一种纳米通道中气体流动特征的实验方法技术

本发明专利技术涉及一种能够实现亚微米‑纳米尺度下对气体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中气体流动特征的实验方法，所述纳米通道中氮气流动特征的实验方法包括以下步骤：测量孔径和孔密度，选择气源，连接各管道及线路，利用夹具和胶圈对通道束薄膜进行密封，进行阶梯性试验并且对实验测量结果进行记录和整理，检查通道束薄膜是否有发生破损，若无发生破损则数据有效。

An experimental method of gas flow characteristics in nanochannels

The present invention relates to an experimental method for realizing the gas flow characteristics in a nanometer channel which can be experimentally studied and operated in a nanometer scale. The experimental method for the flow characteristics of nitrogen in the nanoscale includes the following steps: measuring the pore size and pore density, selecting the gas source, connecting the pipes and the pipes, The lines are sealed with jig and apron to seal the channel beam film. The ladder test is carried out and the experimental results are recorded and arranged to check whether the channel beam film is damaged or not, and the data is valid if no breakage occurs.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米通道中气体流动特征的实验方法
本专利技术涉及一种实验方法领域，尤其涉及一种能够实现纳米尺度下对气体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道中气体流动特征的实验方法。
技术介绍
近20年来，随着微纳技术的日渐应用，气体在纳米通道内的流动特征受到了人们的关注，以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法。气体在微米、纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm-1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量。气体在微米、纳米尺度下流动特征的明确，有利于在生物工程、医疗、油气田开发中效率的提高。在现有技术中用于纳米尺度的纳米管束中最多的是碳纳米管，但是由于碳纳米管一般小到单分子的直径或者单一的纳米刻蚀通道，流量太小难以检测，因此常规的实验根本无法对气体的流动特征进行测量。
技术实现思路
为解决以往的纳米通道中的研究一般用分子动力学模拟的方法，很少采用实验的方法，而气体在微米、纳米尺度下的受力情况远不同于宏观尺度下(1mm-1m)，其流量或者远大于传统理论预测的流量，或者远小于传统理论预测的流量，无法进行准确预测和测量的问题，本专利技术提供了一种能够实现纳米尺度下对气体流动进行实验研究、操作简便的纳米通道束中气体流动特征的实验方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，所述纳米通道中气体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择12.5～300纳米孔径的通道束薄膜，并用扫描电镜准确对其孔径和孔密度进行测量；2)选用高纯度气体作为气源，用以作为测量对象，并采用高压气罐作为压力源；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；5)步骤1)充入气体罐中的高纯氮气通过压力控制阀来控制其流速和流量，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，气体流量由电子微流量计测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的高纯氮气的流量，重复5～10次，取平均值并测取不同压力下的实验数据点7～10个；其中步骤2)所述高纯度气体包括但不限于：高纯氮气、高纯氧气和高纯二氧化碳；所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。作为优选，步骤3)所述的上下夹具由两个夹具组成，分别称为上夹具和下夹具，上下夹具上设有一个直径为20～25mm的玻璃砂岩岩心柱。作为优选，所述玻璃砂岩岩心柱上均匀密布有孔径为0.095～0.105mm的小通孔。作为优选，步骤3)所述通道束薄膜包括氧化铝纳米膜。作为优选，所述氧化铝纳米膜孔径规格为12.5～300nm。作为优选，所述氧化铝纳米膜包括300nm、200nm、125nm、90nm、65nm、25nm和12.5nm中任意一种孔径规格的氧化铝纳米膜。作为优选，进行步骤3)所述加压驱替步骤时，所施加的压力梯度为0～50000MPa/m。作为优选，步骤4)所述电子微流量计为MF4000电子微流量计，所述MF4000电子微流量计包括MF4003-2L、MF4003-3L、MF4003-4L、MF4003-5L和MF4008-10L中的任意一种。作为优选，对有效数据进行整合分析，结合Hagen-Poiseuille方程与实验数据进行计算和验证，得到Hagen-Poiseuille方程的修正公式：其中Qhp为修正泊肃叶理论公式后计算所得的理论流量，N为流经的所有通道总数量，π为圆周率，r为膜孔的半径，σ为气体在管道中滑移的长度，p为气体压力，M为气体的摩尔质量，μg为真实气体粘度，Z为无因次气体偏差因子，R为气体常数，T为开尔文温度，为l段压力梯度。作为优选，结合Hagen-Poiseuille方程的修正公式和努森扩散得到以下在微纳尺度下实际气体流量公式：其中Q为实际气体流量，N为流经的所有通道总数量，π为圆周率，r为膜孔的半径，σ为气体在管道中滑移的长度，p为气体压力，M为气体的摩尔质量，μg为真实气体粘度，Z为无因次气体偏差因子，R为气体常数，T为开尔文温度，为1段压力梯度，Kn为努森数，δ为分子直径与局部孔隙直径的比值，Cg为实际气体阻力系数，Df为孔隙壁面的分形维度，无因次。利用所述纳米通道束中气体流动特征的实验方法，可对气体在纳米尺度下的流量进行测量，并通过不同条件下进行实验得到不同条件的数据，对数据结合Hagen-Poiseuille方程计算和分析，可对Hagen-Poiseuille方程进行验证或修正，明确气体在亚微米、纳米尺度下的流动特征，并可使经修正的Hagen-Poiseuille方程结合努森扩散得出微纳尺度下实际气体流量公式，可用以计算出微纳尺度下实际气体流量。在一定的实验条件下，微尺度下气体流动特征与稀薄气体的流动具有相似性。稀薄气体的理论中，努森数(Knudsen数，简称Kn)是表征气体稀薄程度的无量纲数，其表达式(1)为：根据努森数的大小，可将气体流动划分为以下4个流区：Kn≤10-3时，气体流动为连续流；10-3＜Kn＜0.1时，气体流动为滑移区；0.1＜Kn＜10时，气体流动为过渡区；Kn≥10时，气体流动为自由分子流区。根据上述(1)，可以计算得到微纳米管中的努森数，通过计算结果得知：当气体孔径从12.5nm增加到15μm,努森数从5减小到0.0001，气体流动处于滑脱流动、过渡流区和粘性流动区。考虑到气体的可压缩性特征，在气体流量测量的过程中，气体的质量流量与气体密度的变化紧密相关。首先，对于理想气体的克拉贝龙方程的表达式(2)为：PV＝nRT式(2)；式中，P为实验压力和标准大气压的和，R为气体常熟，T为开尔文实验温度，n是物质的量，n可表示为(3)：V为气体的体积，可以表示为(4)：将式(3)和式(4)代入式(2)可以化简得到气体密度与压力和温度的关系式(5)：式中，P为实验压力和标准大气压的和，M为氮气的摩尔质量，R为气体常数，T为开尔文实验温度。再结合气体可压缩性的单相气体流动的泊肃叶公式(6)为：式中Qhp为结合气体可压缩性的单相气体流动的泊肃叶公式计算得出的理论流量值，N为流经的所有通道总数量，π为圆周率，r为膜孔的半径，p为气体压力，M为气体的摩尔质量，μg为真实气体粘度，Z为无因次气体偏差因子，R为气体常数，T为开尔文温度，为l段压力梯度。而考虑到真实气体效应，以及粘度和随压力和温度的变化，气体粘度也是温度和压力的函数，任意条件下的气体粘度用对比温度和对比压力表达式(7)为：式(7)中，μg为单位为Pa.s的真实气体粘度；A1＝7.9，A2＝9×10-6和A3＝0.28均为拟合常数，无因次。气体偏差因子是温度与压力的函数，可通过下式(8)，得到气体偏差因子表达式(9)：式(7)～式(9)中，：Pr＝P/Pc；Tr＝T/Tc；Z是气体偏差因子，无因次；Pr是气体对比压力，无因次；Tr是气体对比温度，无因次；Pc是气体临界压力，单位为MPa，此处取3.4MPa；Tc是气体临界温度，单位为K。再结合分析纳米管中气体流量随驱替压力的变化特征、气体扩散流动特征和滑移的影响，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，其特征在于，所述纳米通道中气体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择12.5～300nm孔径的通道束薄膜，并用扫描电镜准确对其孔径和孔密度进行测量；2)选用高纯度气体作为气源，用以作为测量对象，并采用高压气罐作为压力源；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；5)步骤1)充入气体罐中的高纯氮气通过压力控制阀来控制其流速和流量，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，气体流量由电子微流量计测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的高纯氮气的流量，重复5～10次，取平均值并测取不同压力下的实验数据点7～10个；其中步骤2)所述高纯度气体包括但不限于：高纯氮气、高纯氧气和高纯二氧化碳；所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。

【技术特征摘要】
1.一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，其特征在于，所述纳米通道中气体流动特征的实验方法包括以下步骤：1)选择12.5～300nm孔径的通道束薄膜，并用扫描电镜准确对其孔径和孔密度进行测量；2)选用高纯度气体作为气源，用以作为测量对象，并采用高压气罐作为压力源；3)用耐高压的塑料软管连接各管路和电源，接口处采用硬密封封住；4)利用含支撑砂岩的上下夹具各通过两个密封夹子和密封橡胶圈将通道束薄膜夹紧密封；5)步骤1)充入气体罐中的高纯氮气通过压力控制阀来控制其流速和流量，通过压力测量仪和温度测量仪读取压力和温度，气体流量由电子微流量计测量得到；6)调节驱替压力，得到0～0.2MPa压力下的高纯氮气的流量，重复5～10次，取平均值并测取不同压力下的实验数据点7～10个；其中步骤2)所述高纯度气体包括但不限于：高纯氮气、高纯氧气和高纯二氧化碳；所述步骤5)结束后小心取下通道束薄膜，检查通道束薄膜是否破损，若通道束薄膜破损则舍弃数据，重新进行测量，若通道束薄膜无破损，则数据有效，对其进行记录并整合分析。2.根据权利要求1所述的一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，其特征在于，步骤3)所述的上下夹具由两个夹具组成，分别称为上夹具和下夹具，上下夹具上设有一个直径为20～25mm的玻璃砂岩岩心柱。3.根据权利要求2所述的一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，其特征在于，所述玻璃砂岩岩心柱上均匀密布有孔径为0.095～0.105mm的小通孔。4.根据权利要求2所述的一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，其特征在于，步骤3)所述通道束薄膜包括氧化铝纳米膜。5.根据权利要求4所述的一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，其特征在于，所述氧化铝纳米膜孔径规格为12.5～300nm。6.根据权利要求5所述的一种纳米通道中气体流动特征的实验方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋付权，胡箫，文建军，纪凯，朱根民，朱维耀，
申请(专利权)人：浙江海洋大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33