CFD-based tool to support CNT synthesis via CVD

Abstract

Ao longo dos últimos anos, tem havido bastante interesse na aplicação de Nanotubos de Carbono (CNTs) devido às suas propriedades únicas, principalmente a nível mecânico e elétrico. Contudo, os processos de síntese, como a Deposição Química a Vapor (CVD), são bastante imprevisíveis e inconsistentes, levando a uma metodologia de tentativa-erro quando se pretende extrapolar resultados. Como alternativa, nesta tese é proposta e desenvolvida uma ferramenta, baseada em métodos computacionais de dinâmica de fluidos (CFD), de suporte à compreensão do processo e à transição entre diferentes setups de CVD. O desenvolvimento desta ferramenta começa com uma análise de sensibilidade, baseada em métodos CFD, a modelos computacionais de quatro setups CVD reais para a síntese de CNTs. Nesta análise foi pretendido avaliar que parâmetros de processo mais influenciam as condições de síntese. Tal informação permite ajustar os parâmetros de processo de forma a obter as condições de síntese desejadas e, consequentemente, desenvolver a ferramenta de suporte à transição entre diferentes setups de CVD. Definindo esta transição como o processo de replicar as condições de síntese medidas num dado (primeiro) setup, num outro (segundo) setup, a metodologia proposta é baseada num problema de otimização, onde é pretendido reduzir o erro percentual entre as condições de síntese de ambos os setups. Os resultados mostraram um erro percentual abaixo dos 2% para a maior parte dos casos testados e nunca superior a 7% para os restantes casos, o que valida a metodologia proposta do ponto de vista do modelo computacional. A ferramenta de transição foi ainda melhorada com a integração dos efeitos da temperatura do forno, parâmetro do processo CVD ainda não considerado, nas condições de síntese. Estes efeitos foram avaliados através de uma análise de sensibilidade. Uma vez validada a hipótese, a ferramenta de transição foi alterada considerando a temperatura do forno e foi testada para vários casos. Os resultados obtidos mostraram uma redução média de 63% do erro percentual anterior. Para explorar e entender as capacidades dos métodos CFD, foi criado um caso de estudo, onde reações químicas foram incluídas num modelo para resolver problemas existentes na síntese de CNTs quando é usado um novo catalisador. Através do estudo das reações químicas e interações existentes entre os vários componentes, é possível analisar outras dependências existentes no processo de síntese, permitindo ultrapassar as limitações encontradas no setup experimental. Por último, a inclusão das reações químicas no modelo foi proposta como forma de estudar a transição entre setups de CVD, onde o processo de síntese de CNTs é feito com diferentes hidrocarbonetos. A integração destas capacidades possibilitaria a análise de condições de síntese, resultantes da interação química dos diversos gases. Adicionalmente, é espectável a validação experimental da metodologia de transição desenvolvida. Tal validação, quer seja feita em dois setups existentes no mesmo grupo de investigação ou entre diferentes grupos, potenciaria a metodologia como uma ferramenta robusta na transferência de conhecimento e resultados, como ainda em técnicas de scale up da síntese de nanotubos de carbono. O desenvolvimento deste trabalho de investigação resultou numa melhor compreensão acerca da dinâmica de fluidos in das interações entre gases que ocorrem durante a fase de crescimento da síntese de CNTs por CVD. Esta compreensão foi usada para o desenvolvimento duma metodologia de transição, baseada em mimica de condições, para suporte à transferência de conhecimento entre diferentes setups de CVD. Foi ainda analisada a integração de reações químicas nos modelos CFD, que potenciariam a metodologia proposta para abordar a transição entre setups CVD que usem diferentes gases. No entanto, este trabalho computacional deve ser validado, uma vez que ainda existem questões cientificas a abordar. Por exemplo, que reações químicas ocorrem, quando usados diferentes gases? Ou, que condições de síntese devem ser replicadas entre estes setups? Estas e outras questões devem ser abordadas em trabalho futuro.

Over the last years, there has been a high interest in Carbon Nanotubes' (CNTs) applications due to their unique properties, mainly at mechanical and electrical levels. However, current synthesis processes, such as Chemical Vapor Deposition (CVD), are highly unpredictable and inconsistent, which leads to an exhaustive trial-and-error methodology when extrapolating results. Alternatively, a Computational Fluid Dynamics (CFD) based tool to support the transition process between two distinct CVD setups is here proposed and developed. For the correct development of such tool, a CFD-based sensitivity analysis was first performed to the models of four distinct and real CVD processes to synthesize CNTs. Such analysis intended to give a better understanding of the whole process by evaluating which process parameters affect the most the synthesis conditions. Such understanding of the process’ fluid dynamics would enable the targeting of specific synthesis conditions by adjusting the process parameters. With such insights of the process’ fluid dynamics, the model to support the transition between two different CVD setups was designed. Defining this transition as the act of mimicking the synthesis conditions obtained in one tube in the other, the proposed methodology was based in an optimization problem, intended to minimize the percentual error between the conditions measured in both setups. Results have shown a total percentual error less than 2% for most of the tested cases and never higher than 7% for the remaining ones, which validates the proposed methodology. The transition model was then improved with the integration of the furnace temperature effects on the synthesis conditions. These effects were evaluated by a sensitivity analysis. Once the proposed hypothesis was validated, the transition model was altered considering the furnace temperature. The obtained results showed an average reduction of 63% of the previously achieved percentual error. Further capabilities of the CVD setups modelling via CFD tools were assessed by a case study, where chemical reactions kinetics were included in the model in order to solve a few uniformity issues in the CNT synthesis process, when addressing the usage of a different catalyst. Including the interactions between the compounds, the chemical reactions kinetics enable the analysis of further dependencies existent in the CVD process, which gave some insights to be considered for overcoming the encountered issues in the experimental work. Finally, the inclusion of the chemical reactions kinetics in the transition model was proposed as a way for it to tackle transition between CVD setups, whose CNT synthesis is based in different hydrocarbons. The inclusion of such capabilities would enable the analysis of other synthesis conditions, resulted from the interaction between the different compounds. Moreover, experimental validation of the designed transition methodology is envisioned. Such validation, either within the same research group or between different groups, would potentiate the methodology as a robust tool to support knowledge transfer as well as scale-up techniques in the carbon nanotubes synthesis. The development of this research work resulted in a better understanding of the fluid dynamics and compounds interactions occurring during the growth phase of the CNT synthesis by CVD. Such understanding was used to develop a conditions mimicking based transition methodology to support knowledge transfer between different CVD setups. It was also analyzed the integration of chemical reactions in the CFD model, which would potentiate the proposed methodology to tackle the transition between CVD setups using different compounds. Nonetheless, this computational work should be validated, as there are still research questions to be addressed. For instance, what chemical reactions occur when using different compounds? Or, what would be a suitable synthesis condition to be mimicked between these setups? These and other issues should be tackled in future research work.