸汽

使得内部压力增大，导致颗粒破裂，影响最终到达基板时的形态。因此溶液液滴

的整个运动蒸发历程，对涂层的最终结构有着重要的影响。

本文首先对于高频感应热等离子体射流的温度场和速度场建立相应的模型，

分别考虑了输入功率、激励电流频率及工作气体流量对整个射流场的温度、速度分

布变化的影响，通过研究分析，选取能为后续数值模拟研究所采用的模型数据。

然后，建立单个液滴在高频感应热等离子体射流场中的运动蒸发模型。在基

于忽略了液滴内部温度梯度的情况下，通过数值计算的方法，模拟了液滴在高频

热等离子体射流中的传热和运动过程，考虑随着温度和组份变化的液滴表面气态

混合物、斯蒂芬流对薄膜理论的修正影响，分析研究了不同操作参数对液滴运动

蒸发过程的变化趋势的影响。

在此基础上，建立了单个液滴及中空壳状颗粒内部的热物理模型，包括液滴

及颗粒内溶液部分的球形环流模型，传热、传质模型及颗粒内压力模型，应用初

级均相成核假设和溶质平衡浓度，确定颗粒固体壳层成形情况，并考察环流对液

滴及颗粒内部传热传质的影响，分析比较在不同入射参数的情况下，液滴及颗粒

内部的温度场、浓度场和颗粒内压力的不同变化情况。

本文研究所获得的结果，不仅加深了对溶液液滴在高频感应热等离子体中运

动蒸发过程的认识，而且还有助于揭示热等离子体喷涂在制备纳米结构涂层中操

作参数的重要性，最终充实热等离子体条件下溶液液滴蒸发机理方面的研究理论。

本课题受到国家自然科学基金 (项目编号：50706027)、上海市教育委员会科

研创新基金(项目编号：09YZ206)、上海市重点学科建设项目 (项目编号：J50501)

和教育部留学回国人员科研启动基金的资助。

关键词: 溶液注入等离子喷涂高频感应热等离子炬液滴蒸发环流

破裂数值模拟

ABSTRACT

Use the RF plasma torch taking the place of the DC plasma torch to Improving the

Solution Precursor Plasma Spray (SPPS). In this process, the atomized precursor salt

solution droplets with the ceramic coatings are axially injected into the plasma

environment with carrier gas. The droplets are motioned and rapidly heated up and

result in the temperature of droplets increasing and the solvent evaporated. With the

solute concentration increasing and reaching the critical super-saturation (CSS), the

solute separated out which results in the formation of hollow shell or solid particles. The

process of the hollow shell particles containing the solution moving continuative in the

plasma spraying, the internal solution of particles heated up and evaporated results in

the vapor produced and internal pressure increasing and finally the particles ruptured.

Thus, the whole movement and evaporation process of the droplets has important effect

to the final substrate of the coating.

First of all, a model is established to simulate the temperature and velocity field of

RF-ICPS. The influence of input power and current frequency and gas flow are

considered. By analyzing, we take the data which the follow-up simulation model can

use.

And then, a movement and evaporation model is developed to simulate the

behavior of an individual precursor droplet in RF-ICPS plasma environment. It

simulates the motion and heat transfer of droplet in RF-ICPS field based on neglecting

the internal temperature gradient by numerical simulation. The variable physical

properties of solution and the influence of Stefan flow to the film modified theory are

considered. The influence of the different operation parameters to the evaporation and

motion of droplet are predicted.

At last, a thermal physics model is developed to analyze the behavior of an

individual droplet and hollow shell particle which contains the internal circulation

model, mass and heat transfer model and internal pressure of particle model. With

employing the simple homogeneous nucleation hypothesis and equilibrium saturation of

solute, the microcosmic morphologies of the particles are confirmed. The influence of

the Hill’s spherical vortex to the mass and heat transfer of the internal solution are

considered. The variation of the temperature and concentration distribution and pressure

are presented by the different injection parameters compared.

A better comprehending of the process of precursor salt solution injection into RF-

ICPS plasma and the mechanism of droplet evaporation can be enriched finally by this

study.

The financial support of the National Natural Science Foundation of China (Project

50706027), the Scientific Innovation Foundation of Shanghai Education Commission

(Project 09YZ206), the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas

Chinese Scholars, and Shanghai Leading Academic Discipline Project (Project J50501)

is gratefully acknowledged.

Key Word: Solution Precursor Plasma Spray, Radio Frequency

Inductively Coupled Plasma Torch, droplet, evaporation, circulation,

fracture pressure, numerical simulation

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 课题的研究背景及意义 ..........................................

1.2 课题的研究现状及发展 ..........................................

1.3 课题的研究内容 ................................................

第二章热等离子体射流场的数值模拟 ...................................

2.1 物理问题及数学模型 ............................................

2.1.1 等离子炬模型 ..............................................

2.2 计算结果及分析 ...............................................

2.2.1 输入功率对等离子炬内温度速度场的影响 .....................

2.2.2 激励电流频率对等离子炬内温度速度场的影响 .................

2.2.3 工作气体流量对等离子炬内温度速度场的影响 .................

2.3 本章小结 .....................................................

第三章液滴在热等离子体射流场中的运动和蒸发 ........................

3.1 物理问题及数学模型 ...........................................

3.1.1 液滴运动蒸发模型 .........................................

3.2 液滴表面混合物的物性计算 .....................................

3.3 计算结果及分析 ...............................................

3.3.1 计算参数选取 .............................................

3.3.2 初始入射尺寸对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.3.3 初始入射速度对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.3.4 初始入射浓度对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.3.5 初始入射角度对液滴蒸发过程的影响 .........................

3.4 本章小结 .....................................................

第四章液滴及壳状颗粒内部传热传质的研究 ............................

4.1 物理问题及数学模型 ...........................................

4.1.1 液滴及颗粒内溶液部分的环流模型 ...........................

4.1.2 热量模型 .................................................

4.1.2.1 颗粒固体壳层的热量模型 ...............................

4.1.2.2 液滴及颗粒内溶液部分的热量模型 .......................

4.1.3 液滴及颗粒内溶液部分的组份扩散模型 .......................

4.1.4 颗粒内部的压力模型 .......................................

4.2 计算结果与分析 ...............................................

4.2.1 计算参数的选取 ...........................................

4.2.2 不同入射尺寸对液滴及颗粒内的传热传质及压力影响 ...........

4.2.2.1 不同入射尺寸下液滴内的传热传质 .......................

4.2.2.2 不同入射尺寸下颗粒内的传热传质及压力变化 .............

4.2.3 不同入射速度下对液滴及颗粒内的传热传质及压力影响 .........

4.2.3.1 不同入射速度下液滴内的传热传质 .......................

4.2.3.2 不同入射速度下颗粒内的传热传质及压力变化 .............

4.3 本章小结 .....................................................

第五章结论 .......................................................

主要符号表 .........................................................

参考文献 ...........................................................

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摘要：

摘要对于溶液注入热等离子体喷涂(SolutionPrecursorPlasmaSpray,SPPS)进行改进，利用高频感应热等离子炬来替代直流热等离子炬，将溶有涂层材料的前驱体溶液替代材料粉末，且以喷雾液滴的形式，由内气携带，轴向地射入热等离子体环境。溶液液滴在热等离子体中运动吸热，使得液滴温度升高，溶剂蒸发。随着液滴溶质浓度的增大，到达临界过饱和浓度时，溶质析出，形成实心固体或中空壳状等各种不同形态的颗粒。而中空壳状颗粒包裹溶液继续在热等离子体环境中运动，环境热量通过固体壳层传递入颗粒内部，颗粒内部溶液受热蒸发，产生蒸汽使得内部压力增大，导致颗粒破裂，影响最终到达基板时的形态。因此溶液液滴的...

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