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紫铜基片上液相沉积二氧化硅薄膜地热水防垢防腐特性

作　者: 陈宁
导　师: 刘明言
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 液相沉积 SiO2薄膜地热水防垢防腐
分类号: TK521
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 56次
引　用: 2次
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内容摘要

地热作为一种新能源,具有分布广、成本低、可直接利用、对环境污染小等优点。但是地热水的结垢与腐蚀是地热利用中存在的两个突出问题,结垢与腐蚀的出现导致传热效率及出水量下降、能耗和物耗增加,同时带来严重的安全隐患。目前,针对地热水换热器设备的防垢与防腐问题,研究者主要采用添加化学抑制剂、涂覆有机涂层等方法以减缓或防止设备的结垢与腐蚀,但是,这些方法存在各种问题,有必要探索用于地热水换热设备防垢防腐的新方法。文献分析表明,传热表面的表面能对污垢的附着有较大影响,降低表面能可以减少地热流体中污垢在传热表面的附着,从而达到防垢的目的。所以本文拟采用液相沉积法在经过打磨、抛光、清洗等处理的紫铜基底样片上制备厚度不同SiO₂薄膜,通过对紫铜表面进行修饰,以降低表面能,由于薄膜为微纳米级厚度,对传热效率几乎没有影响;同时SiO₂薄膜具有良好的耐腐蚀、耐磨损等特点,防垢的同时也达到了防腐的效果。本文研究了氟硅酸浓度、硼酸浓度、沉积温度、沉积时间对薄膜的沉积速率的影响,并对各样片的粗糙度、表面形貌、组成成分、接触角、表面能、薄膜厚度等进行了测量与表征,获得了优化的沉积条件,而经SiO₂薄膜修饰样片的表面能降低。在污垢实验中,以碳酸氢钠与无水氯化钙配制碳酸钙饱和溶液为工质,研究了未处理样片、抛光样片及沉积SiO₂薄膜样片在不同温度及时间下的表面结垢状况及结垢速率,结果表明,经薄膜修饰样片的防垢效果明显优于未处理样片及抛光样片;同时,本实验采用全浸试验方法,以地热井水为工质进行腐蚀实验,研究了未处理样片、抛光样片及沉积SiO₂薄膜样片在不同温度及时间下的腐蚀状况,对腐蚀产物的形貌及成分进行分析,结果表明,沉积SiO₂薄膜的样片在地热水中的防腐蚀效果较差,经长时间浸泡后发生起皮、剥落,不能发挥防腐作用,各样片在地热水中主要发生电化学腐蚀,且属于均匀腐蚀类型,腐蚀产物为铜的含氧化合物。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章前言  9-10
第二章文献综述  10-28
  2.1 Si0_2物化性质及应用  10
  2.2 Si0_2薄膜的制备方法  10-12
    2.2.1 物理气相沉积  10-11
    2.2.2 化学气相沉积  11
    2.2.3 热氧化法  11
    2.2.4 溶胶凝胶法  11-12
    2.2.5 液相沉积法  12
  2.3 Si0_2薄膜的研究进展  12-14
  2.4 液相沉积法制备纳米Si0_2薄膜  14-16
    2.4.1 液相沉积法制备Si0_2薄膜原理  14-15
    2.4.2 Si0_2薄膜的生长模型  15-16
  2.5 地热水结垢与腐蚀趋势判断  16-17
  2.6 地热水换热器防垢研究  17-20
    2.6.1 换热壁面的结垢类型及结垢过程  17-18
    2.6.2 换热壁面污垢的测量  18
    2.6.3 地热水换热器的结垢机理  18
    2.6.4 地热水换热器防垢研究进展  18-20
  2.7 地热水换热器防腐研究  20-26
    2.7.1 金属腐蚀的分类  20-21
    2.7.2 金属腐蚀的评定方法  21-22
    2.7.3 铜及铜合金的腐蚀行为  22-24
    2.7.4 地热水换热器的腐蚀机理  24-25
    2.7.5 地热水换热器防腐研究进展  25-26
  2.8 论文的工作  26-28
第三章液相沉积法制备Si0_2薄膜  28-33
  3.1 实验原料及设备  28-29
    3.1.1 实验原料  28
    3.1.2 实验设备  28-29
  3.2 实验工艺  29-31
    3.2.1 样片打磨、抛光  29-30
    3.2.2 表面清洗  30
    3.2.3 Si0_2薄膜的制备  30-31
  3.3 表征方法  31-33
    3.3.1 表面粗糙度  31
    3.3.2 表面形貌  31-32
    3.3.3 红外光谱（IR）  32
    3.3.4 X 射线光电子能谱（XPS）  32
    3.3.5 薄膜厚度  32
    3.3.6 接触角  32-33
第四章 Si0_2薄膜的表征  33-51
  4.1 沉积条件对Si0_2薄膜性能的影响  33-43
    4.1.1 基底表面状况的影响  33-34
    4.1.2 氟硅酸(H_2SiF_6)浓度对薄膜质量的影响  34-36
    4.1.3 硼酸(H_3B0_3)浓度的影响  36-38
    4.1.4 沉积温度对薄膜质量的影响  38-41
    4.1.5 沉积时间对薄膜质量的影响  41-43
  4.2 薄膜制备条件的优化及其表征  43-51
    4.2.1 薄膜粗糙度的测量  43-44
    4.2.2 薄膜形貌及元素分析  44-46
    4.2.3 薄膜的红外光谱分析(IR)  46-47
    4.2.4 薄膜的X 射线光谱分析(XPS)  47
    4.2.5 薄膜自由能的计算  47-51
第五章 Si0_2薄膜的防腐防垢实验研究  51-68
  5.1 防垢实验  51-59
    5.1.1 实验工质与装置  51-52
      5.1.1.1 实验工质  51-52
      5.1.1.2 实验装置  52
    5.1.2 实验方法与过程  52-53
      5.1.2.1 结垢形貌观察及成分分析  52
      5.1.2.2 结垢速率  52-53
    5.1.3 实验结果与讨论  53-59
      5.1.3.1 污垢形貌观察及成分分析  53-54
      5.1.3.2 污垢的表观检查  54-57
      5.1.3.3 温度对结垢速率的影响  57-58
      5.1.3.4 时间对结垢速率的影响  58-59
    5.1.4 小结  59
  5.2 防腐蚀实验  59-68
    5.2.1 实验材料与装置  59-60
      5.2.1.1 实验材料  59-60
      5.2.1.2 实验装置  60
    5.2.2 实验方法与过程  60-61
      5.2.2.1 腐蚀产物形貌观察及成分分析  60
      5.2.2.2 腐蚀速率  60-61
      5.2.2.3 腐蚀实验周期  61
    5.2.3 实验结果与讨论  61-67
      5.2.3.1 腐蚀产物形貌观察及成分分析  61-63
      5.2.3.2 腐蚀产物的表观检查  63-65
      5.2.3.3 温度对腐蚀速率的影响  65-66
      5.2.3.4 时间对腐蚀速率的影响  66-67
    5.2.4 小结  67-68
第六章结论与建议  68-70
  6.1 结论  68
  6.2 建议  68-70
参考文献  70-75
发表论文和科研情况说明  75-76
附录一 t=168h 时各样片在不同温度下的结垢速率  76-77
附录二 T=60℃时各样片在不同时间下的结垢速率  77-78
附录三 t=24h 时各样片在不同温度下的腐蚀速率  78-79
附录四 T=60℃时各样片在不同时间下的腐蚀速率  79-80
致谢  80

紫铜基片上液相沉积二氧化硅薄膜地热水防垢防腐特性

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