馬小康臺灣大學：機械工程學研究所李國鼎Li, Kuo-TingKuo-TingLi2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61025本實驗係研究以預混甲烷火焰，燃燒合成TiO2、Al2O3以及TiO2˙Al2O3陶瓷粉末。利用0.32%之鈦前置物TTIP，調整不同的氧氮比，實驗結果顯示，當氧氮體積比4：6時，TiO2之Anatase晶相可占總重量的97.7%；相反地，當降低氧含量時，Anatase晶相則逐漸轉換成Rutile。同時也證實了在燃燒合成TiO2的過程中，除了溫度之影響外，氧氣之含量也可控制晶相的轉換。 以相同之方法，使用鋁前置物AIP=1.22%，由實驗結果獲得氧化鋁亦有晶相之變化﹙Al2O3-γ→δ→θ→ㄐ~。一般而言，以TTIP =0.175%和AIP=0.76%分別通入燃燒器中燃燒，可得到均勻的複合材料TiO2˙Al2O3，這也改善了傳統複合材料混合不均之缺點。 在粒徑分析方面，於多氧的條件下，會使火焰溫度上升，溫度上升的結果將導致產物粒子碰撞機會增加，因此產物之粒徑相對的較大。而以本文所使用之設備可產出粒徑300~500nm的TiO2粉體以及粒徑100~200nm的Al2O3粉體，相較之下，Al2O3粒徑較TiO2小，且也可發現本實驗所製作的兩種粉體，當降低收集高度時，粒晶皆有縮小的趨勢。Titania/alumina ceramic powders (TiO2/ Al2O3/ TiO2˙Al2O3) was studied by combustion synthesis as volatilized precursors in premixed CH4+O2+N2 flame. The experiment was used 0.32% titanium precursor (TTIP) under different oxidizer composition conditions. When the molar ratio of oxygen to nitrogen (O2/N2) was 40/60, the result showed that the anatase content was 97.7 wt%. Oppositely, the anatase phase transform to the rutile phase gradually when the molar ratio of oxygen to nitrogen was reducing. Beside the effect of the temperature, the results also showed that oxygen content was the key to control crystalline phase changes. In similar way, the crystalline phase changes were found in the order of Al2O3-γ→δ→θ→目 錄 頁碼 中文摘要 I 英文摘要 II 目 錄 III 圖目錄 VI 表目錄 VIII 附錄 VIII 符號表 IX 章 節 頁 碼 第一章 導論 - 1 - 1.1前言 - 1 - 1.2研究背景 - 2 - 1.3研究目的 - 3 - 第二章 化學反應機構原理與相關文獻回顧 - 4 - 2.1化學反應機構的基本簡介 - 4 - 2.1.1反應機構與化學反應速率的關係 - 5 - 2.1.2甲烷燃燒化學反應機構的介紹 - 7 - 2.2文獻回顧 - 9 - 2.2.1 TiO2之相關文獻 - 9 - 2.2.2 Al2O3之相關文獻 - 13 - 2.2.3其他相關文獻 - 15 - 第三章 實驗研究方法 - 18 - 3.1實驗架構與說明 - 18 - 3.1.1基本架構和參數定義 - 18 - 3.1.2 TTIP/ TiCl4/AIP的介紹 - 19 - 3.2實驗設備 - 20 - 3.2.1燃燒器系統 - 20 - 3.2.2燃料輸送系統 - 21 - 3.2.3其他設備 - 22 - 3.2.4 儀器校正 - 23 - 3.2.4.1流量計校正 - 23 - 3.2.4.2熱電偶校正 - 24 - 3.3實驗步驟 - 25 - 3.3.1實驗前之準備 - 25 - 3.3.2火焰溫度場之量測及現象觀察 - 26 - 3.3.3燃燒產物的收集與分析 - 26 - 第四章 結果與討論 - 28 - 4.1 前置物濃度對火焰溫度之影響 - 28 - 4.2 產物晶相之分析 - 29 - 4.2.1產物TiO2部分 - 29 - 4.2.1.1調整氧氮比例對TiO2晶相之影響 - 29 - 4.2.1.2前置物濃度對TiO2晶相之影響 - 31 - 4.2.1.3收集產物高度對TiO2晶相之影響 - 32 - 4.2.2產物Al2O3部分 - 34 - 4.2.2.1調整氧氮比例對Al2O3晶相之影響 - 34 - 4.2.2.2前置物濃度對Al2O3晶相之影響 - 35 - 4.2.2.3收集產物高度對Al2O3晶相之影響 - 35 - 4.2.3 TiO2˙Al2O3之晶相分析 - 36 - 4.3 產物粒徑之分析 - 36 - 4.3.1產物TiO2部分 - 36 - 4.3.2產物Al2O3部分 - 37 - 4.4 其他相關分析 - 38 - 4.4.1能量散布光譜儀(EDS) - 38 - 4.4.2前置物PH值之量測 - 38 - 第五章、結論與建議 - 40 - 5.1結論 - 40 - 5.1.1火焰之溫度量測 - 40 - 5.1.2產物之晶相分析 - 40 - 5.1.2產物之粒徑分析 - 41 - 5.2建議 - 42 - 參考文獻 - 43 - 圖目錄 圖1. 系統設備圖 - 48 - 圖2. 實驗燃燒器示意圖 - 48 - 圖3. 火焰圖(ψ=1.0,調整氧氮比例) - 49 - 圖4. 火焰溫度分佈圖(ψ=1.0,調整氧氮比例) - 49 - 圖5. 火焰溫度分佈圖(ψ=1.0,調整前置物TTIP濃度) - 50 - 圖6.火焰溫度分佈圖(ψ=1.0,調整前置物TiCl4濃度) - 50 - 圖7.火焰溫度分佈圖(ψ=1.0,調整前置物AIP濃度) - 51 - 圖8.TiO2晶相變化-XRD圖譜(調整氧氮比例) - 51 - 圖9.TiO2晶相重量百分率分佈圖(調整氧氮比例) - 52 - 圖10.TiO2晶相變化-XRD圖譜(調整氧氮比例) - 52 - 圖11.TiO2晶相重量百分率分佈圖(調整氧氮比例) - 53 - 圖12.TiO2晶相重量百分率分佈圖(TTIP與TiCl4，調整氧氮比例) - 53 - 圖13.TiO2晶相變化-XRD圖譜(調整前置物TTIP濃度) - 54 - 圖14.TiO2晶相重量百分率分佈圖(調整前置物TTIP濃度) - 54 - 圖15.TiO2晶相變化-XRD圖譜(調整前置物TiCl4濃度) - 55 - 圖16.TiO2晶相重量百分率分佈圖(調整前置物TiCl4濃度) - 55 - 圖17.TiO2晶相重量百分率分佈圖(TTIP與TiCl4，改變前置物濃度) - 56 - 圖18.TiO2晶相變化-XRD圖譜(改變收集高度) - 56 - 圖19.TiO2晶相重量百分率分佈圖(改變收集高度) - 57 - 圖20.TiO2晶相變化-XRD圖譜(改變收集高度) - 57 - 圖21.TiO2晶相重量百分率分佈圖(改變收集高度) - 58 - 圖22.TiO2晶相重量百分率分佈圖(TTIP與TiCl4，改變收集高度) - 58 - 圖23.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=20/80) - 59 - 圖24.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=30/70) - 59 - 圖25.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=35/65) - 60 - 圖26.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=40/60) - 60 - 圖27-1.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.72%,O2/N2=35/65) - 61 - 圖27-2.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.50%,O2/N2=35/65) - 61 - 圖27-3.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.05%,O2/N2=35/65) - 62 - 圖28-1.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=35/65,H=4cm) - 62 - 圖28-2.Al2O3-XRD晶相圖譜(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=35/65,H=3cm) - 63 - 圖29-1.TiO2˙Al2O3產物之XRD圖譜(O2/N2=20/80) - 63 - 圖29-2.TiO2˙Al2O3產物之XRD圖譜(O2/N2=40/60) - 64 - 圖30-1.TiO2粒徑分析之TEM圖(TTIP=0.32%,O2/N2=20/80,H=5cm) - 64 - 圖30-2.TiO2粒徑分析之TEM圖(TTIP=0.32%,O2/N2=20/80,H=5cm) - 65 - 圖31.TiO2粒徑分析之TEM圖(TTIP=0.32%,O2/N2=40/60,H=5cm) ………...- 65 - 圖32.TiO2粒徑分析之TEM圖(TiCl4=0.32%,O2/N2=20/80,H=5cm)………..- 66 - 圖33.TiO2粒徑分析之TEM圖(TiCl4=0.32%,O2/N2=40/60,H=5cm) ………..- 66 - 圖34-1.TiO2粒徑分析之TEM圖(TTIP=0.32%,O2/N2=20/80,H=4cm) - 67 - 圖34-2.TiO2粒徑分析之TEM圖(TTIP=0.32%,O2/N2=20/80,H=3cm) - 67 - 圖35.Al2O3粒徑分析之TEM圖(AIP=1.22%,O2/N2=40/60,H=5cm) ……..…..- 68 - 圖36. Al2O3粒徑分析之TEM圖(AIP=1.22%,O2/N2=20/80,H=5cm)………...- 68 - 圖37-1. Al2O3粒徑分析之TEM圖(AIP=1.22%,O2/N2=20/80,H=4cm) - 69 - 圖37-2. Al2O3粒徑分析之TEM圖(AIP=1.22%,O2/N2=20/80,H=3cm) - 69 - 圖38- 1.產物之元素分析(ψ=1.0,TTIP=0.32%,O2/N2=40/60,H=5cm) - 70 - 圖38-2.產物之元素分析(ψ=1.0,AIP=1.22%,O2/N2=40/60,H=5cm) - 70 - 圖38-3.產物之元素分析(ψ=1.0,Al/Ti=4.3,O2/N2=40/60) - 71 - 圖39-1.PH值量測標準表 - 72 - 圖39-2.前置物TiCl4之PH值量測圖 - 72 - 圖39-3.前置物TTIP之PH值量測圖 - 72 - 表目錄 表1- 1甲烷-空氣之25條主要反應機構 - 73 - 表1-2 H2/O2 reaction system 主要機構 - 75 - 表1-3 CH4/O2 reaction system 4條主要機構 - 76 - 表2-1 TTIP的燃燒操作條件 - 77 - 表2-2 TiCl4的燃燒操作條件 - 79 - 表2-3 AIP的燃燒操作條件 - 81 - 表3-1 TTIP、TiCl4以及AIP的基本介紹 - 83 - 表4- 1不同O2/N2莫耳分率下合成TiO2顆粒對Anatase含量之重量百分比（ψ＝1.0；TTIP＝0.32%；TiCl4=0.32%） - 85 - 表4- 2不同收集高度下合成TiO2顆粒對Anatase含量之重量百分比（ψ＝1.0；TTIP＝0.32%；TiCl4=0.32%） - 86 - 附錄 A.相關精密儀器的介紹 - 87 - A.1 XRD，X-ray diffraction(X射線粉末繞射儀) - 87 - A.2 TEM(穿透式電子顯微鏡) - 89 - A.3 EDS(能量散布光譜儀) - 92 - A.4雷射散射儀 ………………………………………………………………...- 93 - A.5 X射線繞射線線寬法 ……………………………………………………...- 94 -1540551 bytesapplication/pdfen-US燃燒合成銳鈦礦預混甲烷火焰鋁前置物AIP金紅石鈦前置物TTIPaluminum precursor (AIP)combustion synthesisrutiletitanium precursor (TTIP)premixed CH4 flameanatasethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61025/1/ntu-93-R91522304-1.pdf