Photothermische Wirkung modulierender Laserstrahlung auf die Wärmeleitfähigkeit von Al2O3-Nanofluiden

Hintergrund

Metalloxid-Nanofluide haben aufgrund ihrer verbesserten thermischen Eigenschaften viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, wodurch sie eine spezifische Rolle bei der Entwicklung von Wärmeübertragungsgeräten spielen können. Metalloxid-Nanoflüssigkeiten besitzen bekanntermaßen verbesserte thermophysikalische Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und konvektive Wärmeübertragungskoeffizienten im Vergleich zu denen von Basisflüssigkeiten wie Öl oder Wasser. Al₂ O₃ ist aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ein interessantes Oxid als Material zur Verbesserung der Wärmeübertragung. Die Wärmeleitfähigkeit von Nanoflüssigkeiten ist eine wichtige Eigenschaft bei der Entwicklung energieeffizienter Wärmeübertragungsgeräte, die hauptsächlich in industriellen Bereichen wie Automobilen, Elektronikgeräten und medizinischen Anwendungen eingesetzt werden. Die thermischen Eigenschaften von Nanoflüssigkeiten hängen von der Größe und Form der Nanopartikel (NPs) und ihrer Basisflüssigkeiten ab [1,2,3,4,5]. Dies stellt ein Problem dar, da NPs dazu neigen, schnell zu aggregieren und eine Abnahme der thermischen Eigenschaften der Nanofluide verursacht [6,7,8]. Kürzlich wurden laserproduzierte Nanopartikelmethoden verwendet, um NPs direkt in den Basisflüssigkeiten zu modifizieren und zu erzeugen [8,9,10] für den Einsatz in der chemischen, optischen und thermischen Technik, Phototherapie, Katalyse und Wärmeübertragung. Seine Größe und Streuung kann durch unterschiedliche Laserparameter wie Laserwellenlänge, Pulsdauer, Anzahl der Laserpulse und Pulsenergie gesteuert werden [11, 12]. Im Allgemeinen verursachte die Wechselwirkung zwischen dem Laser und den Partikeln nicht nur eine photothermische Ablation, sondern erzeugte auch thermische Wellen (TWs) um die Nanostrukturen und ihr umgebendes Medium, die zu einer Verkleinerung der Partikel oder zur Bildung von NPs mit a spezifische Größenverteilung. Studien zur optischen Herstellung von Nanopartikeln durch Laserbestrahlung zeigten, dass die Laserablation fester Targets [12,13,14,15] und die Fragmentierung von suspendierten mikrokristallinen Pulvern [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26] können entweder mit leistungsstarken gepulsten Lasern oder CW-Laserquellen mit geringer Leistung verwendet werden. Gepulste Laser wurden in vielen Studien zur Laserablation von festen Targets in Flüssigkeiten verwendet. Obwohl Laserbestrahlung eine nützliche Technik ist, um die Bildung von Nanopartikeln in Nanofluiden zu unterstützen, hängt die Effizienz des Laserbestrahlungsprozesses ziemlich empfindlich von der Pulsdauer ab. Bei gepulster Laserbestrahlung wurden die NP-Größe und -Verteilung jedoch maßgeblich durch die Anzahl und Bestrahlungszeiten der Laserpulse beeinflusst. Dies impliziert, dass es immer noch schwierig war, mit Kontrolle über die Größenverteilungen der erzeugten Nanocluster eine höhere Partikelproduktion zu erreichen. In den letzten Jahren wurden CW-Laser in mehreren Studien zur Herstellung von NPs verwendet [27,28,29,30]. Die Verwendung von CW-Laserquellen gegenüber anderen optischen Quellen bietet mehrere Vorteile, da sie im Allgemeinen kostengünstiger, kleiner und tragbarer sind und potenziell mit anderen Geräten kombiniert werden können, insbesondere als photothermische Therapiequelle für medizinische Anwendungen und die Umformung und Herstellung von Nanomaterialien [30, 31]. In letzter Zeit wurden viele experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verständnis des Mechanismus der Laserbestrahlung durchgeführt [24, 31, 32, 33, 34, 35, 36]. Auf der Grundlage von Berechnungen und experimentellen Bestätigungen kann die Laserablation und Fragmentierung von NPs durch den photothermischen (PT) Effekt angetrieben werden [37,38,39,40,41]. Der PT-Effekt ermöglicht die Optimierung und Überwachung der Effizienz der Laserbestrahlung mit unterschiedlichen optischen Quellen in unterschiedlichen Versuchsdesigns [42,43,44,45,46,47,48,49]. Modulierter CW-Laser wird im Allgemeinen bei Anwendungen verwendet, die den PT-Effekt beinhalten. Bei einer optimalen Modulationsfrequenz kann es eine gute PT-Lichtquelle sein. Es ist eine Steigerung der Effizienz der thermischen Wellen und des Signal-Rausch-Verhältnisses (S/N) zu beobachten, wodurch es besser für den Fragmentierungsprozess von NPs geeignet ist. Darüber hinaus kann eine sorgfältige Optimierung der experimentellen Bedingungen eine Kontrolle über die Größenverteilung der erzeugten Nanocluster und die thermischen Eigenschaften von Nanofluiden ermöglichen. In der Literatur gibt es jedoch keine detaillierte Studie zum PT-Effekt der Modulation von CW-Lasern auf die Bildung und Größe von NPs und ihre thermischen Eigenschaften.

In der Veröffentlichung wurde ein CW-Diodenlaser für die Fragmentierung von geclustertem Al₂ . verwendet O₃ Partikel, um die Wärmeleitfähigkeit der Nanofluide unter verschiedenen Bestrahlungszeiten zu erhöhen. Die Grundlagen der thermischen Wellenerzeugung des modulierten CW-Laserstrahls wurden kurz zusammengefasst und die Wirkung der modulierten Strahlfrequenz sowie physikalische Parameter diskutiert. Die Ergebnisse des Laserfragmentierungsprozesses wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und dynamischer Lichtstreuung (DLS) analysiert. Schließlich wurde die Wirkung der Laserbehandlung auf die Temperaturleitfähigkeit der Nanofluide untersucht. Die photopyroelektrische (PPE) Technik wurde als valide Methode zur Messung der Temperaturleitfähigkeit der Nanoflüssigkeiten mit sehr hoher Präzision und Auflösung verwendet.

Thermische Wellenerzeugung des modulierten Laserstrahls

Beim CW-modulierten Laser verursacht die Absorption des modulierten einfallenden Lichtstrahls ein thermisches Wellenfeld, das auf die periodische Temperaturverteilung auf der Oberfläche zurückzuführen ist [50]. Bei Modulation mit unterschiedlichen Frequenzen, wenn die Oberfläche eines absorbierenden Materials mit einer modulierten optischen Strahlung der Frequenz f . bestrahlt wird , wobei Fluss die Quellenintensität und die modulierte Winkelfrequenz des einfallenden Lichts ist, führt die Absorption des modulierten einfallenden Lichtstrahls zur Erzeugung von Wärmewellen auf der Probenoberfläche. 1 ist eine schematische Darstellung der Phänomene, die sich aus der Bestrahlung einer Probenoberfläche mit einem modulierten CW-Laserstrahl ergeben. Die durch die PT-Effekte entstehende akustische Wärmeenergie führt zum Transport von Wärmewellen durch die Probe und das umgebende Medium.

Photothermische Phänomene, die durch die Beleuchtung einer Oberfläche durch einen modulierten Lichtstrahl verursacht werden

Im Fall eines Nanofluids mit einer Menge an Feststoffpartikeln diffundieren die in den Feststoffpartikeln erzeugten Wärmewellen in einem 3D-Wärmewellenfeld in beide Medien, einschließlich der anderen Feststoffpartikel und der angrenzenden Fluidschicht. Die Wärmewelle diffundiert in 3D, wenn die Wärmequelle klein im Vergleich zu den seitlichen Abmessungen der Probe ist; Diese Thermodiffusionsgleichung muss mit Zylindersymmetrie gelöst werden. Basierend auf der Fourier-Reihentheorie ist die Beziehung zwischen dem Temperaturgradienten (∇T ) und die Leitungsrate (k ) in Richtung des Energieflusses (q ) in einem Material ist

, und die Differentialgleichung der Wärmeleitung ist [50]

Die thermische Diffusionsgleichung im Festkörper als verteilte Wärmequelle lautet [51]

Die Gleichungen der thermischen Diffusion im flüssigen Grundmedium können geschrieben werden als [51]

Die Ausbreitung von Wärmewellen in einem Material hängt von seiner Temperaturleitfähigkeit α . ab = (k /ρc ) ^1/2 , wobei k bezeichnet die Wärmeleitfähigkeit, ρ die Dichte und c die Wärmekapazität. Die sich ausbreitende thermische Welle T (x ,t ) im eindimensionalen Ansatz kann durch Lösen der komplexen Gleichung gefunden werden

wo σ _j = (1 + i )/μ _j ist der Wärmewellen-Diffusionskoeffizient, μ = (α /πf ) ^1/2 ist die thermische Diffusionslänge bei der Frequenz f , und α ist die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeitsprobe; T _o ist die anfängliche Temperaturänderung, die von der Quelle erzeugt wird, und die Welle wird um einen Faktor von 1/e . gedämpft . Abbildung 2a, b zeigt deutlich den thermischen Abfall der Amplitude und Phase der thermischen Wellen (Gl. 5) als Funktion der Entfernung (Tiefe) von der Quelle bei x = x ₀ . Die Geschwindigkeit des steilen (exponentiellen) Amplitudenabfalls weg von der Quelle hängt von der Temperaturleitfähigkeit des Mediums ab; je höher die Diffusivität, desto sanfter die Neigung. Ein ähnliches Verhalten wird für die Phase beobachtet. Wegen der geringen Wärmeleitfähigkeit haben die induzierten Wärmewellen eine kurze Wärmewellenlänge und unterliegen einer großen Dämpfung. Daher findet keine Wärmeübertragung an der Partikeloberfläche statt und der PT-Effekt beginnt sich zu verringern, da die Haupteigenschaft der thermischen Welle darin besteht, dass sie stark abklingt [52, 53]. Diese Simulation zeigte, dass der thermische Effekt bei Partikeln mit hoher Temperaturleitfähigkeit und induziertem Abblättern der Partikeloberfläche überwiegt. In dieser Arbeit wird Wasser als Flüssigkeit mit einer höheren Temperaturleitfähigkeit als die anderen Flüssigkeiten verwendet, wodurch ein höheres S/N im Vergleich zu letzteren erzeugt wird.

a Amplitude und b Phase von Gl. (5) mit Wärmeleitfähigkeit α als Parameter

Methoden

Herstellung von Nanofluiden

Die Nanofluide wurden durch Dispergieren von 0,05 g Al₂ . hergestellt O₃ NPs (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) in 25 ml entionisiertes (DI) Wasser. Zur Stabilisierung der Nanoflüssigkeiten wurde ein Volumenprozent Polyvinylpyrrolidon (PVP) (K25, MW–29000, Aldrich Chemistry) zugegeben; Al₂ O₃ NPs in Wasser neigen stark zur Aggregatbildung [54, 55]. Die Suspension wurde etwa 1 Stunde lang gerührt, dann wurde die Mischung 30 Minuten lang einer Sondenbeschallung (VCX 500, 25 kHz, 500 Watt) unterzogen, um eine homogene Partikelverteilung sicherzustellen. Nachdem die Suspension 30 Minuten lang gründlich gemischt worden war, wurde die hydrodynamische Größe der agglomerierten Partikel in der Lösung mit DLS überwacht.

Laserfragmentierungsprozess

Der Laserfragmentierungsprozess durch einen modulierten CW-Laserstrahl ist in Fig. 3a dargestellt. Der experimentelle Aufbau für den CW-modulierten Laser ist ein ziemlich einfaches Experiment. Eine Küvette mit 2 ml der Probenlösung wurde auf eine Rührplatte gestellt und entlang der vertikalen Achse mit einem CW-diodengepumpten Festkörperlaser (532 nm, 200 mW, MGL 150(10)) bestrahlt. Der Laser wurde unter Verwendung eines optischen Zerhackers (SR540) bei einer Modulationsfrequenz von 10 Hz moduliert, um ein einigermaßen hohes S/N zu erzeugen. Der Laser wurde auf etwa 0,1 mm (2,5 kW/cm ² ) der Lösungsoberfläche in der Quarzküvette mit einem Objektiv mit 10 cm Brennweite. Um eine homogene Partikelverteilung zu gewährleisten, wurde Magnetrührung durchgeführt. Der Vorgang wurde in 10 und 30 min wiederholt. Nach jedem Experiment wurden die Morphologien der erhaltenen kolloidalen Suspensionen durch TEM (H-7100, Hitachi, Tokio, Japan) und die Größenverteilung des Al₂ . analysiert O₃ NPs in Lösung wurden mit der Software UTHSCSA ImageTool (Version 3.0) bestimmt. Die hydrodynamische Größe der agglomerierten Partikel in der Lösung wurde aus der DLS-Analyse mit dem Nanophox Analyzer (Sympatec GmbH, D-38678) erhalten und aus mindestens vier Messungen gemittelt.

a Blockschaltbild des experimentellen Aufbaus zur Fragmentierung von Partikeln durch einen modulierten CW-Laserstrahl und b schematische Ansicht der Detektionszelle mit photopyroelektrischer (PPE) Konfiguration für die Messung der Temperaturleitfähigkeit

Wärmeleitfähigkeitsmessungen

Die Details des experimentellen Aufbaus für Temperaturleitfähigkeitsmessungen in flüssigen Proben sind an anderer Stelle zu finden [56]. Die PPE-Technik hat sich als nützliche Methode zur Analyse der thermischen Eigenschaften verschiedener Arten von Flüssigkeiten mit sehr hoher Präzision und Auflösung erwiesen [51,52,53, 56,57,58,59]. Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass wir ein kleines begrenztes Volumen zusammen mit einer kurzen Messzeit verwendet haben [56,57,58,59]. Die PPE-Technik wurde verwendet, um die Temperaturleitfähigkeit des Al₂ . zu messen O₃ Nanoflüssigkeiten. 3b zeigt die PE-Signalerzeugungskammer oder -zelle, die in der PPE-Technik verwendet wird. Die Zelle enthielt eine Kupferfolie (50 µm Dicke) als PE-Generator und eine 52 µm Polyvinylidendifluorid (PVDF)-Folie (MSI DT1-028 K/L) als PE-Detektor, in die die Nanoflüssigkeitsprobe gegeben wurde Hohlraum. Da PVDF-Folie sehr flexibel ist, wurde sie mit Silikonkleber auf Perspex-Substrat befestigt. Die Oberfläche der Kupferfolie wurde mit einer sehr dünnen Schicht Kohlenstoffruß beschichtet, um als effizienter Licht-zu-Wärme-Wandler zu wirken. Die Intensität eines Diodenlasers (532 nm, 200 mW) wurde durch den optischen Zerhacker (SR540) vor der Beleuchtung auf Kupferfolie moduliert. In der Zelle breitet sich die Wärmewelle durch die Flüssigkeit aus und erreicht den PE-Detektor, der ein PE-Signal proportional zur Intensität der Wärmewelle erzeugt. Das vom PVDF-Detektor erzeugte PE-Signal wurde unter Verwendung eines Lock-In-Verstärkers (SR.530) analysiert, um PE-Amplituden- und Phasensignale zu erzeugen. Um Vibrationen und mögliche Beiträge des PVDF-Sensors zu vermeiden, wurde seine untere Rückseite an einem Perspex-Behälter befestigt. Das Experiment wurde für den Hohlraumscan durchgeführt. Die Frequenz bei 6,7 Hz wurde für einen thermisch dicken Bereich für eine angemessen hohe Signalamplitude im System gewählt. Die Messungen wurden bei Raumtemperatur (ca. 22 °C) durchgeführt. Die Messungen wurden für eine bestimmte Probe fünfmal wiederholt, und der gemittelte Wert der thermischen Diffusivität wurde genommen. Die auf dem PC installierte Software LabVIEW wurde verwendet, um das PE-Signal zu erfassen, und die Daten wurden mit Origin 8 analysiert. Das Temperaturfeld des experimentellen Systems kann gemäß der Wärmewellen-Hohlraumleitungstheorie berechnet werden [57]. Das vom PVDF-Sensor erkannte PE-Signal, das PE-Signal (V ), wird durch den Hohlraumlängenabstand und die Temperaturleitfähigkeit der Probe bestimmt:

wo A = (πf /α ) ^1/2 um diesen Ausdruck zu erhalten, V(f , l) ist das komplexe PE-Signal, V _o und φ sind die Amplitude und Phase des PE-Signals, f die Modulationsfrequenz ist und α ist die Temperaturleitfähigkeit der Probe. Aus dem Steigungsanpassungsparameter A = (πf /α ) ^1/2 von Phase und ln(Amplitude) als Funktion des Hohlraumscans kann die Temperaturleitfähigkeit der Flüssigkeit berechnet werden [58].

Ergebnisse und Diskussion

Wärmewellenverbesserung

Es gibt einige Schlüsselparameter, die berücksichtigt werden sollten, um eine starke thermische Wellenamplitude zu erzeugen:

1. a.

   Modulationsfrequenz des Modulationslichts

Aus Gl. (5) sollte es eine optimale Modulationsfrequenz geben, um die Amplitude der thermischen Welle zu maximieren. Im Gegensatz zu anderen Wellen ist eine thermische Welle sehr stark gedämpft mit einer Abklingkonstante gleich der thermischen Diffusionslänge des Ausbreitungsmediums [52]. Zur Wärmeausbreitung tragen die Wärmewellen bei, die nicht tiefer als die Wärmediffusionslänge im Material ausgehen [53]. Die thermischen Wellen werden an der Grenzfläche reflektiert und übertragen und die Amplitude der thermischen Wellen wird innerhalb einer thermischen Diffusionslänge der Probe gedämpft. Mit steigender Modulationsfrequenz nach Gl. (5) nimmt die Wärmediffusionslänge ab und nur das in der Oberflächenschicht absorbierte Licht trägt zum Signal bei, während sich die Wärmewellen tief in einen Festkörper ausbreiten, wenn das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat oder wenn die Wärmewellenfrequenz niedrig ist. Im Experiment sollte man die Modulationsfrequenz sorgfältig wählen, um einen scharfen Resonanzpeak (eigentlich ein Tief) zu erhalten. Die Modulationsfrequenz wird im räumlichen Bereich gewählt. Wenn die Frequenz zu niedrig ist, ist das Signal stark, aber die Spitze ist zu flach, um ihr Maximum genau zu bestimmen. Wenn die Frequenz zu hoch ist, ist der Peak zwar ziemlich scharf, aber das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) ist beeinträchtigt, was die Identifizierung der Peakposition erschwert.

Abbildung 4 zeigt den simulierten realen (gleichphasigen) Teil des PE-Signals als Funktion der Hohlraumlänge des Wassers bei unterschiedlichen Frequenzen von 7 Hz bis 100 Hz. Es ist ersichtlich, dass das S/N-Verhältnis für niedrigere Frequenzen, 7 Hz, höher war, während der Peak für eine genaue Bestimmung seines Maximums zu flach war (Abb. 4a). Der Peak war jedoch bei höheren Frequenzen, 100 Hz, ziemlich scharf (Abb. 4d), wobei ein kleineres Ausgangssignal erhalten wurde, was die Identifizierung der Peakposition schwierig machte [52]. Es wurde experimentell festgestellt, dass mit 10 Hz als Betriebsfrequenz das S/N-Verhältnis in einem Bereich von Frequenzen gut war und eine zufriedenstellende Signalamplitude im System aufwies.

1. b.

   Optische Absorption der Nanoflüssigkeiten

Der reale (gleichphasige) Teil des PE-Signals im Vergleich zur relativen Hohlraumlänge für Wasser bei verschiedenen Frequenzen:a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 Stunden und Tag 100 Hz, Wärmeleitfähigkeit von Wasser (α _w ,=0,00145 cm ² .s ⁻¹ )

Jedes Partikel ist ein Licht streuendes und absorbierendes Lichtobjekt. Die absorbierte Energie kann in Wärme umgewandelt werden und die Summe der Lichtabsorption der Partikel ist die thermische Extinktion. Die thermische Wellenamplitude kann durch Erhöhung der optischen Absorption [52, 59] in den Nanofluiden erhöht werden. Partikelgröße, Form und Volumenanteil sowie der Wechsel der Grundflüssigkeiten haben einen großen Einfluss auf die optische Absorption der Nanoflüssigkeiten. Die Al₂ O₃ /Wasser-Nanofluid wies eine günstige optische Absorption auf. Die optische Energie, die 13% des Wassers absorbiert, steigt mit Al₂ O₃ NPs in der Basisflüssigkeit und wurde weiter verstärkt, wenn die Konzentration der NPs zunahm. Bei einer hohen Konzentration an NPs wurde das einfallende Licht jedes Partikels in einer dünnen Oberflächenschicht absorbiert.

1. c.

   Spezifische Wärmekapazität der Nanofluide

Herstellung von Al₂ . mit kleiner Partikelgröße O₃ in Lösung durch Verwendung eines modulierten CW-Lasers kann die Fragmentierung die Wärmespeicherung des Nanofluids erhöhen, da die spezifische Wärmekapazität des Basisfluids mit abnehmender Partikelgröße und zunehmender Menge an NPs aufgrund der Vergrößerung der Oberfläche abnimmt -Volumenverhältnis der Partikel [6]. Daher ermöglichte die kleinere spezifische Wärmekapazität des Nanofluids die Amplitude der Wärmewelle aufgrund des erhöhten Temperaturanstiegs und der Wärmeübertragung.

1. d.

   Wärmeleitfähigkeit der Nanofluide

Die Wärme wird von den Feststoffpartikeln auf das umgebende Medium übertragen, gefolgt von einer Wärmewellenexpansion, wobei die Amplitude der Wärmewellen (TWs) eine starke Funktion der Wärmeleitfähigkeit ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird normalerweise eine größere Wärmeleitfähigkeit für größere Wärmediffusionslängen bevorzugt und die Amplitude der Wärmewelle unterhalb der Oberfläche nimmt langsam ab. Daher ist die große Wärmeleitfähigkeit des Basisfluids entscheidend für eine effektive Wärmeübertragung von den Feststoffpartikeln auf das Fluid, wodurch die Erzeugung von Wärmewellen maximiert wird. In dieser Arbeit wird Wasser mit einer hohen Temperaturleitfähigkeit (0,00145 cm ² /s) war eine gute Basisflüssigkeit für die effiziente Erzeugung von Wärmewellen. Die Temperaturleitfähigkeit von Wasser nahm mit zunehmender Menge an NPs aufgrund zunehmender Brownscher Bewegungen zu [56]. Die höhere Temperaturleitfähigkeit und geringere spezifische Wärme des Al₂ O₃ Nanofluid im Vergleich zu Wasser machte es zu einem hervorragenden Wärmewellengenerator.

Experimentelle Ergebnisse

Laserfragmentierung des Al₂ O₃ Nanopartikel

Die TEM-Bilder zeigen die durchschnittliche Größe und Größenverteilung des Al₂ O₃ NPs in entionisiertem Wasser/PVP-Lösung vor und nach 10 min und 30 min Bestrahlung sind in Fig. 6 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass das gesammelte Material aus Clustern von nahezu kugelförmigen Partikeln bestand, die in einem hochporösen Material dispergiert waren. Es wurde eine Agglomeration mit einem Durchmesser von etwa 100 nm beobachtet und die mittlere Größe des Al₂ O₃ NPs betrug etwa 16,4 ± 7,8 nm (Abb. 5a). Der poröse Materialbereich wurde reduziert und die mittlere Partikelgröße wurde nach 10 min Bestrahlung zu 14,2 ± 5,4 nm bestimmt (Abb. 5b). Abbildung 5c ​​zeigt, dass das Al₂ O₃ NPs waren nach 30 min Bestrahlung als Ergebnis der Absorption von Laserenergie, die zur Fragmentierung der Partikel führte, nahezu gleichmäßig verteilt und schmal (12,03 ± 3,5 nm) [25]. Allerdings nahm die Fragmentierungsrate der Partikel ab, wenn die NPs nach 30 Minuten Bestrahlung ihre kritische Größe erreichten. Eine Erhöhung der Gesamtzahl der Partikel führte zu einer Erhöhung der NP-Konzentration und die Agglomeration dieser kleinen Partikel, wodurch die Lichtabsorption der Partikel in Lösung verringert wurde. Die erhaltenen Daten zeigten, dass die Wirkung der Laserbestrahlung auf die Verteilungsgröße größer war als auf die Partikelgröße [11].

Die TEM-Bilder und die Histogramme der relativen Größe des Al₂ O₃ -NPs a vor (16,4 ± 7,8 nm) und nach der Laserbestrahlung, bei b 10 min (14,2 ± 5,4 nm) und bei c 30 min (12,03 ± 3,5 nm) bzw.

Der hydrodynamische Durchmesser des Al₂ O₃ Partikel in den Nanofluiden können Aufschluss über die Stabilität der Nanofluide geben. Abbildung 6 zeigt die Verteilungsdichtefunktion der NPs in der Suspension (a) ohne und mit Bestrahlung nach (b) 10 min und (c) 30 min. Die Schwere der Dichtekurve liefert den mittleren Kugeldurchmesser. Außerdem wurde eine schmale hydrodynamische Größe der Partikel bei der Laserbelichtung nach 10 und 30 min (b und c) erhalten, während die Partikel vor der Bestrahlung eine weit verbreitete Grenzfläche aufwiesen, was auf einen höheren Grad an Polydispersität hinweist (Abb. 6a). Die erhaltenen Daten zeigten, dass nach der Laserbestrahlung eine schärfere Verteilungskurve der hochhomogenen Partikel erhalten wurde. Dies könnte an der Fragmentierung der Partikel nach der Laserbestrahlung liegen. Längere Laserbestrahlungszeiten führten zu einer höheren Fragmentierung der Partikel und damit zu einer höheren Anzahl von Partikeln in Lösung mit einer scharfen Verteilung. Es wurde beobachtet, dass die Agglomerationsneigung mit steigender Anzahl kleinerer Partikel im Wasser zunimmt [7, 54, 55]. Abbildung 6d zeigt die hydrodynamische Durchmesserverteilung des Al₂ O₃ Partikel in den Nanofluiden mit Durchmessern von 87,7 ± 14,59 nm und 90,97 ±   9,21 nm und 91,57 ± 2,61 nm vor und nach 10 bzw. 30 min Bestrahlung. Es zeigte sich, dass die Größenverteilung der Partikel von ~ 15 auf ~ 3 nm abnahm, wenn die Bestrahlungszeiten von 0 auf 30 min anstiegen. Die Fragmentierung der Agglomerate erfolgte über eine direkte Absorption des Lasers mit dem Endergebnis von Partikeln, die eine nahezu einheitliche Größenverteilung aufwiesen, wie aus den Nanophox- und TEM-Daten ersichtlich. Die erhaltenen Daten zeigten, dass die Wirkung der Laserbestrahlung auf die Verteilungsgröße größer war als die auf die Partikelgröße. Die hydrodynamische Größe der NPs, die mit dem Nanophox-Analysator erhalten wurden, war jedoch immer größer als die Größe der trockenen Partikel, die mit TEM erhalten wurden, da der hydrodynamische durchschnittliche Durchmesser der Größe agglomerierter Partikel in Lösung entspricht. Die hier beobachteten scharfen Verteilungs- und Größenreduktionseffekte wurden in der Literatur beschrieben [7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23].

Die mit dem Nanophox-Analysator bestimmte Verteilungsdichte von Al₂ O₃ Partikel in den Suspensionen a ohne, mit Bestrahlung nach b 10 Minuten und c 30 Minuten und Tag hydrodynamische Durchmesserverteilung von NPs in Nanofluiden als Funktion der Bestrahlungszeiten

Wärmeleitfähigkeitsmessungen

Um den Einfluss der Laserbestrahlung auf die Temperaturleitfähigkeit der Nanofluide zu messen, wurde zunächst der Versuchsaufbau mit destilliertem Wasser als Standardflüssigkeit kalibriert. Die Temperaturleitfähigkeit wurde durch Anpassen des PE-Signals von ln(Amplitude) (Gl. (7)) und Phase (Gl. (8)) gegen die Resonatorlänge gemessen. Der Durchschnitt für destilliertes Wasser war (1.4460.011) × 10 ⁻³ cm ² /s, die sich um < 1% von der Literatur unterschied [56]. Abbildung 7 zeigt die linearen Kurven der logarithmischen Amplitude über der Resonatorlänge des Al₂ O₃ Nanofluide bei unterschiedlicher Laserbestrahlungszeit von 0 bis 30 min als Funktion der relativen Kavitätenlänge. Die Steigungen des PE-Signals (ln (Amplitude), Phase und Durchschnitt) und die resultierenden Temperaturleitfähigkeitswerte, die in der vorliegenden Arbeit gemessen wurden, sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Typische logarithmische Amplitude als Funktion der relativen Resonatorlänge von Al₂ O₃ Nanofluide bei unterschiedlicher Bestrahlungszeit [0, 10 und 30 min]

Die Wärmeleitfähigkeit zeigte eine Verbesserung im Vergleich zum Basisfluid. Für das Nanofluid ohne Bestrahlung betrug die Wärmeleitfähigkeit jedoch (1.444 ± 0.008) × 10 ⁻³ . cm ² /s, was niedriger war als die Basisflüssigkeit. Dies könnte an der geringen Wärmeleitfähigkeit von PVP in den Nanofluiden liegen. Die Temperaturleitfähigkeit nahm nach der Laserbestrahlung allmählich um 3–6 % zu, was als Alterungseffekt definiert wurde [56, 57]. Die Zunahme der Temperaturleitfähigkeit bei längerer Bestrahlungszeit war eine Folge der Abnahme der Cluster- und Agglomeratgrößen aufgrund der Fragmentierung der größeren NPs [7,8,9,10]. Im Allgemeinen nahm die Dichte der Partikelanzahl oder der Volumenanteile der Partikel zu und es war offensichtlich, dass die Partikelgrößenreduktion die nanoskaligen Mischeffekte, wie Brownsche Bewegungen, verstärkte [56]. Daher könnte dies dazu beitragen, die Wärmeleitfähigkeit der Nanofluide zu erhöhen. Die Zunahme der Partikelanzahl in der Lösung hatte jedoch einen Einfluss auf die Laserfragmentierungsrate aufgrund der Abschwächung des Laserlichts in der Flüssigkeit bei hohen Konzentrationen.

Im Prinzip ist die Wechselwirkung zwischen dem CW-Laserstrahl (in unserem Experiment 10 ³ W/cm ² ) und die Al₂ O₃ Cluster wird durch thermische Effekte bestimmt, die von den Eigenschaften der Laserstrahlung und der Art des Partikels abhängen. Daher wurden beträchtliche Forschungsarbeiten darauf gerichtet, die Größe der Partikel unter Verwendung verschiedener Nanosekunden- (ns) und Femtosekunden-(fs)-Laser zu verringern, die mit unterschiedlichen Pulsdauern betrieben werden [13,14,15,16,17,18,19, 21, 25, 26,27]. Zufälligerweise wurde bei unseren Experimenten genau das gleiche Ergebnis erzielt. Infolge der Nanofluide beeinflusste die Zeit bei der Laserbestrahlung hauptsächlich die Partikel und nicht ihre Größe. Dies lag wahrscheinlich an der Wirkung der Laserbestrahlung auf die Fragmentierung der agglomerierten Partikel zu den kleineren NPs, wodurch die homogene Partikelverteilung des Al₂ . erhöht wurde O₃ Nanoflüssigkeiten. 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.

Nomenclature

• Ich _o Source intensity

• ω Angular frequency of modulated light

• f Modulation Frequency

• ∇T Temperature gradient

• q Energy flow

• e thermal wave diffusion coefficient

• φ phase of PE signal

• μ Thermal Diffusion Length

• k Thermal Conductivity

• α Thermal Diffusivity

Abkürzungen

3-D:

Dreidimensional

CW:

Dauerwelle

DW:

Entionisiertes Wasser

NPs:

Nanopartikel

PE:

Pyroelectric

PVDF:

Polyvinylidene difluoride

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

S/N:

Signal-to-noise

V:

Amplitude of PE signal