Σχεδιασμός ημιβιομηχανικής κλίμακας γραμμής παραγωγής ινών άνθρακα (CFs) καθώς και αντιδραστήρα για παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs) μέσω χημικής αποθέσεως ατμών

Abstract

Ένα από τα χαρακτηριστικά της εποχής στην οποία ζούμε είναι η ραγδαία ανάπτυξη των τεχνολογικών εφαρμογών. Το γεγονός αυτό έχει ως συνέπεια την ανάγκη για παραγωγή προς χρήση καινούριων καινοτόμων υλικών. Στην παρούσα εργασία, εξετάζονται τρόποι βελτιστοποίησης της παραγωγής ινών άνθρακα (CFs) καθώς και νανοσωλήνων άνθρακα (CNTs), σε επίπεδα διατάξεων εργαστηρίου. Τα δυο προαναφερθέντα υλικά, βάσει οικονομικών στοιχείων και αναλύσεων, προκύπτει ότι παρουσιάζουν συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση, λόγω της πληθώρας των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν. Η αεροναυπηγική, η αυτοκινητοβιομηχανία, ο τομέας ενέργειας και η ηλεκτρονική, είναι οι κυρίως κλάδοι που επωφελούνται από τις ελκυστικές ιδιότητες των ανθρακονημάτων και των νανοσωλήνων, συνεπώς είναι οι κυρίως υπεύθυνοι για την ανάγκη αύξησης της παραγωγικής τους ικανότητας. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας, όσο αφορά στο κομμάτι των ινών άνθρακα, εξετάστηκε η υπάρχουσα διάταξη και διαπιστώθηκαν αρκετά σημαντικά προβλήματα καθώς και περιορισμοί. Με στόχο το σχεδιασμό μιας διάταξης, η οποία θα προσομοιάζει τις συνθήκες μαζικής παραγωγής στο βέλτιστο δυνατό βαθμό, προτάθηκε καινούρια πρόταση που παρουσιάζεται στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας. Στη συνέχεια το ενδιαφέρον στράφηκε στο κομμάτι των νανοσωλήνων. Η υπάρχουσα εργαστηριακή διάταξη περιλάμβανε έναν αντιδραστήρα χημικής αποθέσεως ατμών με τη συνδεσμολογία του. Στα αρχικά πειράματα που έλαβαν χώρα δεν παρατηρήθηκε παραγωγή υλικού, οπότε ήταν αναγκαίο να καταγραφούν όλα τα πιθανά προβλήματα και να προταθούν τρόποι αντιμετώπισης όμοια με την προηγούμενη περίπτωση. Συνολικά υλοποιήθηκαν δυο τροποποιήσεις, οι οποίες αφορούσαν κυρίως τη γεωμετρία και τη διαστασιολόγηση της συνδεσμολογίας. Με τα πειράματα που διεξήχθησαν επιτεύχθηκε η παραγωγή μικρής ποσότητας ινώδους δομής άνθρακα, η οποία παρατηρήθηκε μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Έχοντας όμως σαν αρχικό σκοπό την επίτευξη αποδόσεων εφάμιλλων της μαζικής παραγωγής που πραγματοποιείται από τη βιομηχανία, η προσπάθεια συγκέντρωσης των περιοριστικών παραγόντων συνεχίστηκε με αποτέλεσμα να γίνουν προτάσεις για το μέλλον.

One of the characteristics of our era is the rapid development of the technological applications and as a consequence (the) production towards the use of new innovative material is becoming a demand. In this assignment, ways of amelioration of the production of carbon fibers (CFs) as well as carbon nanotubes (CNTs) are being examined closely in laboratory conditions. These two kinds of material according to economic data and analyses seem to be presenting a continually increasing demand due to the vast variety of the advantages they entail. Aircraft construction, car industry, energy sector and electronics are the major branches that are benefited by the attractive qualities of carbon fibers and nanotubes and as a result they are mainly responsible for the need of the increase of their productive ability. As far as the carbon fibers are concerned, in my assignment context, the existent lay out has been closely examined and quite a few significant problems and limitations have been observed. Aiming at designing a lay out, which will resemble the conditions of massive production at the best level possible, a new proposal has been suggested, that is being presented in the second chapter of the assignment. Following, the interest was directed to the nanotubes. The existent laboratory lay out included a reactor of chemical vapor deposition with its components. In the early experiments that were carried out, no production of material was observed, so it was essential for the possible problems to be recorded and ways of handling them to be suggested, as previously. All in all, two alterations were materialized, which had to do mainly with geometry and the selection of the components dimensions. With the experiments taking place, a production of small quantity of fibrous carbon structure was achieved, which was observed via scanning electron microscopy (SEM). Having, however, as initial goal the achievement of output equal to that of the massive production accomplished by the industry, the attempt of gathering the limiting factors continued, leading to the creation of future proposals.