Фототермический эффект модулирующего лазерного излучения на температурную диффузию наножидкостей Al2O3

Фон

Наножидкости из оксидов металлов привлекли большое внимание благодаря своим улучшенным тепловым свойствам, которые позволяют им играть определенную роль в разработке оборудования для теплопередачи. Хорошо известно, что наножидкости из оксидов металлов обладают улучшенными теплофизическими свойствами, такими как коэффициент температуропроводности, теплопроводности и конвективной теплопередачи, по сравнению с такими базовыми жидкостями, как масло или вода. Аль ₂ О ₃ представляет собой интересный оксид как материал для улучшения теплопередачи из-за его высокой теплопроводности. Теплопроводность наножидкостей играет важную роль при разработке энергоэффективного оборудования для теплопередачи, которое в основном используется в таких промышленных областях, как автомобилестроение, электронное оборудование и медицина. Тепловые свойства наножидкостей зависят от размера и формы наночастиц (НЧ) и их основных жидкостей [1,2,3,4,5]. Это создает проблему, поскольку НЧ имеют тенденцию к быстрой агрегации и вызывают снижение тепловых свойств наножидкостей [6,7,8]. В последнее время методы получения наночастиц с помощью лазера использовались для модификации и генерации наночастиц непосредственно в базовых жидкостях [8,9,10], которые используются в химической, оптической и теплотехнике, фототерапии, катализе и теплопередаче. Его размером и дисперсией можно управлять, варьируя параметры лазера, такие как длина волны лазера, длительность импульса, количество лазерных импульсов и энергия импульса [11, 12]. В общем, взаимодействие между лазером и частицами не только вызывает фототермическую абляцию, но также генерирует тепловые волны (ТВ) вокруг наноструктур и окружающей их среды, что приводит к уменьшению размера частиц или образованию НЧ с конкретное распределение по размерам. Исследования по оптическому изготовлению наночастиц с помощью лазерного облучения показали, что лазерная абляция твердых мишеней [12,13,14,15] и фрагментация взвешенных микрокристаллических порошков [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26], могут использоваться как мощные импульсные лазеры, так и источники непрерывного лазера малой мощности. Импульсные лазеры использовались во многих исследованиях для лазерной абляции твердых мишеней в жидкостях. Хотя лазерное облучение является полезным методом, способствующим образованию наночастиц в наножидкостях, эффективность процесса лазерного облучения весьма чувствительна к длительности импульса. Однако в случае импульсного лазерного облучения на размер и распределение НЧ существенное влияние оказывали количество и время облучения лазерными импульсами. Это означает, что все еще было трудно добиться большего производства частиц с контролем над распределением размеров полученных нанокластеров. В последние годы непрерывные лазеры использовались в нескольких исследованиях для изготовления НЧ [27,28,29,30]. Использование источников непрерывного лазера по сравнению с другими оптическими источниками дает несколько преимуществ, поскольку они, как правило, менее дороги, меньше по размеру и имеют более портативную установку, которую потенциально можно комбинировать с другими устройствами, особенно в качестве источника фототермической терапии для медицинского применения и изменение формы и изготовление наноматериалов [30, 31]. В последнее время было выполнено множество экспериментальных и теоретических исследований, направленных на понимание механизма лазерного облучения [24, 31,32,33,34,35,36]. На основании расчетов и экспериментальных подтверждений, лазерная абляция и фрагментация НЧ могут быть вызваны фототермическим (ФТ) эффектом [37,38,39,40,41]. Эффект ФП позволяет оптимизировать и контролировать эффективность лазерного облучения различными оптическими источниками в различных экспериментальных схемах [42,43,44,45,46,47,48,49]. Модулированный непрерывный лазер обычно используется в приложениях, связанных с эффектом ФП. При оптимальной частоте модуляции это может быть хороший источник света для ПК. Можно наблюдать увеличение эффективности тепловых волн и отношения сигнал / шум (S / N), что делает его более подходящим для процесса фрагментации НЧ. Более того, тщательная оптимизация условий эксперимента может установить контроль над распределением размеров полученных нанокластеров и тепловыми свойствами наножидкостей. Однако в литературе нет подробных исследований, посвященных влиянию ФП модулирующего лазера непрерывного действия на образование и размер наночастиц, а также их термические свойства.

В статье для фрагментации кластерного Al ₂ использовался непрерывный диодный лазер. О ₃ частицы для увеличения температуропроводности наножидкостей при разном времени облучения. Кратко изложены основы генерации тепловой волны модулированным непрерывным лазерным лучом, а также обсуждено влияние частоты и физических параметров модулированного луча. Результаты процесса лазерной фрагментации были проанализированы с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и анализа динамического светорассеяния (ДРС). Наконец, было исследовано влияние лазерной обработки на температуропроводность наножидкостей. Фотопироэлектрический (ФПЭ) метод был использован в качестве надежного метода измерения температуропроводности наножидкостей с очень высокой точностью и разрешением.

Генерация тепловых волн модулированного лазерного луча

В лазере с непрерывной модуляцией поглощение модулированного падающего светового луча вызывает поле тепловой волны, которое является результатом периодического распределения температуры на поверхности [50]. В случае модуляции с разными частотами, когда поверхность поглощающего материала облучается модулированным оптическим излучением с частотой f , где поток - это интенсивность источника и - модулированная угловая частота падающего света, поглощение модулированного падающего светового луча приведет к генерации тепловых волн на поверхности образца. На рисунке 1 схематически показаны явления, возникающие в результате воздействия на поверхность образца модулированного лазерного луча непрерывного действия. Акустическая тепловая энергия, возникающая из-за эффектов ФП, приводит к переносу тепловых волн через образец и окружающую среду.

Фототермические явления, вызванные освещением поверхности модулированным лучом света

В случае наножидкости с определенным количеством твердых частиц тепловые волны, генерируемые в твердых частицах, диффундируют в обе среды, включая другие твердые частицы и соседний слой жидкости, в трехмерном поле тепловых волн. Тепловая волна распространяется в трехмерном пространстве, если источник тепла мал по сравнению с поперечными размерами образца; это уравнение термодиффузии необходимо решить, используя цилиндрическую симметрию. Основываясь на теории рядов Фурье, связь между градиентом температуры (∇ T ) и скорости проводимости ( k ) в направлении потока энергии ( q ) в материале есть

, а дифференциальное уравнение теплопроводности имеет вид [50]

Уравнение термодиффузии в твердой частице как распределенном источнике тепла имеет вид [51]

Уравнения термодиффузии в основной жидкой среде можно записать как [51]

Распространение тепловой волны в материале зависит от его температуропроводности α =( k / ρc ) ^1/2 , где k обозначает теплопроводность, ρ плотность и c теплоемкость. Тепловая волна распространяется T ( x , t ) в одномерном подходе можно найти, решив сложное уравнение

где σ _j =(1 + я ) / μ _j - коэффициент диффузии тепловой волны, μ =( α / π f ) ^1/2 - длина термодиффузии на частоте f , α - коэффициент температуропроводности жидкого образца; Т _о - начальное изменение температуры, создаваемое источником, и волна ослабляется в 1 / e . На рис. 2а, б четко показано тепловое затухание амплитуды и фазы тепловых волн (уравнение 5) в зависимости от расстояния (глубины) от источника в точке x . = x ₀ . Скорость крутого (экспоненциального) затухания амплитуды вдали от источника зависит от температуропроводности среды; чем выше коэффициент диффузии, тем круче наклон. Аналогичное поведение наблюдается и для фазы. Из-за низкого коэффициента температуропроводности индуцированные тепловые волны имеют короткую длину волны и сильно затухают. Следовательно, теплообмена на поверхности частицы не происходит, и эффект ФП начинает уменьшаться, потому что основной характеристикой тепловой волны является то, что она сильно затухает [52, 53]. Это моделирование показало, что тепловой эффект преобладает у частиц с высокой температуропроводностью и вызванным отслаиванием поверхности частицы. В этой работе вода используется как жидкость с более высокой температуропроводностью, чем у других жидкостей, таким образом, дает более высокое отношение сигнал / шум по сравнению с последними.

а Амплитуда и b фаза уравнения. (5) с температуропроводностью α как параметр

Методы

Приготовление наножидкостей

Наножидкости были приготовлены диспергированием 0,05 г Al ₂ О ₃ НЧ (11 нм, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) в 25 мл деионизированной (DI) воды. Один объемный процент поливинилпирролидона (ПВП) (K25, MW – 29000, Aldrich Chemistry) был добавлен для стабилизации наножидкостей; Аль ₂ О ₃ НЧ в воде имеют сильную тенденцию к образованию агрегатов [54, 55]. Суспензию перемешивали в течение примерно 1 часа, затем смесь подвергали ультразвуковой обработке зонда в течение 30 минут (VCX 500, 25 кГц, 500 Вт) для обеспечения гомогенного распределения частиц. После тщательного перемешивания суспензии в течение 30 мин гидродинамический размер агломерированных частиц в растворе контролировали с помощью DLS.

Процесс лазерной фрагментации

Процесс лазерной фрагментации модулированным непрерывным лазерным лучом показан на рис. 3а. Экспериментальная установка для лазера с непрерывной модуляцией представляет собой довольно простой эксперимент. Кювету, содержащую 2 мл раствора образца, помещали на перемешивающую пластину и облучали по вертикальной оси твердотельным лазером с непрерывной диодной накачкой (532 нм, 200 мВт, MGL 150 (10)). Лазер модулировался с помощью оптического прерывателя (SR540) с частотой модуляции 10 Гц для получения достаточно высокого отношения сигнал / шум. Лазер был сфокусирован примерно на 0,1 мм (2,5 кВт / см ² ) поверхности раствора в кварцевой кювете с помощью линзы с фокусным расстоянием 10 см. Магнитное перемешивание выполняли для обеспечения однородного распределения частиц. Процесс повторялся через 10 и 30 мин. После каждого эксперимента морфология полученных коллоидных суспензий анализировалась с помощью ТЕМ (H-7100, Hitachi, Токио, Япония), и распределение Al ₂ по размерам О ₃ НЧ в растворе определяли с помощью программного обеспечения UTHSCSA ImageTool (версия 3.0). Гидродинамический размер агломерированных частиц в растворе был получен из анализа DLS с использованием анализатора Nanophox Analyzer (Sympatec GmbH, D-38678), а среднее значение было взято как минимум по четырем измерениям.

а Блок-схема экспериментальной установки, используемой для фрагментации частиц модулированным лазерным лучом непрерывного действия и b схематический вид фотопироэлектрической (PPE) ячейки детектирования конфигурации для измерения температуропроводности

Измерения температуропроводности

Детали экспериментальной установки для измерения температуропроводности жидких образцов можно найти в [56]. Было показано, что метод PPE является полезным методом анализа термических свойств нескольких видов жидкостей с очень высокой точностью и разрешением [51,52,53, 56,57,58,59]. Преимущество этого метода состоит в том, что мы использовали небольшой ограниченный объем вместе с коротким временем измерения [56,57,58,59]. Метод PPE был использован для измерения температуропроводности Al ₂ О ₃ наножидкости. На рисунке 3b показана камера или ячейка для генерации сигнала PE, используемые в методе PPE. Ячейка содержала медную фольгу (толщиной 50 мкм), действовавшую как генератор PE, и пленку из поливинилидендифторида (PVDF) 52 мкм (MSI DT1-028 K / L), действующую как детектор PE, и образец наножидкости был помещен в эту ячейку. полость. Так как пленка PVDF очень гибкая, она была прикреплена силиконовым клеем к основе Perspex. Поверхность медной фольги была покрыта очень тонким слоем углеродной сажи, которая действовала как эффективный преобразователь света в тепло. Интенсивность диодного лазера (532 нм, 200 мВт) модулировалась оптическим прерывателем (SR540) перед освещением на медной фольге. В ячейке тепловая волна распространяется по жидкости и достигает детектора PE, который генерирует сигнал PE, пропорциональный интенсивности тепловой волны. Сигнал PE, генерируемый детектором PVDF, анализировали с помощью синхронизирующего усилителя (SR.530) для получения амплитудных и фазовых сигналов PE. Чтобы избежать вибрации и возможного вклада датчика PVDF, его нижняя задняя поверхность была прикреплена к контейнеру из плексигласа. Эксперимент проводился по сканированию полости. Частота 6,7 Гц была выбрана для термически толстого режима из-за достаточно высокой амплитуды сигнала в системе. Измерения проводились при комнатной температуре (примерно 22 ° C). Измерения повторяли пять раз для конкретного образца, и брали усредненное значение температуропроводности. Программное обеспечение LabVIEW, установленное на ПК, использовалось для захвата сигнала PE, и данные были проанализированы с помощью Origin 8. Температурное поле экспериментальной системы можно рассчитать в соответствии с теорией теплопроводности резонатора [57]. Сигнал PE, обнаруженный датчиком PVDF, сигнал PE ( V ), определяется расстоянием по длине полости и температуропроводностью образца:

где A =( πf / α ) ^1/2 чтобы получить это выражение, V (f , l) - комплексный сигнал PE, V _о и φ - амплитуда и фаза сигнала PE, f - частота модуляции, а α - коэффициент температуропроводности образца. Из параметра подгонки наклона A =( πf / α ) ^1/2 фазы и ln (амплитуды) как функции сканирования полости, температуропроводность жидкости может быть рассчитана [58].

Результаты и обсуждение

Улучшение тепловых волн

Вот некоторые ключевые параметры, которые следует учитывать при возникновении сильной амплитуды тепловой волны:

1. а.

   Частота модуляции модулирующего света

Из уравнения. Согласно формуле (5) должна быть оптимальная частота модуляции, чтобы максимизировать амплитуду тепловой волны. В отличие от других волн, тепловая волна очень сильно затухает с постоянной затухания, равной длине термодиффузии среды распространения [52]. Тепловые волны, исходящие не глубже, чем длина термодиффузии в материале, способствуют распространению тепла [53]. Тепловые волны отражаются и передаются на границе раздела, а амплитуда тепловых волн ослабляется в пределах одной длины термодиффузии образца. При увеличении частоты модуляции согласно формуле. Согласно (5) длина термодиффузии уменьшается, и только свет, поглощенный в поверхностном слое, вносит вклад в сигнал, в то время как тепловые волны будут распространяться глубоко в твердое тело, если материал имеет высокий коэффициент температуропроводности или если частота тепловой волны низкая. В эксперименте следует тщательно выбирать частоту модуляции, чтобы получить резкий резонансный пик (фактически провал). Частота модуляции выбирается в пространственном диапазоне. Если частота слишком низкая, сигнал сильный, но пик слишком плоский для точного определения его максимума. Хотя если частота слишком высока, пик будет довольно резким, но соотношение сигнал / шум (S / N) ухудшается, что затрудняет определение положения пика.

На рисунке 4 показана смоделированная реальная (синфазная) часть сигнала PE в зависимости от длины водяной полости на различной частоте от 7 Гц до 100 Гц. Видно, что отношение сигнал / шум было выше для более низких частот, 7 Гц, а пик был слишком плоским для точного определения его максимума (рис. 4а). Однако пик был довольно резким на более высоких частотах, 100 Гц (рис. 4d), при этом был получен меньший выходной сигнал, что затрудняло идентификацию положения пика [52]. Экспериментально было обнаружено, что при 10 Гц в качестве рабочей частоты отношение сигнал / шум было хорошим в диапазоне частот и удовлетворительной амплитудой сигнала в системе.

1. б.

   Оптическое поглощение наножидкостей

Реальная (синфазная) часть сигнала PE в зависимости от относительной длины полости для воды на разных частотах: a 7 Гц, b 20 Гц, c 50 H и d 100 Гц, температуропроводность воды ( α _w , =0,00145 см ² .s ⁻¹ )

Каждая частица представляет собой светорассеивающий и поглощающий свет объект. Поглощенная энергия может быть преобразована в тепло, и сумма поглощения света частицами дает термическое затухание. Амплитуда тепловой волны может быть увеличена за счет увеличения оптического поглощения [52, 59] в наножидкостях. Размер, форма и объемная доля частиц, а также чередование базовых жидкостей имеют большое влияние на оптическое поглощение наножидкостей. Аль ₂ О ₃ Наножидкость / вода имела благоприятное оптическое поглощение. Оптическая энергия, поглощающая 13% воды, увеличивается с Al ₂ О ₃ НЧ в базовой жидкости и еще больше увеличивалось, когда концентрация НЧ увеличивалась. При высокой концентрации НЧ падающий свет каждой частицы поглощался тонким поверхностным слоем.

1. c.

   Удельная теплоемкость наножидкостей

Изготовление малых частиц Al ₂ О ₃ в растворе с использованием модулированного лазера непрерывного действия фрагментация может увеличить накопление тепла наножидкости из-за того, что удельная теплоемкость базовой жидкости снижается с уменьшением размера частиц и увеличением количества наночастиц из-за увеличения площади поверхности до -объемное соотношение частиц [6]. Следовательно, меньшая удельная теплоемкость наножидкости позволяла создавать тепловые волны из-за повышенного повышения температуры и теплопередачи.

1. d.

   Температуропроводность наножидкостей

Тепло передается от твердых частиц к окружающей среде с последующим расширением тепловых волн, где амплитуда тепловых волн (TW) сильно зависит от температуропроводности. Как показано на рис. 2, больший коэффициент температуропроводности обычно предпочтителен для большей длины термодиффузии, а амплитуда тепловой волны под поверхностью медленно спадает. Следовательно, большая температуропроводность базовой жидкости имеет решающее значение для эффективной передачи тепла от твердых частиц к жидкости, что позволяет максимально увеличить генерацию тепловых волн. В этой работе вода с высоким коэффициентом температуропроводности (0,00145 см ² / с) была хорошей базовой жидкостью для эффективного генерирования тепловых волн. Температуропроводность воды увеличивается с увеличением количества НЧ из-за увеличения броуновских движений [56]. Более высокая температуропроводность и меньшая теплоемкость Al ₂ О ₃ наножидкость по сравнению с водой позволила ей стать отличным генератором тепловых волн.

Экспериментальные результаты

Лазерная фрагментация Al ₂ О ₃ Наночастицы

Изображения ПЭМ, показывающие средний размер и распределение по размерам Al ₂ О ₃ НЧ в растворе деионизированная вода / ПВП до и после 10 мин и 30 мин облучения показаны на рис. 6. Можно видеть, что собранный материал состоял из кластеров частиц почти сферической формы, диспергированных в высокопористом материале. Наблюдалась некоторая агломерация диаметром около 100 нм, и средний размер Al ₂ О ₃ Размер наночастиц составлял около 16,4 ± 7,8 нм (рис. 5а). Диапазон пористого материала был уменьшен, и средний размер частиц был определен как 14,2 ± 5,4 нм после 10 мин облучения (рис. 5b). Рисунок 5c показывает, что Al ₂ О ₃ НЧ были почти равномерно распределены и имели малый размер (12,03 ± 3,5 нм) после 30 мин облучения в результате поглощения лазерной энергии, которое приводило к фрагментации частиц [25]. Однако скорость фрагментации частиц уменьшалась, когда НЧ достигли своего критического размера после 30 мин облучения. Увеличение общего числа частиц приводило к увеличению концентрации НЧ, и агломерация этих маленьких частиц, следовательно, поглощение света частицами в растворе уменьшалась. Полученные данные показали, что влияние лазерного излучения на размер распределения больше, чем на размер частиц [11].

Изображения ПЭМ и гистограммы относительных размеров Al ₂ О ₃ -NPs а до (16,4 ± 7,8 нм) и после лазерного облучения, в b 10 мин (14,2 ± 5,4 нм) и при c 30 мин (12,03 ± 3,5 нм) соответственно

Гидродинамический диаметр Al ₂ О ₃ частицы в наножидкостях могут предоставить информацию о стабильности наножидкостей. На рис. 6 показана функция плотности распределения НЧ в суспензии (а) без облучения и с облучением через 10 мин (б) и 30 мин (в). Гравитация кривой плотности дает средний диаметр сферы. Кроме того, узкий гидродинамический размер частиц был получен при лазерном воздействии через 10 и 30 мин (б и в), в то время как частицы до облучения имели широкую границу раздела, указывающую на большую степень полидисперсности (рис. 6а). Полученные данные показали, что более резкая кривая распределения высокодомогенных частиц была получена после лазерного воздействия. Это могло быть связано с фрагментацией частиц после лазерного воздействия. Более длительное время лазерного облучения привело к более высокой фрагментации частиц и, следовательно, к большему количеству частиц в растворе с резким распределением. Было замечено, что склонность к агломерации увеличивается с увеличением количества более мелких частиц в воде [7, 54, 55]. На рисунке 6d показано распределение гидродинамических диаметров Al ₂ . О ₃ частицы в наножидкости диаметром 87,7 ± 14,59 нм, 90,97 ± 9,21 нм и 91,57 ± 2,61 нм до и после 10 и 30 мин облучения соответственно. Было обнаружено, что распределение частиц по размерам уменьшилось с ~ 15 до ~ 3 нм при увеличении времени облучения от 0 до 30 мин соответственно. Фрагментация агломератов происходила за счет прямого поглощения лазера, в результате чего частицы имели почти однородное распределение по размерам, как видно из данных Nanophox и TEM. Полученные данные показали, что влияние лазерного излучения на размер распределения было больше, чем на размер частиц. Однако гидродинамический размер наночастиц, полученных с помощью анализатора Nanophox, всегда был больше, чем размер сухих частиц, полученных с помощью ПЭМ, поскольку гидродинамический средний диаметр - это размер агломерированных частиц в растворе. Наблюдаемые здесь эффекты резкого распределения и уменьшения размера описаны в литературе [7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23].

Плотность распределения, определенная с помощью анализатора Nanophox Al ₂ О ₃ частицы в суспензиях а без, с облучением после б 10 мин и c 30 мин и д распределение гидродинамических диаметров наночастиц в наножидкостях в зависимости от времени облучения

Измерения температуропроводности

Чтобы измерить влияние лазерного излучения на температуропроводность наножидкостей, во-первых, экспериментальная установка была откалибрована с использованием дистиллированной воды в качестве стандартной жидкости. Температуропроводность измерялась путем аппроксимации сигнала PE ln (амплитуда) (уравнение (7)) и фазы (уравнение (8)) в зависимости от длины резонатора. Среднее значение для дистиллированной воды было (1.4460.011) × 10 ⁻³ см ² / с, что менее чем на 1% отличается от литературных [56]. На рисунке 7 показаны линейные зависимости логарифмической амплитуды от длины полости Al ₂ . О ₃ наножидкости при различной продолжительности лазерного облучения от 0 до 30 мин в зависимости от относительной длины полости. Наклоны сигнала PE (ln (амплитуда), фаза и среднее значение) и результирующие значения температуропроводности, измеренные в настоящей работе, сведены в Таблицу 1.

Типичная логарифмическая амплитуда как функция относительной длины полости Al ₂ О ₃ наножидкости при разном времени облучения [0, 10 и 30 мин]

Коэффициент температуропроводности увеличился по сравнению с базовой жидкостью. Однако для наножидкости без облучения коэффициент температуропроводности составлял (1,444 ± 0,008) × 10 ⁻³ см ² / с, что было ниже, чем у базовой жидкости. Это может быть связано с низкой температуропроводностью ПВП в наножидкостях. Температуропроводность постепенно увеличивалась примерно на 3–6% после лазерного облучения, что было определено как эффект старения [56, 57]. Увеличение температуропроводности при увеличении времени облучения было следствием уменьшения размеров кластеров и агломератов из-за фрагментации более крупных НЧ [7,8,9,10]. Как правило, плотность числа частиц или объемных долей частиц увеличивалась, и было очевидно, что уменьшение размера частиц увеличивало наноразмерные эффекты смешения, такие как броуновские движения [56]. Следовательно, это может помочь увеличить температуропроводность наножидкостей. Однако увеличение количества частиц в растворе повлияло на скорость лазерной фрагментации из-за ослабления лазерного света в жидкости при высоких концентрациях.

В принципе, взаимодействие непрерывного лазерного луча (в нашем эксперименте 10 ³ Вт / см ² ) и Al ₂ О ₃ кластеры регулируются тепловыми эффектами, которые зависят от характеристик лазерного излучения и природы частицы. Следовательно, значительные исследования были направлены на уменьшение размера частиц с использованием различных лазеров наносекундной (нс) и фемтосекундной (фс) длительности импульса [13,14,15,16,17,18,19,21,25, 26,27]. По совпадению, точно такой же результат был получен в наших экспериментах. В результате воздействия наножидкостей при лазерном облучении время влияет в основном на частицы, а не на их размер. Вероятно, это произошло из-за воздействия лазерного излучения на фрагментацию агломерированных частиц на более мелкие наночастицы, таким образом увеличивая однородное распределение частиц Al ₂ О ₃ наножидкости. 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].

Выводы

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 О ₃ particles and enhancing the thermal diffusivity of the Al₂ О ₃ nanofluids. Modulated CW laser technique shows an enormous promise for accurate characterization of the particle size distribution of Al₂ О ₃ 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 О ₃ 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

• Я _о Source intensity

• ω Angular frequency of modulated light

• е Modulation Frequency

• ∇T Temperature gradient

• q Energy flow

• е thermal wave diffusion coefficient

• φ phase of PE signal

• μ Thermal Diffusion Length

• к Thermal Conductivity

• α Thermal Diffusivity

Сокращения

3-D:

Трехмерный

CW:

Continuous wave

DW:

Deionized water

НП:

Наночастицы

PE:

Pyroelectric

PVDF:

Поливинилидендифторид

PVP:

Поливинилпирролидон

S / N:

Соотношение сигнал / шум

V:

Amplitude of PE signal