title: Προσομοίωση φαινομένων ροής και μεταφοράς κατά την εναπόθεση καρβιδίου και τιτανίου με την μέθοδο LCVD
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: Κούτλας, Γεώργιος Ν.
Publisher: name: University of Thessaly
Year: 2003
Subjects: subject: ΛΕΙΖΕΡ -- ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
subject: ΕΠΙΦΑΝΕΙΕΣ (ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ)

description: Στην σημερινή εποχή οι απαιτήσεις και οι ανάγκες για όλο και πιο βελτιωμένα υλικά συνεχώς αυξάνουν. Οι απαιτήσεις αυτές αφορούν στην αντοχή των υλικών σε διάβρωση, οξείδωση, φθορά, υψηλές θερμοκρασίες καθώς και ιδιότητες όπως υψηλή σκληρότητα, υψηλό σημείο τήξης, θερμική και χημική σταθερότητα, υψηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα κ.α. Λόγω των απαιτήσεων αυτών, τα τελευταία χρόνια δίνεται μεγάλη έμφαση στην ανάπτυξη εξελιγμένων κεραμικών τα οποία με κατάλληλες τεχνικές εναποτίθενται πάνω στις επιφάνειες των υλικών. Από τις πιο διαδεδομένες και επιτυχείς μεθόδους εναπόθεσης είναι η συμβατική χημική εναπόθεση ατμών (Chemical Vapor Deposition - CVD), και η εναπόθεση χημικών ατμών με την βοήθεια ακτινών laser (Laser induced Chemical Vapor Deposition - LCVD). Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αφορά στην αριθμητική προσομοίωση των φαινομένων ροής και μεταφοράς κατά την εναπόθεση καρβιδίου του τιτανίου (TiC) σε μεταλλικές επιφάνειες με την βοήθεια δέσμης laser (LCVD). Η προσομοίωση επικεντρώνεται στον ήδη υπάρχοντα αντιδραστήρα LCVD του Εργαστηρίου Υλικών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, με στόχο την πρόβλεψη του ρυθμού και της μορφής εναπόθεσης συναρτήσει των λειτουργικών παραμέτρων του αντιδραστήρα και την βελτιστοποίηση και έλεγχο της διεργασίας LCVD. Η προσομοίωση της διεργασίας LCVD περιλαμβάνει τα φαινόμενα ροής και μεταφοράς θερμότητας και μάζας καθώς και τις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα. Δίνεται μία σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης, τα τεχνικά χαρακτηριστικά και οι πειραματικές συνθήκες που χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη εναπόθεσης TiC. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι τρόποι υπολογισμού της κινητικής των χημικών αντιδράσεων καθώς και τα θερμοδυναμικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν. Ο τρόπος υπολογισμού της κινητικής των χημικών αντιδράσεων αναφέρεται σε στρωτές αλλά και τυρβώδης ροές. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε η σχέση του Arrhenius. Για τον υπολογισμό της μετάδοσης θερμότητας στο υπόστρωμα και των φαινομένων ροής και μεταφοράς με χημική αντίδραση πάνω από αυτό, γίνεται λεπτομερής βιβλιογραφική ανασκόπηση και παρουσιάζονται εκτενώς τα μαθηματικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί. Το αέριο μίγμα που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του TiC είναι το CH4/T1CI4 ενώ χρησιμοποιείται και το αδρανές Αργό ως αέριο μεταφοράς. Το υπόστρωμα στο οποίο γίνεται η εναπόθεση είναι ο χάλυβας AISI 1060. Για τον υπολογισμό της ακτινοβολίας στο αέριο μίγμα χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο των σύνθετων ροών (Composite Flux ή Six-Flux Model). Για την επίλυση των μαθηματικών μοντέλων ροής και μεταφοράς με χημικές αντιδράσεις και ακτινοβολία δημιουργήθηκε πηγαίος κώδικας χρησιμοποιώντας την μέθοδο των πεπερασμένων όγκων. Στην συνέχεια έγινε παραμετρική μελέτη προσομοίωσης της εναπόθεσης TiC σε δύο και τρεις διαστάσεις, με βασικές παραμέτρους την χημική σύσταση και την ταχύτητα εισόδου των αντιδρώντων, τον χρόνο ακτινοβόλησης της δέσμης laser και τον προσανατολισμό της επιφάνεια εναπόθεσης. Επιπλέον, παρουσιάζονται αποτελέσματα για χρονικά μεταβαλλόμενες συνθήκες εναπόθεσης. Η παραμετρική μελέτη που διεξήχθη βοηθά στην καλύτερη κατανόηση των μηχανισμών εναπόθεσης που λαμβάνουν χώρα, ενώ παράλληλα επιτρέπει τον προσδιορισμό και την αξιολόγηση των κύριων παραγόντων που επηρεάζουν την διεργασία. Χαρακτηριστικά μεγέθη που προσδιορίστηκαν και διερευνώνται είναι ο καθορισμός του μηχανισμού ελέγχου της εναπόθεσης συναρτήσει των συνθηκών λειτουργίας, η επίδραση της φύσης της ροής στον μηχανισμό εναπόθεσης, το θερμοκρασιακό πεδίο στο υπόστρωμα, η χημική σύσταση των αντιδρώντων και η διερεύνηση εναλλακτικών συνθηκών στην λειτουργία του συγκεκριμένου αντιδραστήρα. Το βασικό συμπέρασμα στην παρούσα εργασία είναι ότι το πάχος της εναπόθεσης είναι πολύ μικρό (~ ΙΟ'10 m). Αυξάνοντας την ταχύτητα εισόδου των αντιδρώντων και την ακτινοβολία laser στο υπόστρωμα μπορούμε να αυξήσουμε τον ρυθμό εναπόθεσης. Τέλος, η ακτινοβολία στο συγκεκριμένο αέριο μίγμα δεν επηρεάζει σημαντικά την διεργασία εναπόθεσης.