Al2O3 나노유체의 열확산율에 대한 변조 레이저 조사의 광열 효과

초록

변조된 연속파(CW) 레이저는 광열 효과를 일으켜 조사된 나노구조 주위에 빠른 광 흡수 및 열파 생성을 유발합니다. 이 연구에서 우리는 나노유체의 열확산성을 향상시키기 위해 입자 조각화 과정에 변조된 CW 레이저 조사의 영향을 조사했습니다. Al₂의 덩어리 크기를 줄이기 위해 쉽고 비용 효율적인 다이오드 레이저를 적용했습니다. O₃ 탈이온수에 있는 나노 입자. 레이저 빔의 변조 주파수와 나노유체의 광학적, 열적 특성에 의해 결정되는 열파 발생에 대해서도 간략히 논의하고 요약한다. 레이저 조사 시간이 나노 입자 크기와 크기 분포에 미치는 영향은 동적 광산란 및 투과 전자 현미경으로 측정했습니다. 나노유체의 열확산율은 광전법을 이용하여 측정하였다. 얻은 데이터는 변조된 레이저 조사가 좁은 분포 크기로 표시된 대로 원래 입자 크기에 가까운 평균 직경을 갖는 콜로이드에서 일부 덩어리 입자의 부분적 단편화를 일으켰다는 것을 보여주었습니다. 입자의 덩어리 크기가 감소하면 열확산도 값이 1.444 × 10⁻³ 으로 향상되었습니다. ~ 1.498 × 10⁻³ cm² /s 조사 시간 0 ~ 30 분. 이 작업은 광열 연구를 기반으로 하여 덩어리진 나노물질의 파편화에 대한 새로운 가능성과 통찰력을 제공합니다.

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배경

금속 산화물 나노유체는 열전달 장비 개발에 특정한 역할을 할 수 있는 향상된 열적 특성으로 인해 많은 관심을 받았습니다. 금속 산화물 나노유체는 기름이나 물과 같은 기본 유체에 비해 열확산, 열전도도, 대류 열전달 계수와 같은 향상된 열물리적 특성을 갖는 것으로 잘 알려져 있습니다. 알₂ O₃ 열전도율이 높기 때문에 열전달을 향상시키는 재료로 흥미로운 산화물입니다. 나노유체의 열전도율은 자동차, 전자장비, 의료용 등 산업현장에서 주로 사용되는 에너지 효율적인 열전달 장비 개발에 중요한 특성으로 작용한다. 나노유체의 열적 특성은 나노입자(NP)와 기본 유체의 크기와 모양에 민감합니다[1,2,3,4,5]. 이는 나노입자가 빠르게 응집하는 경향이 있어 나노유체의 열적 특성을 감소시키기 때문에 문제가 된다[6,7,8]. 최근에는 화학, 광학 및 열 공학, 광선 요법, 촉매 및 열 전달에 사용되는 기본 유체[8,9,10]에서 직접 NP를 수정하고 생성하기 위해 레이저로 생성된 나노 입자 방법이 사용되었습니다. 그것의 크기와 분산은 레이저 파장, 펄스 지속 시간, 레이저 펄스 수, 펄스 에너지와 같은 레이저 매개변수를 변경하여 제어할 수 있습니다[11, 12]. 일반적으로 레이저와 입자 사이의 상호작용은 광열적 삭마(photothermal ablation)를 유발할 뿐만 아니라 나노구조 및 주변 매질 주위에 열파(TW)를 발생시켜 입자의 크기를 감소시키거나 특정 크기 분포. 레이저 조사에 의한 NP의 광학 제조에 대한 연구는 고체 표적의 레이저 제거[12,13,14,15] 및 현탁된 미세결정질 분말로부터의 단편화[16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26] 강력한 펄스 레이저 또는 저출력 강도의 CW 레이저 소스를 사용하여 사용할 수 있습니다. 펄스 레이저는 액체에서 고체 표적의 레이저 제거를 위한 많은 연구에서 사용되었습니다. 레이저 조사는 나노 유체에서 NP의 형성을 돕는 유용한 기술이지만 레이저 조사 프로세스의 효율성은 펄스 지속 시간에 매우 민감합니다. 그러나 펄스 레이저 조사의 경우 NP의 크기와 분포는 레이저 펄스의 조사 횟수와 조사 시간에 따라 큰 영향을 받았다. 이는 생성된 나노클러스터의 크기 분포를 제어하여 더 많은 입자 생성을 달성하는 것이 여전히 어렵다는 것을 의미합니다. 최근 몇 년 동안 CW 레이저는 NP 제조를 위한 여러 연구에서 사용되었습니다[27,28,29,30]. CW 레이저 소스를 사용하면 다른 광학 소스와 대조적으로 몇 가지 장점이 있습니다. 일반적으로 비용이 저렴하고 더 작으며 다른 장치와 잠재적으로 결합할 수 있는 휴대형 설정이 더 많기 때문입니다. 특히 의료 적용 및 나노 물질의 재형성 및 제조 [30, 31]. 최근에는 레이저 조사의 메커니즘을 이해하기 위한 많은 실험적, 이론적 연구가 수행되고 있다[24, 31, 32, 33, 34, 35, 36]. 계산 및 실험적 확인에 기초하여 NP의 레이저 제거 및 조각화는 광열(PT) 효과에 의해 구동될 수 있습니다[37,38,39,40,41]. PT 효과는 다양한 실험 설계에서 다양한 광원을 사용한 레이저 조사 효율의 최적화 및 모니터링을 허용합니다[42,43,44,45,46,47,48,49]. 변조된 CW 레이저는 일반적으로 PT 효과와 관련된 응용 분야에 사용됩니다. 최적의 변조 주파수가 주어지면 좋은 PT 광원이 될 수 있습니다. 열파의 효율성과 신호 대 잡음비(S/N)의 증가를 관찰할 수 있어 NP 조각화 프로세스에 더 적합합니다. 더욱이, 실험 조건의 신중한 최적화는 생성된 나노클러스터의 크기 분포와 나노유체의 열적 특성에 대한 제어를 확립할 수 있습니다. 그러나 NP의 형성 및 크기 및 열적 특성에 대한 CW 레이저 변조의 PT 효과에 대한 자세한 연구는 문헌에 없습니다.

논문에서는 클러스터링된 Al₂의 단편화를 위해 CW 다이오드 레이저를 사용했습니다. O₃ 다양한 조사 시간 하에서 나노유체의 열확산성을 향상시키는 입자. 변조된 CW 레이저 빔의 열파 발생 기반을 간략하게 요약하고 변조된 빔 주파수와 물리적 매개변수의 영향에 대해 논의했습니다. 레이저 조각화 과정의 결과는 투과전자현미경(TEM)과 동적광산란(DLS) 분석을 이용하여 분석하였다. 마지막으로 레이저 처리가 나노유체의 열확산도에 미치는 영향을 조사하였다. PPE(photopyroelectric) 기술은 나노유체의 열확산도를 매우 높은 정밀도와 분해능으로 측정하는 유효한 방법으로 사용되었습니다.

변조된 레이저 빔의 열파 생성

CW 변조 레이저에서 변조된 입사 광선의 흡수는 표면의 주기적인 온도 분포의 결과인 열파장을 유발합니다[50]. 주파수가 다른 변조의 경우 흡수 물질의 표면에 주파수 f의 변조된 광학 복사선이 조사될 때 , 플럭스가 소스 강도이고 입사광의 변조된 각 주파수인 경우 변조된 입사 광선의 흡수는 샘플 표면에 열파를 생성하게 합니다. 그림 1은 변조된 CW 레이저 빔에 샘플 표면의 노출로 인한 현상의 개략도입니다. PT 효과로 인해 발생하는 음향 열 에너지는 샘플과 주변 매체를 통해 열파를 전달합니다.

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변조된 빛의 빔에 의해 표면 조명으로 인해 발생하는 광열 현상

고체 입자의 양이 많은 나노유체의 경우, 고체 입자에서 발생한 열파는 3차원 열파장에서 다른 고체 입자와 인접한 유체층을 포함하는 두 매체로 확산된다. 샘플의 측면 치수에 비해 열원이 작은 경우 열파는 3차원으로 확산됩니다. 이 열확산 방정식은 원통형 대칭을 사용하여 풀어야 합니다. 푸리에 급수 이론에 기초하여 온도 구배(∇T ) 및 전도율(k ) 에너지 흐름 방향(q )는 자료에서

$$ q=-k\nabla T $$ (1)

, 열전도의 미분방정식은 [50]

$$ {\nabla}^2T=\frac{1}{\alpha}\frac{\partial T}{\partial t} $$ (2)

분산 열원인 고체 입자의 열확산식은 [51]

$$ \frac{\partial^2{T}_s}{\partial {r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial {T}_s}{\partial r}+\frac {\partial^2{T}_s}{\partial {z}^2}=\frac{1}{\alpha_s}\frac{\partial {T}_s}{\partial t}-\frac{1} {2k}{I}_0\left(1+{\mathrm{e}}^{i\omega t}\right) $$ (3)

기본 유체 매체의 열확산 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있습니다. [51]

$$ \frac{\partial^2{T}_l}{\partial {r}^2}+\frac{1}{r}\frac{\partial {T}_l}{\partial r}+\frac {\partial^2{T}_l}{\partial {z}^2}=\frac{1}{\alpha_l}\frac{\partial {T}_l}{\partial t} $$ (4)

재료의 열파 전파는 열확산율 α에 따라 다릅니다. =(k /ρc )^1/2 , 여기서 k 열전도율을 나타냅니다. ρ 밀도 및 c 열용량. T를 전파하는 열파 (x ,그 ) 1차원 접근에서 복잡한 방정식을 풀면 찾을 수 있습니다.

$$ T\left(x,t\right)={T}_0{e}^{\left(-x/\mu \right)}{e}^{\left[i\left(\omega tx/ \mu \right)\right]} $$ (5)

여기서 σ _j =(1 + i )/μ _j 열파 확산 계수, μ =(α /πf )^1/2 주파수 f에서의 열확산 길이 , 그리고 α는 액체 샘플의 열확산도입니다. 티 _오 는 소스에 의해 생성된 온도의 초기 변화이며 파동은 1/e 계수로 감쇠됩니다. . 그림 2a, b는 x에서 소스로부터 떨어진 거리(깊이)의 함수로서 열파(Eq. 5)의 진폭 및 위상의 열 감쇠를 명확하게 보여줍니다. =x ₀ . 소스에서 멀어지는 가파른(지수) 진폭 감쇠율은 매체의 열확산도에 따라 다릅니다. 확산율이 높을수록 기울기가 완만해집니다. 위상에 대해서도 유사한 동작이 관찰됩니다. 낮은 열확산율을 위해 유도된 열파는 짧은 열파장을 가지며 큰 감쇠를 받습니다. 따라서 열파의 주요 특성은 강하게 감쇠한다는 점에서 입자 표면에서 열전달이 발생하지 않고 PT 효과가 감소하기 시작한다[52, 53]. 이 시뮬레이션은 열 효과가 높은 열확산율을 갖는 입자에서 우세하고 입자 표면의 박리를 유도함을 보여주었습니다. 이 작업에서 물은 다른 액체보다 열확산율이 높은 액체로 사용되어 후자에 비해 높은 S/N을 생성합니다.

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아 진폭 및 b 식의 위상 (5) 열확산율 α 매개변수로

방법

나노유체의 준비

나노유체는 0.05 g Al₂을 분산시켜 제조되었습니다. O₃ NP(11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.)를 25 ml 탈이온수(DI)에 녹입니다. 1/2 부피%의 폴리비닐피롤리돈(PVP)(K25, MW–29000, Aldrich Chemistry)을 첨가하여 나노유체를 안정화했습니다. 알₂ O₃ 물 속의 NP는 응집체를 형성하는 경향이 강합니다[54, 55]. 현탁액을 약 1시간 동안 교반한 다음, 혼합물을 30분 동안 프로브 초음파 처리(VCX 500, 25 kHz, 500 W)하여 균일한 입자 분포를 보장했습니다. 현탁액을 30분 동안 완전히 혼합한 후 DLS를 사용하여 용액에서 응집된 입자의 유체역학적 크기를 모니터링했습니다.

레이저 조각화 프로세스

변조된 CW 레이저 빔에 의한 레이저 조각화 과정은 그림 3a에 나와 있습니다. CW 변조 레이저의 실험 설정은 상당히 간단한 실험입니다. 2 ml의 샘플 용액이 들어있는 큐벳을 교반 판에 놓고 수직 축을 따라 CW 다이오드 펌핑 고체 레이저(532 nm, 200 mW, MGL 150(10))를 조사했습니다. 레이저는 10 Hz의 변조 주파수에서 광학 초퍼(SR540)를 사용하여 변조되어 상당히 높은 S/N을 생성했습니다. 레이저는 약 0.1 mm(2.5 kW/cm² ) 10 cm 초점 거리 렌즈를 사용하여 석영 큐벳의 용액 표면. 균일한 입자 분포를 보장하기 위해 자기 교반을 수행하였다. 이 과정을 10분과 30분 간격으로 반복했습니다. 각 실험 후, 얻어진 콜로이드 현탁액의 형태를 TEM(H-7100, Hitachi, Tokyo, Japan)으로 분석하였고, Al₂의 크기 분포를 분석하였다. O₃ 용액의 NP는 UTHSCSA ImageTool(버전 3.0) 소프트웨어를 사용하여 결정되었습니다. 용액에서 응집된 입자의 유체역학적 크기는 Nanophox Analyzer(Sympatec GmbH, D-38678)를 사용한 DLS 분석에서 얻었고 평균은 최소 4번의 측정에서 취했습니다.

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아 변조된 CW 레이저 빔 및 b에 의한 입자 조각화에 사용되는 실험 설정의 블록 다이어그램 열확산 측정을 위한 광전(PPE) 구성 감지 셀의 개략도

열확산 측정

액체 샘플의 열확산도 측정을 위한 실험 설정의 세부사항은 다른 곳에서 찾을 수 있습니다[56]. PPE 기술은 매우 높은 정밀도와 분해능으로 여러 종류의 액체의 열 특성을 분석하는 데 유용한 방법인 것으로 나타났습니다[51,52,53, 56,57,58,59]. 이 기술의 장점은 짧은 측정 시간과 함께 소량의 제한된 부피를 사용했다는 것입니다[56,57,58,59]. PPE 기술을 사용하여 Al₂의 열확산도를 측정했습니다. O₃ 나노유체. 그림 3b는 PPE 기술에 사용되는 PE 신호 생성 챔버 또는 셀을 보여줍니다. 셀에는 PE 발생기 역할을 하는 구리 호일(50 μm 두께)과 PE 검출기 역할을 하는 52μm PVDF(폴리비닐리덴 디플루오라이드) 필름(MSI DT1-028 K/L)이 포함되어 있으며 나노 유체 샘플을 여기에 배치했습니다. 공동. PVDF 필름은 매우 유연하기 때문에 Perspex 기판에 실리콘 접착제로 고정되었습니다. 구리 포일 표면은 탄소 그을음의 매우 얇은 층으로 코팅되어 효율적인 광열 변환기 역할을 합니다. 다이오드 레이저(532 nm, 200 mW)의 강도는 구리 호일에 조명하기 전에 광학 초퍼(SR540)에 의해 변조되었습니다. 셀에서 열파는 액체를 가로질러 전파되어 PE 검출기에 도달하여 열파의 강도에 비례하는 PE 신호를 생성합니다. PVDF 검출기에 의해 생성된 PE 신호는 PE 진폭 및 위상 신호를 생성하기 위해 잠금 증폭기(SR.530)를 사용하여 분석되었습니다. PVDF 센서의 진동과 가능한 기여를 피하기 위해 후면 하단면을 Perspex 컨테이너에 부착했습니다. 캐비티 스캔에 대한 실험이 수행되었습니다. 6.7 Hz의 주파수는 시스템에서 상당히 높은 신호 진폭을 위해 열적으로 두꺼운 영역에 대해 선택되었습니다. 측정은 실온(약 22 °C)에서 수행되었습니다. 특정 샘플에 대해 측정을 5회 반복하고 평균 열확산 값을 취했습니다. PC에 설치된 LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 PE 신호를 캡처하고 Origin 8을 사용하여 데이터를 분석했습니다. 실험 시스템의 온도장은 열파 공동 전도 이론에 따라 계산할 수 있습니다[57]. PVDF 센서가 감지한 PE 신호, PE 신호(V ), 캐비티 길이 거리 및 샘플 열확산율에 의해 결정됨:

$$ V\left(f,l\right)={V}_0\exp \left(-\left(1+i\right) AL\right) $$ (6) $$ \ln \left|V\ left(f,l\right)\right|=\ln \left|{V}_0\right|- AL $$ (7) $$ \varphi ={\varphi}_0- AL $$ (8)

여기서 A =(πf /α )^1/2 이 식을 얻으려면 V(f , l) 복소수 PE 신호, V _오 및 φ 는 PE 신호의 진폭과 위상, f 는 변조 주파수이고 α 샘플의 열확산도입니다. 기울기 피팅 매개변수 A에서 =(πf /α )^1/2 캐비티 스캔의 함수로 위상 및 ln(진폭)을 사용하여 액체의 열확산도를 계산할 수 있습니다[58].

결과 및 토론

열파 향상

강한 열파 진폭을 생성하기 위해 고려해야 하는 몇 가지 주요 매개변수가 있습니다.

변조 빛의 변조 주파수

식에서 (5) 열파 진폭을 최대화하려면 최적의 변조 주파수가 있어야 합니다. 다른 파동과 달리 열파는 전파 매체의 열 확산 길이와 동일한 감쇠 상수로 매우 심하게 감쇠됩니다[52]. 재료의 열 확산 길이보다 깊지 않은 곳에서 발생하는 열파는 열 전파에 기여합니다[53]. 열파는 계면에서 반사되어 전달되며 열파의 진폭은 샘플의 열확산 길이 1개 내에서 감쇠됩니다. 식에 따라 변조 주파수를 증가시키면서 (5) 열확산 길이가 감소하고 표면층 내부에 흡수된 빛만 신호에 기여하는 반면, 재료의 열확산율이 높거나 열파 주파수가 낮으면 열파는 고체 깊숙이 전파됩니다. 실험에서 날카로운 공진 피크(실제로는 골)를 얻으려면 변조 주파수를 신중하게 선택해야 합니다. 변조 주파수는 공간 범위에서 선택됩니다. 주파수가 너무 낮으면 신호는 강하지만 최대값을 정확하게 결정하기에는 피크가 너무 평평합니다. 주파수가 너무 높으면 피크가 상당히 날카롭지만 신호 대 잡음비(S/N)가 손상되어 피크 위치를 식별하기 어렵습니다.

그림 4는 7 Hz에서 100 Hz까지의 다른 주파수에서 물의 공동 길이의 함수로 시뮬레이션된 PE 신호의 실제(동위상) 부분을 보여줍니다. S/N 비율은 7 Hz의 낮은 주파수에서 더 높았고 피크는 최대값을 정확하게 결정하기에는 너무 평평했습니다(그림 4a). 그러나 피크는 100 Hz의 더 높은 주파수에서 상당히 날카로웠고(그림 4d) 더 작은 출력 신호를 얻었으므로 피크 위치 식별이 어려웠습니다[52]. 10 Hz의 동작 주파수에서 S/N 비율이 주파수 범위에서 양호하고 시스템에서 만족스러운 신호 진폭을 가짐이 실험적으로 밝혀졌습니다.

나노유체의 광학적 흡수

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PE 신호의 실제(동위상) 부분과 다른 주파수에서 물에 대한 상대적 공동 길이:a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 H 및 d 100 Hz, 물의 열확산도(α _와 ,=0.00145 cm² .s⁻¹ )

각 입자는 빛을 산란 및 흡수하는 빛 개체입니다. 흡수된 에너지는 열로 변환될 수 있으며 입자의 빛 흡수의 합은 열 소멸입니다. 열파 진폭은 나노유체에서 광 흡수를 증가시켜 증가될 수 있습니다[52, 59]. 입자 크기, 모양 및 부피 분율과 기본 유체의 교대는 나노 유체의 광학 흡수에 큰 영향을 미칩니다. 알₂ O₃ /물 나노유체는 광흡수가 양호하였다. 물의 13%를 흡수하는 광학 에너지는 Al₂로 증가했습니다. O₃ 기본 유체의 NP는 NP의 농도가 증가할 때 더욱 향상되었습니다. 고농도의 NP로 모든 입자의 입사광이 얇은 표면층에 흡수되었습니다.

나노유체의 비열용량

작은 입자 크기 Al₂의 제작 O₃ 용액에서 변조된 CW 레이저를 사용하여 조각화하면 입자 크기가 감소하고 NP의 양이 증가함에 따라 기본 유체의 비열 용량이 감소하고 표면적이 증가하기 때문에 나노 유체의 열 저장량이 증가할 수 있습니다. -입자의 부피비 [6]. 따라서 나노유체의 비열용량이 작을수록 온도 상승 및 열전달이 향상되어 열파 진폭이 허용됩니다.

라.
나노유체의 열확산율

열은 고체 입자에서 주변 매체로 전달된 후 열파 팽창이 발생하며, 여기서 열파(TW)의 진폭은 열확산도의 강력한 함수입니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 일반적으로 더 큰 열확산율은 더 긴 열확산 길이에 대해 선호되며 표면 아래의 열파 진폭은 천천히 감쇠합니다. 따라서 기본 유체의 큰 열확산도는 고체 입자에서 유체로의 효과적인 열 전달에 중요하므로 열파 발생을 극대화합니다. 이 작품에서 높은 열확산율(0.00145 cm² /s)는 효율적인 열파 생성을 위한 좋은 기본 유체였습니다. 브라운 운동의 증가로 인해 NP의 양이 증가함에 따라 물의 열확산도가 증가했습니다[56]. Al₂의 더 높은 열확산도와 더 작은 비열 O₃ 나노유체는 물과 비교하여 우수한 열파 발생기를 허용합니다.

실험 결과

Al의 레이저 조각화₂ O₃ 나노입자

Al₂의 평균 크기와 크기 분포를 보여주는 TEM 이미지 O₃ 10분과 30분의 조사 전후의 탈이온수/PVP 용액의 NPs는 그림 6에 나와 있습니다. 수집된 물질은 고 다공성 물질에 분산된 거의 구형 형태의 입자 클러스터로 구성되었음을 알 수 있습니다. 직경 약 100 nm의 약간의 덩어리가 관찰되었고 Al₂의 평균 크기 O₃ NP는 약 16.4 ± 7.8 nm이었다(그림 5a). 다공성 물질 범위는 감소되었고 평균 입자 크기는 조사 10분 후 14.2 ± 5.4 nm인 것으로 밝혀졌다(그림 5b). 그림 5c는 Al₂ O₃ NP는 30분의 조사 후에 입자의 단편화를 초래하는 레이저 에너지 흡수의 결과로 거의 균일하게 분포되고 크기가 좁습니다(12.03 ± 3.5 nm). 그러나 30분의 조사 후 NP가 임계 크기에 도달하면 입자의 조각화 속도가 감소했습니다. 총 입자 수를 늘리면 NPs 농도가 증가하고 이러한 작은 입자의 덩어리로 인해 용액에서 입자의 광 흡수가 감소했습니다. 얻은 데이터는 분포 크기에 대한 레이저 조사의 효과가 입자 크기보다 더 큰 것으로 나타났습니다[11].

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Al₂의 TEM 이미지 및 상대 크기 히스토그램 O₃ -NP a 레이저 조사 전(16.4 ± 7.8 nm) 및 후, b에서 10 분(14.2 ± 5.4 nm) 및 c에서 각각 30 분(12.03 ± 3.5 nm)

Al₂의 유체역학적 직경 O₃ 나노유체의 입자는 나노유체의 안정성에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 그림 6은 (b) 10 min 및 (c) 30 min 후 조사 없이 현탁액(a)에서 NP의 분포 밀도 함수를 보여줍니다. 밀도 곡선의 중력은 평균 구 직경을 제공합니다. 또한, 10분 및 30분 후 레이저 노출 시 입자의 유체역학적 크기가 좁았고(b 및 c), 조사 전 입자는 더 큰 정도의 다분산성을 나타내는 넓게 퍼진 계면을 가졌다(도 6a). 얻어진 데이터는 레이저 조사 후에 매우 균질한 입자의 더 날카로운 분포 곡선이 얻어짐을 보여주었다. 이것은 레이저 조사 후 입자의 조각화 때문일 수 있습니다. 더 긴 레이저 조사 시간은 입자의 더 높은 단편화를 초래하고 따라서 예리한 분포를 갖는 용액에서 더 많은 수의 입자를 초래합니다. 응집 경향은 물에 있는 더 작은 입자의 수가 증가함에 따라 증가하는 것으로 관찰되었습니다[7, 54, 55]. 그림 6d는 Al₂의 유체역학적 직경 분포를 보여줍니다. O₃ 87.7 ± 14.59 nm, 90.97 ± 9.21 nm 및 91.57±2.61 nm의 직경을 갖는 나노유체 입자가 조사 10분 및 30분 조사 전후에 각각 나타났다. 조사 시간이 0분에서 30분으로 증가할 때 입자의 크기 분포는 ~ 15에서 ~ 3 nm로 감소하는 것으로 나타났습니다. 덩어리의 조각화는 Nanophox 및 TEM 데이터에서 볼 수 있듯이 크기 분포가 거의 균일한 입자의 최종 결과와 함께 레이저의 직접 흡수를 통해 발생했습니다. 얻어진 데이터는 분포 크기에 대한 레이저 조사의 효과가 입자 크기에 대한 영향보다 더 크다는 것을 보여주었다. 그러나 Nanophox 분석기에서 얻은 NP의 유체역학적 크기는 유체역학적 평균 직경이 용액에서 응집된 입자의 크기이기 때문에 항상 TEM에서 얻은 건조 입자의 크기보다 컸습니다. 여기에서 관찰된 급격한 분포 및 크기 감소 효과는 문헌[7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23]에 보고되었습니다.

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Al₂의 Nanophox 분석기를 사용하여 결정된 분포 밀도 O₃ 현탁액의 입자 a b 후 조사 없이 10분 및 c 30분, d 조사 시간의 함수로서 나노유체에서 NP의 유체역학적 직경 분포

열확산 측정

나노유체의 열확산도에 대한 레이저 조사의 영향을 측정하기 위해 먼저 증류수를 표준액으로 사용하여 실험 설정을 보정했습니다. ln(진폭)(식(7)) 및 위상(식(8))의 PE 신호를 캐비티 길이에 맞게 피팅하여 열확산도를 측정했습니다. 증류수의 평균은 (1.4460.011) × 10⁻³ 이었습니다. cm² /s, 문헌[56]과 <1% 차이. 그림 7은 Al₂의 공동 길이에 대한 대수 진폭의 선형 플롯을 보여줍니다. O₃ 상대적 공동 길이의 함수로 0분에서 30분까지 다양한 레이저 조사 시간에서 나노유체. PE 신호의 기울기(ln(진폭), 위상 및 평균)와 본 연구에서 측정한 결과 열확산 값은 표 1에 요약되어 있습니다.

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Al₂의 상대 공동 길이의 함수로서의 일반적인 대수 진폭 O₃ 다른 조사 시간 [0, 10 및 30 min]에서 나노유체

열확산도는 기본유체에 비해 향상되었다. 그러나 조사되지 않은 나노유체의 경우 열확산도는 (1.444 ± 0.008) × 10^-3 cm² /s는 기본 유체보다 낮습니다. 이것은 나노유체에서 PVP의 낮은 열확산율 때문일 수 있습니다. 열확산율은 레이저 조사 후 3~6% 정도 점차 증가하여 노화 효과로 정의되었다[56, 57]. 조사 시간이 길수록 열확산도의 증가는 더 큰 NP의 단편화로 인한 클러스터 및 덩어리 크기 감소의 결과였습니다[7,8,9,10]. 일반적으로 입자 수의 밀도 또는 입자의 부피 분율이 증가하고 입자 크기 감소가 브라운 운동과 같은 나노 스케일 혼합 효과를 증가시키는 것이 분명하였다[56]. 따라서 이는 나노유체의 열확산성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 용액 내 입자 수의 증가는 고농도의 액체에서 레이저 광의 감쇠로 인해 레이저 단편화 속도에 영향을 미쳤습니다.

원칙적으로 CW 레이저 빔 사이의 상호 작용(우리 실험에서는 10³ W/cm² ) 및 Al₂ O₃ 클러스터는 레이저 방사선의 특성과 입자의 특성에 따라 달라지는 열 효과의 영향을 받습니다. 따라서 서로 다른 펄스 지속 시간에서 실행되는 다양한 나노초(ns) 및 펨토초(fs) 레이저를 사용하여 입자 크기를 줄이는 데 상당한 연구가 진행되었습니다[13,14,15,16,17,18,19, 21, 25, 26,27]. 공교롭게도 우리의 실험에서도 똑같은 결과를 얻었습니다. 나노유체의 결과로 레이저 조사에서 입자의 크기보다는 시간이 주로 입자에 영향을 미쳤다. 이것은 아마도 응집된 입자가 더 작은 NP로 조각화되어 Al₂의 균일한 입자 분포를 증가시키는 레이저 조사의 영향 때문일 것입니다. O₃ 나노유체. These results demonstrated the surprisingly narrow distributions, with size dispersions in the order of the mean size, which was confirmed by measuring TEM and Nanophox results. This suggested that the NPs were excited and heated by irradiation of the modulated CW laser with some heat loss to the surrounding water, while the absorption of the laser energy by the particles could cause further fragmentation of the particles to smaller possible sizes thus increasing the total number of particles in the solution [28]. In addition, the distribution of particle also decreased with an increase in the laser irradiation time, which has been reported with other materials, such as metal [11, 13, 14, 17] and metal oxide [9, 10, 29].

Conclusions

In conclusion, we confirmed that the modulated continuous wave laser can be used as a good photothermal light sources to generate the thermal waves for fragmentation of the clustered Al₂ O₃ particles and enhancing the thermal diffusivity of the Al₂ O₃ nanofluids. Modulated CW laser technique shows an enormous promise for accurate characterization of the particle size distribution of Al₂ O₃ nanofluids. There are some controlled experiments to optimize the thermal wave generation efficiency, such as the size of the particles, modulation frequency, thermal properties of particles, and base fluid. The results showed that the effect of laser irradiation on the distribution size was more on the size of particles. The thermal diffusivity of the Al₂ O₃ nanofluid increased to 3–6% with the increase of irradiation times, due to the fragmentation of the NPs which in turn increased the total number of particles in the solution. Therefore, from this work, it predicated that inexpensive and compact CW diode lasers can be successfully designed and employed for the fragmentation of NPs in nanofluids.