PDF《微通道内 TiN、TiO2 涂层的制备及抑焦效果研究》

化学气相沉积的涂层均匀致密、 覆盖完整, 传热性能良好,与换热通道材质具有相近的热膨胀系 数, 可能成为一种很好的表面抗结焦涂层. 本研究采用 化学气相沉积技术在细管道内壁沉积了 TiN 和TiO2 涂层, 并研究了涂层对

304 不锈钢管换热通道本身金属催 化结焦的抑制效果.

1 实验以TiCl4(化学纯,上海展云化工有限公司)为前 第7期王佳等:微通道内 TiN、TiO2 涂层的制备及抑焦效果研究 ・1741・ 驱体,采用自制的反应装置制备了 TiN 涂层.实验装 置如图

1 所示, 该装置主要有

4 个系统组成: 气体供应 系统、Ti 供应系统、气相沉积系统、尾气处理系统. 实验中沉积的基体为Ф

3 mm*0.5 mm,700 mm 长的

304 不锈钢管,沉积温度为

800 ℃,沉积时间为

2 h. 制备 TiN 涂层的反应式如下: 2TiCl4(g) + 4H2(g) + N2(g)=2TiN (s) + 8HCl(g) 在适当的氧化性气氛下,将已经制备好的 TiN 涂 层管在

700 ℃的空气气氛氧化

2 h,得到 TiO2 涂层管. 对TiN、 TiO2 涂层样品进行打磨, 粘置于导电胶上, 采用日本 Hitachi-S-4800 型扫描电镜(SEM)观察涂层 内表面的微形貌特征, 同时采用英国 Oxford-IE-250 型 能量散射谱(EDS)仪对材料的微观区域的元素分布进 行定性定量分析. TiN、 TiO2 涂层的晶相结构采用 DX-2500 旋转阳极 X 射线衍射仪(XRD,中国丹东方圆仪器有限公司) 进行分析.采用 Cu Kα 辐射,石墨单色器,Ni 滤波片, 电压为

40 kV,管电流为

25 mA,扫描速率为 0.03o ・ s-1 , 扫描范围为 2θ=10° ~90° . 采用自制的超临界裂解装置(如图 2)评价涂层的 抑制结焦效果, 该装置主要由

4 个系统组成: 进料系统、 加热系统(含温度测量系统)、冷却系统和分析系统. 选用某种碳氢燃料 A(由75.2%的链烷烃和 24.8% 的环烷烃组成) ,经高压液相恒流泵以质量流量 1.0 g/s 流入加热系统. 实验采用程序升温法, 利用两点式电加 热系统将燃料从常温加热到设定的出口流体温度. 系统 压力设定为 3.5 MPa,反应管为Ф

3 mm*0.5 mm,700 mm 长的

304 不锈钢管及 CVD 实验制备的 TiN 和TiO2 涂层管. 燃料裂解后的高温气相产物经过水冷系统冷却 后,进入气液分离器,分离为气相产物和液相产物.其中,裂解气相产物通过气相色谱仪(GC-2000III 型,上 海计算技术研究所)进行在线的定性定量分析.选用 HP-Al/S 毛细管分离柱(50 m*0.53 mm*15.0 μm, 1-gas source;

2-pressure reducing valve;

3-drying tube;

4-needle valve;

5-gas flowmeter;

6-ball valve;

7-TiCl4 evaporator;

8-temperature controller;

9-reaction chamber;

10-purification plant 图1CVD 装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of CVD apparatus 1-feed stock;

2-pump;

3-filter;

4-retaining valve;

5-mass flowmeter;

6-temperature and pressure monitor;

7-electrical heater;

8-condenser;

9-back pressure controller;

10-seperator;

11-needle valve;

12-liquid collector;

13-GC;

14-wet gas flowmeter 图2超临界裂解反应装置图 Fig.2 Schematic diagram of super-critical pyrolysis Agilent 公司)和FID 检测器检测有机小分子烃类;

用 实验室自己装配的

2 m 填充柱(固定相,5A 分子筛) 和TCD 检测器检测氢气等无机小分子.

2 结果与讨论 2.1 TiN、TiO2 涂层的 XRD 结果分析 图3a、 图3b 分别为试样 TiN 和TiO2 涂层的 XRD 图谱. 从图 3a 可以看出 TiN 涂层的衍射谱峰峰形尖锐 且强度较大,表明其晶相结构也比较完整,具有明显 的晶体结构.在2θ 为36.5o 、42.5o 、61.5o 、 74.7o 、77.5o 图3TiN、TiO2 涂层的 XRD 图谱 Fig.3 XRD patterns of TiN (a) and TiO2 (b) coating samples GC 2θ/(° ) ・1742・ 稀有金属材料与工程 第44 卷 处有衍射谱峰出现,这些衍射峰都为立方晶相结构 TiN 的特征衍射峰,分别对应于典型的 B1 型NaCl 面 心立方 TiN 的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面. 其中(111)与(220)晶面的衍射强度最强,表明实验所制 备的 TiN 涂层具有明显的(111)、(220)晶面的择优取 向.由于沉积温度、沉积基底及 TiCl4 分压等条件........