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研究生: 白峰毅
Feng-Yi Pai
論文名稱: 以電漿電弧法製造奈米流體設備之研發
Development of Nanofluid Equipment by Plasma Arc System
指導教授: 鄭慶民
Cheng, Ching-Min
鄧敦平
Deng, Duen-Ping
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 72
中文關鍵詞: 奈米流體電漿電弧銲接石墨等電點
英文關鍵詞: Nanofluid, Plasma Arc Welding (PAW), Graphite, Iso electric point(I.E.P)
論文種類: 學術論文
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  • 本研究係研發一套奈米流體製備系統,藉由過去文獻與研究的資料收集進而改良設計,從備料、加工、組銲、系統架設、實驗測試、奈米微粒分析等多個步驟組成,以氣凝合成法來製備石墨/水奈米流體(graphite/water na- nofluid),選用能量高且能對各種金屬材料加熱蒸發之電漿電弧為加熱源,將所蒸發氣化之奈米微粒收集到流體收集器中,形成石墨/水奈米流體以防奈米微粒因高溫而團簇或凝聚成較大尺寸,在實驗過程中利用參數的設計,如電流高低、流體收集器型式,試圖找出最佳製程參數,來獲得最小及均一粒徑的奈米微粒。
    實驗過程分為兩階段,第一階段以固定的電流參數,測試三種不同型式之收集形態,以SEM、EDS做初步分析,判斷何種型式可得最佳奈米微粒尺度,結果得知以加裝濾網之收集形式為最佳;第二階段為設計一最佳流體收集容器,並降低其流體溫度在0至-2℃,以兩組不同電流參數配合電漿電弧銲機之脈衝(pulse)功能,將所收集之石墨/水奈米流體經超音波震盪器震盪後,再以SEM、EDS、粒徑分析儀等儀器分析,以達最佳石墨/水奈米流體製程。
    經分析結果得知電流參數為70A時平均粒徑在547nm,等電點(I.E.P)為-24.4mV,電流參數為80A時平均粒徑在284nm,等電點為-21.2mV。最後對石墨/水奈米流體作熱阻試驗,發現參數80A在水溫50℃時,熱阻下降率可達20%。

    The purpose of experiment is aim to a methods of nanofluid produce system; refer to previous research data and correction. Consist with several stages: prepa- ration, modification, weld, system installation, tested; use “Evaporation synthesi- zed condensation system” to implement graphite/water nanofluid by selected hig- h energy plasma arc that can vaporize any kind of metal as a heating source, coll- ect vaporized nanoparticle into nanofluid collector. To avoid condensed bigger si- ze of particle due to high temperature or cluster, take paramenter in consideration during the period of experiment; such as working current, collector function, tryi- ng to obtain best process minimum and average nanoparticle.
    By mean of two stage experiment, base on fixed current used three different type of collector to gain the proper nanoparticle by analyzing of SEM, EDS. Re- sults show the collector is better for particle collect on stage one. In order to des- ign the best collector and reduce fluid temperature from 0℃ to -2℃, within next step of experiment. Accumulate nanoparticle by different working current plasma arc torch pulse. Then stimulate with ultrasonic after that, analyze by SEM, EDS, particle size analyzer to define which process can produce perfect nanoparticle result in 70A.
    As a result, working current 70A average particle is 547nm, I.E.P -24.4mV, 80A average particle is 284nm, I.E.P -21.2 mV, process graphite/water nanofluid hea ting resistance test, found that heating resistance reach to -20% under water tem- perature 50℃, paramenter 80A

    目錄 中文摘要 i ABSTRACT ii 謝誌 iii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 第一章 前言 1 1.1研究背景與動機 1 1.2研究目的 2 1.3研究方法 2 第二章 文獻探討 3 2.1奈米基本單元 3 2.2奈米領域 3 2.3奈米材料 5 2.4奈米粒子與團簇 8 2.5奈米微粒的特性 9 2.5.1熱傳導係數 9 2.5.2材料機械性質 10 2.5.3其他特性 11 2.6石墨的特性與應用 15 2.7奈米微粒的製程 16 2.7.1氣相製造 17 2.7.2液相製造 25 2.7.3固相製造 26 2.7.4製程變化形式 28 2.8製程設備原理 30 2.8.1 電漿簡介 30 2.8.2電漿電弧原理 32 2.8.3氣體冷凝法 35 第三章 實驗方法與流程 37 3.1實驗流程 37 3.2製備原理 40 3.3實驗設備裝置 40 3.4實驗設備操作步驟 45 3.5實驗製程參數設計 47 3.6奈米微粒生成過程 47 第四章 結果與討論 49 4.1 SEM分析不同型態微粒 49 4.2 SEM分析不同電流之微粒 52 4.3 EDS分析微粒成份 55 4.4粒徑分析儀 59 4.5 Zeta分析 60 4.6熱傳導系數與熱傳導增進率分析 62 4.7熱阻與熱阻增進率分析 64 4.8 反應腔體之設計修改 66 第五章 結論 67 5.1尺寸與成份分析 67 5.2應用之效能分析 67 5.3腔體設計改良 68 參考文獻 69 表 目 錄 表2.1不同金屬微粒在不同尺寸下的熔點 12 表2.2常見金屬的磁性 13 表2.3各種奈米氣相製程比較表 17 表2.4常見大氣電漿系統之特性列表 31 表2.5適合電漿電弧銲接之材料表 34 表3.1電漿電弧銲機之相關規格 41 表3.2石墨奈米流體製程參數表 47 表4.1熱傳導係數與熱傳導係數增進率比較表 62 表4.2熱阻與熱阻增進率比較表 64 圖 目 錄 圖2.1 SEM+EDS設備實體圖 5 圖2.2 TiO2光觸媒照光後氧化還原反應機構圖 6 圖2.3 TiO2光觸媒應用領域 6 圖2.4 C60最佳幾何排列組合 7 圖2.5奈米流體熱轉換係數測量系統 10 圖2.6電子束加熱蒸發法原理 18 圖2.7多光束雷射製程原理圖 19 圖2.8電漿電弧製程原理圖 20 圖2.9爆炸絲法電路圖 20 圖2.10爆炸絲法製程原理圖 21 圖2.11微波電漿奈米微粒合成系統 22 圖2.12微波電漿反應過程示意圖 22 圖2.13噴霧電弧法製程系統圖 23 圖2.14濺鍍製程原理 24 圖2.15濺鍍與蒸鍍粒子的能量比 24 圖2.16磁控濺射技術原理 25 圖2.17球磨法典型技術示意圖 27 圖2.18高壓均質機製程原理 28 圖2.19物質四態 30 圖2.20電弧產生原理 32 圖2.21電漿電弧產生原理與電漿引弧實圖 33 圖2.22蒸發冷凝原理 36 圖3.1電漿電弧氣體冷凝系統初步構想圖 37 圖3.2加工組銲過程 38 圖3.3電漿電弧製備奈米流體系統圖 38 圖3.4實驗設計流程圖 39 圖3.5電漿電弧冷凝系統示意圖 40 圖3.6電漿電弧銲機及變頻電源設備 41 圖3.7反應腔室本體結構圖 42 圖3.8可置換式護套設計圖及可調間距設計實體圖 43 圖3.9冰水機循環系統設備 43 圖3.10雙層式奈米流體收集器 44 圖3.11電漿電弧製程操作步驟順序圖 45 圖3.12奈米顆粒之形成機制 48 圖3.13融合程序示意圖 48 圖4.1低溫流體收集裝置及超音波震盪器 49 圖4.2SEM粒徑測量(乾式)影像圖 50 圖4.3流體收集容器(無濾網). 50 圖4.4 SEM粒徑測量液態收集(無濾網)影像圖. 51 圖4.5流體收集容器(有濾網). 51 圖4.6 SEM粒徑測量液態收集(有濾網)影像圖 52 圖4.7 SEM測量70A,25Hz粒徑影像圖 52 圖4.8 SEM測量80A,25Hz粒徑影像圖 54 圖4.9能量色散X-ray譜儀(EDS)成份分析點 56 圖4.10 奈米次微粒成份分析 58 圖4.11奈米微粒二次粒徑分析圖 60 圖4.12 IEP等電點分析圖 61 圖4.13水和石墨流體熱傳導係數比較圖 63 圖4.14水和石墨流體熱阻係數比較圖 65 圖4.15反應腔體之設計修改 66

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