Name: preparation and evaluation of hybrid composites of chemical fuel and multi-walled carbon nanotubes in the study of thermopower waves
Uploaded: 2015-04-10T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 35 s
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この作品は、資金科学技術（NRF-2013R1A1A1010575）、文部科学省によって資金を供給、韓国国立研究財団（NRF）を介して基礎科学研究開発プログラムでサポートされている、とナノR＆Dプログラムによる韓国科学技術財団を介していた教育部（NRF-2012M3A7B4049863）による。

垂直配向多層カーボンナノチューブの合成1（VAMWCNTs） <ol><li>ウエハの調製と触媒層の堆積<ol><li> n型（100）Siウェハを準備します。 </li><li>熱酸化やスパッタ法等の代替的な方法によってSiウエハ上に250nmの厚さのSiO 2層を堆積させる。水平炉内で1000℃で3時間20分間、O 2を200sccmのを注入する。 </li><li>マルチスパッタ（RFパワー：1,000 W）として（99.9％）2 O 3のバルクのAlを使用する場合は、ソースとSiO 2層上に膜厚10nmのAl 2 O 3（99.9％）の層を堆積させる。 2×10 -2ミリバールの堆積圧力では10nm /分の遅い堆積速度を使用してください。 </li><li>電子ビーム蒸発器を使用することによって、ソースなどのバルクのFe（99.9％）を使用し、およびAl 2 O 3層の上に厚さ1nmのFe層を堆積させる。 5×10 -6トルの堆積圧力で〜0.1nm /秒の遅い堆積速度を使用してください。 </li&gt; <li>ダイヤモンドスクライバーを使用して28ミリメートル×15ミリメートルサイズにはFe / Al 2 O 3の/ SiO 2の/ Siウエハーをカットします。 注：VAMWCNT配列の所望の大きさに応じて、鉄/のAl 2 O 3 / SiO 2の/ Siウエハの大きさを変化させることができる。 </li></ol></li><li> MWCNT TCVDによる配列と自立MWCNT森林の準備の合成。 <ol><li> 30ミリメートル×120ミリメートルの寸法を有している石英ボートの中心にはFe / Al 2 O 3の/ SiO 2の/ Siウエハを配置します。 </li><li> TCVDのセットアップ（ 図1A）の2インチの石英管の内側に石英ボートを置きます。 </li><li>空気を除去し、Arで2インチの石英管を充填するために、周囲条件下で10分間Arガス900 SCCMを注入する。 </li><li> 30分で25℃から750℃まで炉内の温度を上昇させながらArガスを600sccmとH 2ガスを400sccmを注入する。 </li><li> Arガスを100sccmとH 2ガの400sccmのを注入10分間750℃でsはMWCNTの根としてのFeナノ粒子を処方する。 </li><li> Arガスを100sccm、H 2ガスを368 SCCM、および280分間750℃で、エチレン（C 2 H 4）ガスの147 SCCMを注入する。炭素源として作用するようにC 2 H 4ガスの分解を促進すると同時に、タングステンフィラメント（15 A：0.8 V、電流、電圧）によって石英管の入口にジュール加熱を適用する。これらの炭素源は、Siウェハ上のFeナノ粒子に付着したCNTに変換される。 </li><li> H 2ガス及びC 2 H 4ガスの注入を停止し、炉の電源を切ります。ウエハの温度が60℃を下回るまで、この手順の間、連続してArガスを100sccmを注入する。 </li><li>ウェハ上のMWCNTをを取り出します。 （ 図1B）：穏やか自立MWCNT林（3〜6ミリメートルの長さ）を得るために、ウェハからMWCNTアレイを分離する。 </li></ol></li></ol><ol><li>化学燃料の調製<ol><li>ピクリン酸（2,4,6-トリニトロフェノール）ソリューションとアジ化ナトリウム（NaN 3を） を準備します。 <ol><li>ピクリン酸粉末（1気圧、24時間、25℃、）を得ピクリン酸溶液を蒸発させる。ピクリン酸粉末6gのを測定し、アセトニトリル100ml（262ミリモル）に溶解する。 </li><li>アジ化ナトリウム粉末の尺度6グラム、および脱イオン（DI）水（923ミリモル）100mlに溶解する。 </li></ol></li></ol></li><li>湿式含浸を介して合成したハイブリッド複合体の特徴付け<ol><li>天秤との個別MWCNT森の質量を測定し、SEM（ 図4A）によりMWCNT森林の整合構造を確認する。 15 kVの電圧と1,200Xの倍率を使用してください。整列構造は全体MWCNT森林にわたって維持されているかどうかを確認してください。 </li><li>トンで262 mMのピクリン酸溶液25μlを追加MWCNT森のOPは​​燃料が森の毛穴に浸透することを可能にする。 30分には、フィルム·アレイを縮小し、すべてのアセトニトリルが森（ 図1C）から蒸発するまでピクリン酸が完全に毛穴に浸透できるようにするためのものですように、サンプルのままにしておきます。 注：化学燃料とMWCNTアレイとの間の目標比率に応じて、ピクリン酸溶液の濃度や量を変更します。 </li><li>湿式含浸により2,4,6-トリニトロナトリウムフェノキシドおよびアジ化水素（燃料層）を形成する923 mMのアジ化ナトリウムの溶液25μlでピクリン酸でコーティングされたMWCNT森林を浸す。すべての溶媒が蒸発するまで30分間のサンプルのままにしておきます。 注：化学燃料とMWCNTアレイとの間の目標比率に応じて、アジ化ナトリウム溶液の濃度や量を変更することができます。 </li><li>の質量比を計算するために天秤と燃料とのMWCNTの個々のハイブリッド複合体の質量を測定し、最終質量を比較する燃料層とのMWCNT。 <img alt="式1" src="/files/ftp_upload/52818/52818eq1.jpg" /> ここで、M hおよびM mは、それぞれ、個々のハイブリッド複合材料と個々のMWCNT膜の質量である。 </li><li> SEM（ 図5A）により燃料とのMWCNTのハイブリッド複合材料の整合構造を確認してください。製造元の指示に従って、操作条件のための圧力を低下させ、化学燃料凝集が明らかに整列MWCNT森林において観察されるまで、倍率を上げる。 MWCNTは上の燃料集合体の形状を確認してください。 </li></ol></li></ol>熱電波発生器（図2）の3。製造業<ol><li>熱電波から直接出力される電圧を測定するオシロスコープに接続するための電極として機能するようにスライドガラスの両端に銅テープを取り付ける。 </li><li>銀のパによりハイブリッド複合材料の両端​​に銅テープを接続するTE滴。銀ペーストが硬くなり、接続が固定されるまで、サンプルのままにしておきます。 </li><li>ハイブリッド複合材料の電気抵抗を測定するためにマルチメータを使用してください。 </li></ol>熱電波の4測定（図3） <ol><li>ポリカーボネート室内に、安全のためにクランプを光学テーブル上に熱電波発生器を固定する。 </li><li>出力電圧の測定のためにオシロスコープに銅電極を接続するためにワニ口クリップを使用してください。 </li><li>発電機からの燃焼伝播を記録する：高速顕微鏡システム[ハイスピー​​ドカメラ（&gt; 5000フレーム/秒）、マクロレンズ（105ミリメートル/ F2.8レンズ）、及びLEDランプのコンポーネント]を設定します。配置し、熱電波発生の前に、高解像度の画像を有する透明記録用LEDランプを点灯。 5000フレーム/秒の上に記録速度を設定します。 </li><li>温度のリアルタイムの変化を記録するために、特定の位置での光高温計を配置ハイブリッド複合材料の。 </li><li>ハイブリッド複合材料に化学燃料に点火するために、レーザー照射またはジュール加熱のいずれかを適用する。 <ol><li>ハイブリッド複合上の特定の位置にレーザー（&lt;千MW）をフォーカス。燃焼が熱電波発生器で開始されるまで数秒間焦点を維持。 </li><li>大電流電源とニッケルクロム線を準備します。高電流電源（動作条件：5 Vおよび3 A）にワイヤを接続し、ニッケル線を加熱する。燃焼が熱電波発生器で開始されるまでのハイブリッド複合上で加熱ニッケル線や化学燃料の間に穏やかな接触をしてください。 </li></ol></li><li>熱電波が発生器によって起動されると、高速な顕微鏡システム、オシロスコープ、及び光高温計からなる、測定セットアップをオンにします。 <ol><li>高速度カメラで設定録画フレームレート（5000フレーム/秒）。 thermopo開始時のトリガー記録WER波伝播。レコード高速顕微鏡システムの高速写真画像内のスナップショット、および熱電波伝播の開始から終了まで記録フレーム数を抽出し（総フレーム＃番号）。 </li><li>オシロスコープを使用して熱電波伝播の開始から終了までの電圧信号を記録します。出力電圧パルス（V）を抽出する。 </li><li>対象地域を示すハイブリッド複合材料上の特定の位置に光高温計を集中し、温度（℃）の動的変化を測定する。 </li></ol></li><li>高速顕微鏡システム内の個々のフレームの反応フロントの位置を抽出することにより、反応の伝播速度を計算する。 <img alt="式2" src="/files/ftp_upload/52818/52818eq2.jpg" /> ここで、Lの時間は 、ハイブリッド複合体の合計の長さであり、n fは、nは0 &lt;熱電波伝播の開始から終了まで記録されたフレームの数であり、かつ/サブ&gt;は、記録フレームレートである。 </li><li>オシロスコープからの出力電圧データを抽出し、出力電圧パルスの最大ピーク電圧ならびに特定の電力を計算。ステップ3で測定した電気抵抗を使用してください。 </li><li>光高温計を使用して温度変化を抽出します。 </li></ol>

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	<li>Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R. Q., Zhang, K. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructured+Energetic+Composites:+Synthesis,+Ignition/Combustion+Modeling,+and+Applications.">Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications.</a> Acs Appl Mater Inter. 6, 3058-3074 (2014).</li><li>Zhang, K., Chou, S., Ang, S., Tang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+MEMS-based+solid+propellant+microthruster+with+Au/Ti+igniter.">A MEMS-based solid propellant microthruster with Au/Ti igniter.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 122, 113-123 (2005).</li><li>Zhang, W. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Significantly+Enhanced+Energy+Output+from+3D+Ordered+Macroporous+Structured+Fe2O3/Al+Nanothermite+Film.">Significantly Enhanced Energy Output from 3D Ordered Macroporous Structured Fe2O3/Al Nanothermite Film.</a> Acs Appl Mater Inter. 5, 239-242 (2013).</li><li>Choi, W., Abrahamson, J. T., Strano, J. M., Strano, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+nanotube-guided+thermopower+waves.">Carbon nanotube-guided thermopower waves.</a> Materials Today. 13, 22-33 (2010).</li><li>Choi, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemically+driven+carbon-nanotube-guided+thermopower+waves.">Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves.</a> Nat Mater. 9, 423-429 (2010).</li><li>Abrahamson, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wavefront+Velocity+Oscillations+of+Carbon-Nanotube-Guided+Thermopower+Waves:+Nanoscale+Alternating+Current+Sources.">Wavefront Velocity Oscillations of Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves: Nanoscale Alternating Current Sources.</a> Acs Nano. 5, 367-375 (2011).</li><li>Walia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ZnO+based+thermopower+wave+sources.">ZnO based thermopower wave sources.</a> Chem Commun. 48, 7462-7464 (2012).</li><li>Walia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sb2Te3+and+Bi2Te3+based+thermopower+wave+sources.">Sb2Te3 and Bi2Te3 based thermopower wave sources.</a> Energ Environ Sci. 4, 3558-3564 (2011).</li><li>Hong, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+Electrical+Potential+of+Thermoelectric+Power+Waves+by+Sb2Te3-Coated+Multiwalled+Carbon+Nanotube+Arrays.">Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays.</a> J Phys Chem C. 117, 913-917 (2013).</li><li>Walia, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MnO2-Based+Thermopower+Wave+Sources+with+Exceptionally+Large+Output+Voltages.">MnO2-Based Thermopower Wave Sources with Exceptionally Large Output Voltages.</a> J Phys Chem C. 117, 9137-9142 (2013).</li><li>Aria, A. I., Gharib, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dry+oxidation+and+vacuum+annealing+treatments+for+tuning+the+wetting+properties+of+carbon+nanotube+arrays.">Dry oxidation and vacuum annealing treatments for tuning the wetting properties of carbon nanotube arrays.</a> J Vis Exp. , (2013).</li><li>Zhao, Y., Tang, Y., Star, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+functionalization+of+nitrogen-doped+carbon+nanotube+cups+with+gold+nanoparticles+as+cork+stoppers.">Synthesis and functionalization of nitrogen-doped carbon nanotube cups with gold nanoparticles as cork stoppers.</a> J Vis Exp. , e50383 (2013).</li><li>Copic, D., Park, S. J., Tawfick, S., De Volder, M., Hart, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication,+densification,+and+replica+molding+of+3D+carbon+nanotube+microstructures.">Fabrication, densification, and replica molding of 3D carbon nanotube microstructures.</a> J Vis Exp. , (2012).</li><li>Grimme, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Do+Special+Noncovalent+&#960;&#8211;&#960;+Stacking+Interactions+Really+Exist.">Do Special Noncovalent &#960;&#8211;&#960; Stacking Interactions Really Exist.</a> Angewandte Chemie International Edition. 47, 3430-3434 (2008).</li><li>Yeo, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+chemical+fuel+composition+on+energy+generation+from+thermopower+waves.">Effects of chemical fuel composition on energy generation from thermopower waves.</a> Nanotechnology. 25, (2014).</li><li>Hong, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+Electrical+Potential+of+Thermoelectric+Power+Waves+by+Sb2Te3-Coated+Multiwalled+Carbon+Nanotube+Arrays.">Enhanced Electrical Potential of Thermoelectric Power Waves by Sb2Te3-Coated Multiwalled Carbon Nanotube Arrays.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 117, 913-917 (2013).</li><li>Kim, P., Shi, L., Majumdar, A., McEuen, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+transport+measurements+of+individual+multiwalled+nanotubes.">Thermal transport measurements of individual multiwalled nanotubes.</a> Physical review letters. 87, 215502 (2001).</li><li>Garner, W., Abernethy, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heats+of+combustion+and+formation+of+nitro-compounds.+Part+I.+Benzene,+toluene,+phenol+and+methylaniline+series.">Heats of combustion and formation of nitro-compounds. Part I. Benzene, toluene, phenol and methylaniline series.</a> Proceedings of the Royal Society of London. Series A. 99, 213-235 (1921).</li><li>Passingham, C., Hendra, P. J., Hodges, C., Willis, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Raman+spectra+of+some+aromatic+nitro+compounds.">The Raman spectra of some aromatic nitro compounds.</a> Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. 47, 1235-1245 (1991).</li><li>Rinkenbach, W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Heats+Of+Combustion+And+Formation+Of+Aromatic+Nitro+Compounds.">The Heats Of Combustion And Formation Of Aromatic Nitro Compounds.</a> Journal of the American Chemical Society. 52, 115-120 (1930).</li></ol>

著者らは、開示することは何もない。

熱電波実験のプロトコルは、理想的な熱波の伝播だけでなく、電気エネルギーの生成を有効に重要なステップを伴う。まず、点火の特定の位置と対応する反応転送が熱電波からエネルギー変換を制御するのに相当な要因である。ハイブリッド複合材料の一端に点火一方向にコア材料と化学燃料間の界面に沿って燃焼案内開始した。しかし、任意の他の位置での点火は、コア材料の内部反対方?...

非常に高いエネルギー密度を有し、広くマイクロシステムからmacrosystemsに幅広い用途で有用なエネルギー源として使用されてきた。特に1化学燃料は、多くの研究者は、次世代のマイクロ/ナノシステムのエネルギー源として化学燃料を使用するように努めているベースの技術2が、マイクロ/ナノデバイスが極めて小さい空間にエネルギー変換コンポーネントを統合することが困難のために、電気エネルギーに化学燃料への変換の基本的な限界がある。したがって、化学燃料の燃焼は、主にnanothermitesまたはマイクロアクチュエータとしてのマイクロ/ナノデバイスにおける化学的または機械的エネルギーの生産のために採用されている。1,3 熱電波、新しく開発されたエネルギー変換電気エンに直接燃料の化学エネルギーを変換するための方法として注目されている概念は、任意の変換コンポーネントを使用せずにRGY。4,5-熱電波は化学燃料のハイブリッド複合材料、マイクロ/ナノ構造材料を用いて作製することができる。ハイブリッド複合材料の特定の位置における化学燃料が点火されると図5に示すように、化学的燃焼に沿って発生する化学燃料とマイクロ/ナノ構造物質との間のインターフェース。同時に、高出力電圧パルスの形の電荷移動により誘導された付随電気エネルギー生成におけるコアマイクロ/ナノ構造物質の結果を横切る熱及び化学ポテンシャルのダイナミックな変化。このような多層カーボンナノチューブ（MWCNT）4-6及びZnO 7のBi 2 Te 3の、8のSb 2 Te 3の、 図9及びMnO 2のような多様なマイクロ/ナノ構造材料は、10マイクロ/ナノ構造材料は、ハイブリッド複合体を可能にすることが証明されている熱電波を利用し、化学熱electriを表示するCALエネルギー変換。具体的には、高いゼーベック係数を有するコア材料は、単独で伝播燃焼から高出力電圧の生成を可能にする。しかしながら、このような化学燃料、燃料/コア材料の質量比、製造プロセス、および点火状態の混合物として同一の複合材料に関連する他のパラメータは、批判的に熱電波の全体の特性に影響を与える。 ここで、我々は、製造プロセス、整列化学燃料の生成、および燃料/コア材料の質量比は、熱電波のパフォーマンスに影響を与えるかを示す。熱化学気相成長（TCVD）によって作製MWCNT配列に基づいて、我々は、化学燃料とのMWCNTのハイブリッド複合材料は、熱電波エネルギー生成のために準備されるかを示す。エネルギー変換の評価を可能にする実験の設計は、燃焼などの処理のための実験的な測定値を対応するとともに導入さpropagati上と直接電気エネルギーの生成。また、我々は、極性動的出力電圧および特定のピークパワー決定的に電気エネルギー変換を決定することにより、分布を説明したことを示している。この研究では、エネルギーの生成を高めるために特定の戦略を提供し、熱電波の基礎となる物理学を理解するのに役立つだろう。さらに、ここで説明した製造工程及び実験は、熱電波の研究の機会を拡張するだけでなく、化学的、熱電エネルギー変換に役立つ。

<table><tbody><tr><td>4&amp;rdquo; n-type silicon wafer</td><td>Unisill</td><td>4&amp;rdquo; Si-wafer</td><td></td></tr><tr><td>Al&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;</td><td>TAEWON</td><td>A-1008</td><td>99.9999% Purity</td></tr><tr><td>Fe</td><td>Sigma Aldrich</td><td>267945</td><td>99.9999% Purity</td></tr><tr><td>Ar</td><td>Seoul specialty gas</td><td>Ar(N60)</td><td>99.9999% Purity</td></tr><tr><td>C&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Seoul specialty gas</td><td>C&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>99.5% Purity</td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Seoul specialty gas</td><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;(N60)</td><td>99.9999% Purity</td></tr><tr><td>Silver paste</td><td>Fujikura Kasei</td><td>D-550</td><td></td></tr><tr><td>Picric acid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>197378</td><td>&amp;#62;98% Purity&lt;br /&gt;Highly toxic</td></tr><tr><td>Sodium azide</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S2002</td><td>&amp;#62;99.5% Purity</td></tr><tr><td>Acetonitrile</td><td>Sigma Aldrich</td><td>271004</td><td>99.8% Purity</td></tr><tr><td>Power supply</td><td>Mastech</td><td>HY3010</td><td></td></tr><tr><td>TCVD</td><td>Scientech</td><td>TCVD</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscope</td><td>Tektronix</td><td>DPO2004B</td><td></td></tr><tr><td>High-speed microscopy system</td><td>Phantom</td><td>V7.3</td><td></td></tr></tbody></table>

preparation and evaluation of hybrid composites of chemical fuel and multi-walled carbon nanotubes in the study of thermopower waves

燃料及びマイクロ/ナノ構造材料のハイブリッド複合材料の特定の位置における化学燃料が点火されると、化学燃焼、燃料とコア材料間の界面に沿って生じる。同時に、マイクロ/ナノ構造材料を横切る熱及び化学ポテンシャルのダイナミックな変化は、高出力の電圧パルスの形態で、電荷移動によって誘導される付随する電気エネルギーの生成をもたらす。私たちは、合成からの評価を、熱電波実験の全体​​の手順を示しています。熱化学気相成長法および湿式含浸プロセスは、それぞれ多層カーボンナノチューブアレイとピクリン酸/アジ化ナトリウム/多層カーボンナノチューブのハイブリッド複合体の合成に使用される。調製されたハイブリッド複合体は、接続電極と熱電波発生器を製造するために使用される。ハイブリッド複合材料の燃焼はレーザ加熱またはジュール加熱し、目によって開始され、燃焼伝播、直接的な電気エネルギーの生成、およびリアルタイムの温度変化に対応した電子は、それぞれ、高速顕微鏡システム、オシロスコープ、及び光高温計を用いて測定される。また、全体的な熱電波エネルギー伝達を向上させるそれらの燃焼のハイブリッド複合材料および開始の合成に採用されるべき重要な戦略が提案されている。

図4Aに示すように、熱電波のコア構造材料として整列MWCNTアレイは、TCVD、11〜13で合成した。として成長たMWCNTの直径は20〜30ナノメートル（ 図4B）である。ピクリン酸/アジ化ナトリウム/ MWCNTの整列のハイブリッド複合材料は、 図5Aに示されている。プロトコルセクションに記載したように、この複合体は、湿式含浸法によって14を合成し?...

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Preparation and Evaluation of Hybrid Composites of Chemical Fuel and Multi-walled Carbon Nanotubes in the Study of Thermopower Waves

A protocol for conducting thermopower wave experiments is presented. The synthesis of hybrid composites of a chemical fuel and micro/nanostructured material, manufacturing of a thermopower wave generator, and methods for measuring the corresponding physical phenomena are described.

熱電波の研究における化学燃料と多層カーボンナノチューブのハイブリッド複合材料の作製と評価

When a chemical fuel at a certain position in a hybrid composite of the fuel and a micro/nanostructured material is ignited, chemical combustion occurs ...

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Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

マイクロ流体浸透を通じて立体的微細構造ナノ複合材料の製造

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

化学

Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very promising application for molecular sensors, field effect transistor and super thin and flexible electronic devices1-4. Anodic arc discharge supported by the erosion of the anode material is one of the most practical and efficient methods, which can provide specific non-equilibrium processes and a high influx of carbon material to the developing structures at relatively higher temperature, and consequently the as-synthesized products have few structural defects and better crystallinity.
 To further improve the controllability and flexibility of the synthesis of carbon nanostructures in arc discharge, magnetic fields can be applied during the synthesis process according to the strong magnetic responses of arc plasmas. It was demonstrated that the magnetically-enhanced arc discharge can increase the average length of SWCNT 5, narrow the diameter distribution of metallic catalyst particles and carbon nanotubes 6, and change the ratio of metallic and semiconducting carbon nanotubes 7, as well as lead to graphene synthesis 8. 
 Furthermore, it is worthwhile to remark that when we introduce a non-uniform magnetic field with the component normal to the current in arc, the Lorentz force along the J&times;B direction can generate the plasmas jet and make effective delivery of carbon ion particles and heat flux to samples. As a result, large-scale graphene flakes and high-purity single-walled carbon nanotubes were simultaneously generated by such new magnetically-enhanced anodic arc method. Arc imaging, scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and Raman spectroscopy were employed to analyze the characterization of carbon nanostructures. These findings indicate a wide spectrum of opportunities to manipulate with the properties of nanostructures produced in plasmas by means of controlling the arc conditions.

Anodic arc discharge is one of the most practical and efficient methods to synthesize various carbon nanostructures. To increase the arc controllability and flexibility, a non-uniform magnetic field was introduced to process the one-step synthesis of large-scale graphene flakes and high-purity single-walled carbon nanotubes.

磁気強化アークプラズマにおける単層カーボンナノチューブとグラフェンの同時合成

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very ...

生物工学

Preparation and Reactivity of Gasless Nanostructured Energetic Materials

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the balls. Among other applications, it is a versatile technique that allows for effective preparation of gasless reactive nanostructured materials with high energy density per volume (Ni+Al, Ta+C, Ti+C). The structural transformations of reactive media, which take place during HEBM, define the reaction mechanism in the produced energetic&#160;composites. Varying the processing conditions permits fine tuning of the milling-induced microstructures of the fabricated composite particles. In turn, the reactivity, i.e., self-ignition temperature, ignition delay time, as well as reaction kinetics, of high energy density materials depends on its microstructure. Analysis of the milling-induced microstructures suggests that the formation of fresh oxygen-free intimate high surface area contacts between the reagents is responsible for the enhancement of their reactivity. This manifests itself in a reduction of ignition temperature and delay time, an increased rate of chemical reaction, and an overall decrease of the effective activation energy of the reaction. The protocol provides a detailed description for the preparation of reactive nanocomposites with tailored microstructure using short-term HEBM method. It also describes a high-speed thermal imaging technique to determine the ignition/combustion characteristics of the energetic materials. The protocol can be adapted to preparation and characterization of a variety of nanostructured energetic composites.

This protocol describes the preparation of gasless nanostructured energetic materials (Ni+Al, Ta+C, Ti+C) using the short-term high-energy ball milling (HEBM) technique. It also describes a high-speed thermal imaging method to study the reactivity of mechanically fabricated nanocomposites. These protocols can be extended to other reactive nanostructured energetic materials.

Gaslessナノエネルギー物質の調製と反応性

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the ...

工学

Functionalization and Dispersion of Carbon Nanomaterials Using an Environmentally Friendly Ultrasonicated Ozonolysis Process

Functionalization of carbon nanomaterials is often a critical step that facilitates their integration into larger material systems and devices. In the as-received form, carbon nanomaterials, such as carbon nanotubes (CNTs) or graphene nanoplatelets (GNPs), may contain large agglomerates. Both agglomerates and impurities will diminish the benefits of the unique electrical and mechanical properties offered when CNTs or GNPs are incorporated into polymers or composite material systems. Whilst a variety of methods exist to functionalize carbon nanomaterials and to create stable dispersions, many the processes use harsh chemicals, organic solvents, or surfactants, which are environmentally unfriendly and may increase the processing burden when isolating the nanomaterials for subsequent use. The current research details the use of an alternative, environmentally friendly technique for functionalizing CNTs and GNPs. It produces stable, aqueous dispersions free of harmful chemicals. Both CNTs and GNPs can be added to water at concentrations up to 5 g/L and can be recirculated through a high-powered ultrasonic cell. The simultaneous injection of ozone into the cell progressively oxidizes the carbon nanomaterials, and the combined ultrasonication breaks down agglomerates and immediately exposes fresh material for functionalization. The prepared dispersions are ideally suited for the deposition of thin films onto solid substrates using electrophoretic deposition (EPD). CNTs and GNPs from the aqueous dispersions can be readily used to coat carbon- and glass-reinforcing fibers using EPD for the preparation of hierarchical composite materials.

Here, a novel method for the functionalization and stable dispersion of carbon nanomaterials in aqueous environments is described. Ozone is injected directly into an aqueous dispersion of carbon nanomaterial that is continuously recirculated through a high-powered ultrasonic cell.

環境にやさしい超音波オゾン分解プロセスを用いたカーボンナノ材料の機能化と分散

Functionalization of carbon nanomaterials is often a critical step that facilitates their integration into larger material systems and devices. In the ...

環境学

Functionalization of Single-walled Carbon Nanotubes with Thermo-reversible Block Copolymers and Characterization by Small-angle Neutron Scattering

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous solution. In a carbon nanotube/PEO105-PPO70-PEO105 (poloxamer 407) aqueous solution, the amphiphilic poloxamer 407 adsorbs onto the carbon nanotube surfaces and self-assembles into continuous layers, driven by intermolecular interactions between constituent molecules. The addition of 5-methylsalicylic acid changes the self-assembled structure from spherical-micellar to a cylindrical morphology. The fabricated poloxamer 407/carbon nanotube hybrid particles exhibit thermo-responsive structural features so that the density and thickness of poloxamer 407 layers are also reversibly controllable by varying temperature. The detailed structural properties of the poloxamer 407/carbon nanotube particles in suspension can be characterized by small-angle neutron scattering experiments and model fit analyses. The distinct curve shapes of the scattering intensities depending on temperature control or addition of aromatic additives are well described by a modified core-shell cylinder model consisting of a carbon nanotube core cylinder, a hydrophobic shell, and a hydrated polymer layer. This method can provide a simple but efficient way for the fabrication and in-situ characterization of carbon nanotube-based nano particles with a structure-tunable encapsulation.

A method for the functionalization of carbon nanotubes with structure-tunable polymeric encapsulation layers and structural characterization using small-angle neutron scattering is presented.

小角中性子散乱による熱可逆性ブロック共重合体と特性を持つ単層カーボンナノチューブの機能化

We demonstrate a protocol for single-walled carbon nanotube functionalization using thermo-sensitive PEO-PPO-PEO triblock copolymers in an aqueous ...

Combustion Characterization and Model Fuel Development for Micro-tubular Flame-assisted Fuel Cells

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power generation and micro combustion as well as development in fuel cell research has created new means of power generation that combine solid oxide fuel cells with open flames and combustion exhaust. Instead of relying upon the heat of combustion, these solid oxide fuel cell systems rely on reforming of the fuel via combustion to generate syngas for electrochemical power generation. Procedures were developed to assess the combustion by-products under a wide range of conditions. While theoretical and computational procedures have been developed for assessing fuel-rich combustion exhaust in these applications, experimental techniques have also emerged. The experimental procedures often rely upon a gas chromatograph or mass spectrometer analysis of the flame and exhaust to assess the combustion process as a fuel reformer and means of heat generation. The experimental techniques developed in these areas have been applied anew for the development of the micro-tubular flame-assisted fuel cell. The protocol discussed in this work builds on past techniques to specify a procedure for characterizing fuel-rich combustion exhaust and developing a model fuel-rich combustion exhaust for use in flame-assisted fuel cell testing. The development of the procedure and its applications and limitations are discussed.

A protocol for creating a model fuel-rich combustion exhaust is developed through combustion characterization and is applied for micro-tubular flame-assisted fuel cell testing and research.

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

Combustion based power generation has been accomplished for many years through a number of heat engine systems. Recently, a move towards small scale power ...

Grafting Multiwalled Carbon Nanotubes with Polystyrene to Enable Self-Assembly and Anisotropic Patchiness

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a free-radical polymerization strategy to enable the modulation of the nanotube surface properties and produce supramolecular self-assembly of the nanostructures. First, a selective hydroxylation of the pristine nanotubes through a biphasic catalytically mediated oxidation reaction creates superficially distributed reactive sites at the sidewalls. The latter reactive sites are subsequently modified with methacrylic moieties using a silylated methacrylic precursor to create polymerizable sites. Those polymerizable groups can address further polymerization of styrene to produce a hybrid nanomaterial containing PS chains grafted to the nanotube sidewalls. The polymer-graft content, amount of silylated methacrylic moieties introduced and hydroxylation modification of the nanotubes are identified and quantified by Thermogravimetric Analysis (TGA). The presence of reactive functional groups hydroxyl and silylated methacrylate are confirmed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Polystyrene-grafted carbon nanotube solutions in tetrahydrofuran (THF) provide wall-to-wall collinearly self-assembled nanotubes when cast samples are analyzed by transmission electron microscopy (TEM). Those self-assemblies are not obtained when suitable blanks are similarly cast from analogous solutions containing non-grafted counterparts. Therefore, this method enables the modification of the nanotube anisotropic patchiness at the sidewalls which results into spontaneous auto-organization at the nanoscale.

A procedure for the synthesis of polystyrene-grafted multiwalled carbon nanotubes using successive chemical modification steps to selectively introduce the polymer chains to the sidewalls and their self-assembly via anisotropic patchiness is presented.

ポリスチレン自己組織を有効にして異方的不均一性と多層カーボンナノ チューブを移植

We demonstrate a straightforward protocol to graft pristine multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) with polystyrene (PS) chains at the sidewalls through a ...

Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures

Physical thermal deposition in a high vacuum environment is a clean and controllable method for fabricating novel molecular nanostructures on graphene. We present methods for depositing and passively manipulating C60 molecules on rippled graphene that advance the pursuit of realizing applications involving 1D C60/graphene hybrid structures. The techniques applied in this exposition are geared towards high vacuum systems with preparation areas capable of supporting molecular deposition as well as thermal annealing of the samples. We focus on C60 deposition at low pressure using a homemade Knudsen cell connected to a scanning tunneling microscopy (STM) system. The number of molecules deposited is regulated by controlling the temperature of the Knudsen cell and the deposition time. One-dimensional (1D) C60 chain structures with widths of two to three molecules can be prepared via tuning of the experimental conditions. The surface mobility of the C60 molecules increases with annealing temperature allowing them to move within the periodic potential of the rippled graphene. Using this mechanism, it is possible to control the transition of 1D C60 chain structures to a hexagonal close packed quasi-1D stripe structure.

Preparation and Characterization of C60/Graphene Hybrid Nanostructures

Here we present a protocol for the fabrication of C60/graphene hybrid nanostructures by physical thermal evaporation. Particularly, the proper manipulation of deposition and annealing conditions allow the control over the creation of 1D and quasi 1D C60 structures on rippled graphene.

C60/Graphene ハイブリッド ナノ構造の作製と評価

Physical thermal deposition in a high vacuum environment is a clean and controllable method for fabricating novel molecular nanostructures on graphene. We ...

Application of a Coupling Agent to Improve the Dielectric Properties of Polymer-Based Nanocomposites

In this work, an easy, low-cost, and widely applicable method was developed to improve the compatibility between the ceramic fillers and the polymer matrix by adding 3-aminopropyltriethoxysilane (KH550) as a coupling agent during the fabrication process of BaTiO3-P(VDF-CTFE) nanocomposites through solution casting. Results show that the use of KH550 can modify the surface of ceramic nanofillers; therefore, good wettability on the ceramic-polymer interface was achieved, and the enhanced energy storage performances were obtained by a suitable amount of the coupling agent. This method can be used to prepare flexible composites, which is highly desirable for the production of high-performance film capacitors. If an excessive amount of coupling agent is used in the process, the non-attached coupling agent can participate in complex reactions, which leads to a decrease in dielectric constant and an increase in dielectric loss.

Here, we demonstrate a simple and low-cost solution-casting process to improve the compatibility between the filler and the matrix of polymer-based nanocomposites using surface modified BaTiO3 fillers, which can effectively enhance the energy density of the composites.

ポリマー系ナノ複合材料の誘電特性向上のためのカップリング剤の応用

In this work, an easy, low-cost, and widely applicable method was developed to improve the compatibility between the ceramic fillers and the polymer ...

Improving the Combustion Performance of a Hybrid Rocket Engine using a Novel Fuel Grain with a Nested Helical Structure

A technique to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain structure is presented. This technique utilizes the different regression rates of acrylonitrile butadiene styrene and paraffin-based fuels, which increase the exchanges of both matter and energy by swirl flow and recirculation zones formed at the grooves between the adjacent vanes. The centrifugal casting technique is used to cast the paraffin-based fuel into an acrylonitrile butadiene styrene substrate made by three-dimensional printing. Using oxygen as the oxidizer, a series of tests were conducted to investigate the combustion performance of the novel fuel grain. In comparison to paraffin-based fuel grains, the fuel grain with a nested helical structure, which can be maintained throughout the combustion process, showed significant improvement in the regression rate and great potential in improvement of combustion efficiency.

A technique utilizing a solid fuel grain with a novel nested helical structure to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine is presented.

ネストされたらせん構造を持つ新規燃料粒子を用いたハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能の向上

A technique to improve the combustion performance of a hybrid rocket engine using a novel fuel grain structure is presented. This technique utilizes the ...

熱電波の研究における化学燃料と多層カーボンナノチューブのハイブリッド複合材料の作製と評価

要約

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マイクロ流体浸透を通じて立体的微細構造ナノ複合材料の製造

磁気強化アークプラズマにおける単層カーボンナノチューブとグラフェンの同時合成

Gaslessナノエネルギー物質の調製と反応性

環境にやさしい超音波オゾン分解プロセスを用いたカーボンナノ材料の機能化と分散

小角中性子散乱による熱可逆性ブロック共重合体と特性を持つ単層カーボンナノチューブの機能化

マイクロ管状火炎補助燃料電池用燃焼特性とモデル燃料開発

ポリスチレン自己組織を有効にして異方的不均一性と多層カーボンナノチューブを移植

C₆₀/Graphene ハイブリッドナノ構造の作製と評価

ポリマー系ナノ複合材料の誘電特性向上のためのカップリング剤の応用

ネストされたらせん構造を持つ新規燃料粒子を用いたハイブリッドロケットエンジンの燃焼性能の向上

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