Effet photothermique de l'irradiation laser modulante sur la diffusion thermique des nanofluides Al2O3

Contexte

Les nanofluides d'oxyde métallique ont beaucoup attiré l'attention en raison de leurs propriétés thermiques améliorées qui leur permettent de jouer des rôles spécifiques dans le développement d'équipements de transfert de chaleur. Les nanofluides d'oxydes métalliques sont bien connus pour posséder des propriétés thermophysiques améliorées telles que la diffusivité thermique, la conductivité thermique et les coefficients de transfert de chaleur par convection par rapport à ceux des fluides de base comme l'huile ou l'eau. Al₂ O₃ est un oxyde intéressant, en tant que matériau pour améliorer le transfert de chaleur, en raison de sa conductivité thermique élevée. La conductivité thermique des nanofluides agit comme des propriétés importantes dans le développement d'un équipement de transfert de chaleur à haut rendement énergétique, principalement utilisé dans le domaine industriel tel que l'automobile, les équipements électroniques et les applications médicales. Les propriétés thermiques des nanofluides sont sensibles à la taille et à la forme des nanoparticules (NP) et de leurs fluides de base [1,2,3,4,5]. Cela pose un problème car les NP ont tendance à s'agréger rapidement et provoque une diminution des propriétés thermiques des nanofluides [6,7,8]. Récemment, des méthodes de nanoparticules produites au laser ont été utilisées pour modifier et générer des NP directement dans les fluides de base [8,9,10] pour être utilisées en génie chimique, optique et thermique, en photothérapie, en catalyse et en transfert de chaleur. La taille et la dispersion de celui-ci peuvent être contrôlées en faisant varier les paramètres laser, tels que la longueur d'onde laser, la durée d'impulsion, le nombre d'impulsions laser et l'énergie d'impulsion [11, 12]. En général, l'interaction entre le laser et les particules a non seulement provoqué une ablation photothermique, mais a également généré des ondes thermiques (TW) autour des nanostructures et de leur milieu environnant, ce qui conduit à une réduction de la taille des particules ou à la formation de NP avec un distribution de taille spécifique. Des études sur la fabrication optique de NP par irradiation laser ont montré que l'ablation laser de cibles solides [12,13,14,15] et la fragmentation à partir de poudres microcristallines en suspension [16,17,18,19,20,21,22,23, 24,25,26] peuvent être utilisés soit en utilisant des lasers pulsés puissants, soit des sources laser CW de faible intensité. Les lasers pulsés ont été utilisés dans de nombreuses études pour l'ablation laser de cibles solides dans des liquides. Bien que l'irradiation laser soit une technique utile pour aider à la formation de NP dans les nanofluides, l'efficacité du processus d'irradiation laser est assez sensible à la durée de l'impulsion. Cependant, dans le cas d'une irradiation laser pulsée, la taille et la distribution des NP étaient significativement influencées par le nombre et les durées d'irradiation des impulsions laser. Cela implique qu'il était encore difficile d'obtenir plus de production de particules avec un contrôle sur les distributions de taille des nanoclusters produits. Ces dernières années, les lasers CW ont été utilisés dans plusieurs études pour la fabrication de NP [27,28,29,30]. Il y a plusieurs avantages à utiliser des sources laser CW par rapport à d'autres sources optiques, car elles sont généralement moins chères, plus petites et ont une configuration plus portable qui peut être potentiellement combinée avec d'autres appareils, en particulier comme source de thérapie photothermique pour une application médicale et le remodelage et la fabrication de nanomatériaux [30, 31]. Récemment, de nombreuses investigations expérimentales et théoriques visant à comprendre le mécanisme de l'irradiation laser ont été réalisées [24, 31,32,33,34,35,36]. Sur la base de calculs et de confirmations expérimentales, l'ablation laser et la fragmentation des NP peuvent être pilotées par l'effet photothermique (PT) [37,38,39,40,41]. L'effet PT permet l'optimisation et le suivi de l'efficacité de l'irradiation laser avec différentes sources optiques dans différentes conceptions expérimentales [42,43,44,45,46,47,48,49]. Le laser CW modulé est généralement utilisé dans les applications impliquant l'effet PT. Ce peut être une bonne source de lumière PT étant donné une fréquence de modulation optimale. Une augmentation de l'efficacité des ondes thermiques et du rapport signal sur bruit (S/B) peut être observée, la rendant plus adaptée au processus de fragmentation des NPs. De plus, une optimisation minutieuse des conditions expérimentales peut établir un contrôle sur les distributions de taille des nanoclusters produits et les propriétés thermiques des nanofluides. Cependant, aucune étude détaillée n'existe dans la littérature sur l'effet PT du laser CW modulant sur la formation et la taille des NP et leurs propriétés thermiques.

Dans l'article, un laser à diode CW a été utilisé pour la fragmentation d'Al₂ en cluster. O₃ particules pour améliorer la diffusivité thermique des nanofluides, sous différentes durées d'irradiation. La base de la génération d'ondes thermiques du faisceau laser CW modulé a été brièvement résumée et l'effet de la fréquence du faisceau modulé et des paramètres physiques ont été discutés. Les résultats du processus de fragmentation laser ont été analysés par microscopie électronique à transmission (MET) et analyse par diffusion dynamique de la lumière (DLS). Enfin, l'effet du traitement laser sur la diffusivité thermique des nanofluides a été étudié. La technique photopyroélectrique (PPE) a été utilisée comme méthode valide pour mesurer la diffusivité thermique des nanofluides avec une précision et une résolution très élevées.

Génération d'ondes thermiques du faisceau laser modulé

Dans le laser modulé CW, l'absorption du faisceau lumineux incident modulé provoque un champ d'ondes thermiques, qui est le résultat de la répartition périodique de la température sur la surface [50]. Dans le cas d'une modulation avec des fréquences différentes, lorsque la surface d'un matériau absorbant est irradiée avec un rayonnement optique modulé à la fréquence f , où le flux est l'intensité de la source et la fréquence angulaire modulée de la lumière incidente, l'absorption du faisceau lumineux incident modulé entraînera la génération d'ondes thermiques sur la surface de l'échantillon. La figure 1 est une illustration schématique des phénomènes résultant de l'exposition d'une surface d'échantillon à un faisceau laser CW modulé. L'énergie thermique acoustique générée par les effets PT entraîne le transport d'ondes thermiques à travers l'échantillon et le milieu environnant.

Phénomènes photothermiques provoqués par l'éclairement d'une surface par faisceau lumineux modulé

Dans le cas d'un nanofluide avec une quantité de particules solides, les ondes thermiques générées dans les particules solides se diffusent dans les deux milieux, y compris les autres particules solides et la couche fluide adjacente, dans un champ d'ondes thermiques 3-D. L'onde thermique diffuse en 3-D, si la source de chaleur est petite par rapport aux dimensions latérales de l'échantillon; cette équation de diffusion thermique doit être résolue en utilisant la symétrie cylindrique. Basé sur la théorie des séries de Fourier, la relation entre le gradient de température (∇T ) et le taux de conduction (k ) dans le sens du flux d'énergie (q ) dans un matériau est

, et l'équation différentielle de la conduction thermique est [50]

L'équation de diffusion thermique dans la particule solide, en tant que source de chaleur distribuée, est [51]

Les équations de diffusion thermique en milieu fluide de base peuvent être écrites comme [51]

La propagation des ondes thermiques dans un matériau dépend de sa diffusivité thermique α = (k /ρc ) ^1/2 , où k désigne la conductivité thermique, ρ la densité, et c la capacité calorifique. L'onde thermique se propageant T (x ,t ) dans l'approche unidimensionnelle peut être trouvée en résolvant l'équation complexe

où σ _j = (1 + i )/μ _j est le coefficient de diffusion des ondes thermiques, μ = (α /πf ) ^1/2 est la longueur de diffusion thermique à la fréquence f , et est la diffusivité thermique de l'échantillon liquide ; T _o est le changement initial de température produit par la source, et l'onde est atténuée par un facteur de 1/e . La figure 2a, b montre clairement la décroissance thermique de l'amplitude et de la phase des ondes thermiques (Eq. 5) en fonction de la distance (profondeur) de la source à x = x ₀ . Le taux de décroissance abrupte (exponentielle) de l'amplitude loin de la source dépend de la diffusivité thermique du milieu ; plus la diffusivité est élevée, plus la pente est douce. Un comportement similaire est observé pour la phase. Pour la faible diffusivité thermique, les ondes thermiques induites ont une courte longueur d'onde thermique et elles sont soumises à une forte atténuation. Par conséquent, le transfert de chaleur à la surface des particules ne se produit pas et l'effet PT commence à se réduire, car la principale caractéristique de l'onde thermique est qu'elle se désintègre fortement [52, 53]. Cette simulation a montré que l'effet thermique est prédominant au niveau des particules à haute diffusivité thermique et induit le décollement de la surface des particules. Dans ce travail, l'eau est utilisée comme liquide de diffusivité thermique plus élevée que des autres liquides, produit ainsi un S/B plus élevé par rapport à ces derniers.

un Amplitude et b phase de l'éq. (5) avec diffusivité thermique α en paramètre

Méthodes

Préparation de nanofluides

Les nanofluides ont été préparés en dispersant 0,05 g Al₂ O₃ NPs (11 nm, Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.) dans 25 ml d'eau déminéralisée (DI). Un pour cent en volume de polyvinylpyrrolidone (PVP) (K25, MW–29000, Aldrich Chemistry) a été ajouté pour stabiliser les nanofluides ; Al₂ O₃ Les NP dans l'eau ont une forte tendance à former des agrégats [54, 55]. La suspension a été agitée en environ 1 h puis le mélange a été soumis à une sonication à la sonde pendant 30 min (VCX 500, 25 kHz, 500  W) pour assurer une distribution homogène des particules. Après que la suspension ait été soigneusement mélangée pendant 30 min, la taille hydrodynamique des particules agglomérées dans la solution a été contrôlée à l'aide du DLS.

Processus de fragmentation laser

Le processus de fragmentation laser par un faisceau laser CW modulé est représenté sur la figure 3a. La configuration expérimentale du laser modulé CW est une expérience assez simple. Une cuvette contenant 2 ml de la solution échantillon a été placée sur une plaque d'agitation et irradiée le long de l'axe vertical avec un laser à semi-conducteur pompé par diode CW (532  nm, 200 mW, MGL 150 (10)). Le laser a été modulé à l'aide d'un hacheur optique (SR540) à une fréquence de modulation de 10 Hz, pour produire un rapport signal/bruit raisonnablement élevé. Le laser était focalisé sur environ 0,1 mm (2,5 kW/cm ² ) de la surface de la solution dans la cuvette en quartz à l'aide d'une lentille de focale de 10 cm. Une agitation magnétique a été réalisée afin d'assurer une répartition homogène des particules. Le processus a été répété en 10 et 30 min. Après chaque expérience, les morphologies des suspensions colloïdales obtenues ont été analysées par MET (H-7100, Hitachi, Tokyo, Japon), et la distribution granulométrique de l'Al₂ O₃ Les NP en solution ont été déterminées à l'aide du logiciel UTHSCSA ImageTool (version 3.0). La taille hydrodynamique des particules agglomérées dans la solution a été obtenue à partir de l'analyse DLS à l'aide de l'analyseur Nanophox (Sympatec GmbH, D-38678) et une moyenne a été prise à partir d'au moins quatre mesures.

un Schéma fonctionnel de l'installation expérimentale utilisée dans la fragmentation des particules par un faisceau laser CW modulé et b vue schématique de la cellule de détection de configuration photopyroélectrique (PPE) pour la mesure de diffusivité thermique

Mesures de diffusion thermique

Les détails du montage expérimental pour les mesures de diffusivité thermique dans des échantillons liquides peuvent être trouvés ailleurs [56]. La technique PPE s'est avérée être une méthode utile pour analyser les propriétés thermiques de plusieurs types de liquides, avec une précision et une résolution très élevées [51,52,53, 56,57,58,59]. L'avantage de cette technique est que nous avons utilisé un petit volume limité avec un temps de mesure court [56,57,58,59]. La technique PPE a été utilisée pour mesurer la diffusivité thermique de l'Al₂ O₃ nanofluides. La figure 3b montre la chambre ou la cellule de génération de signal PE utilisée dans la technique PPE. La cellule contenait une feuille de cuivre (50  μm d'épaisseur) agissant comme un générateur de PE et un film de 52 μm de difluorure de polyvinylidène (PVDF) (MSI DT1-028 K/L) servait de détecteur de PE, et l'échantillon de nanofluide a été placé dans ce cavité. Le film PVDF étant très flexible, il a été fixé avec de la colle silicone sur un substrat en Perspex. La surface de la feuille de cuivre était recouverte d'une très fine couche de suie de carbone pour agir comme un convertisseur lumière-chaleur efficace. L'intensité d'une diode laser (532 nm, 200 mW) a été modulée par le hacheur optique (SR540) avant illumination sur feuille de cuivre. Dans la cellule, l'onde thermique se propage à travers le liquide et atteint le détecteur PE, qui génère un signal PE proportionnel à l'intensité de l'onde thermique. Le signal PE généré par le détecteur PVDF a été analysé en utilisant un amplificateur à verrouillage (SR.530) pour produire des signaux d'amplitude et de phase PE. Pour éviter les vibrations et les éventuelles contributions du capteur PVDF, sa face arrière inférieure a été fixée sur un conteneur en Perspex. L'expérience a été faite pour le scan de cavité. La fréquence à 6,7 Hz a été choisie pour un régime thermiquement épais pour une amplitude de signal raisonnablement élevée dans le système. Les mesures ont été effectuées à température ambiante (environ 22°C). Les mesures ont été répétées cinq fois pour un échantillon particulier, et la valeur moyenne de diffusivité thermique a été prise. Le logiciel LabVIEW, installé sur PC, a été utilisé pour capturer le signal PE et les données ont été analysées à l'aide d'Origin 8. Le champ de température du système expérimental peut être calculé selon la théorie de la conduction des ondes thermiques [57]. Le signal PE détecté par le capteur PVDF, le signal PE (V ), est déterminé par la distance de longueur de cavité et la diffusivité thermique de l'échantillon :

où A = (πf /α ) ^1/2 pour obtenir cette expression, V(f , l) est le signal PE complexe, V _o et φ sont l'amplitude et la phase du signal PE, f est la fréquence de modulation, et α est la diffusivité thermique de l'échantillon. A partir du paramètre d'ajustement de pente A = (πf /α ) ^1/2 de phase et ln(amplitude) en fonction du balayage de la cavité, la diffusivité thermique du liquide peut être calculée [58].

Résultats et discussion

Amélioration des ondes thermiques

Certains paramètres clés doivent être pris en compte pour générer une forte amplitude d'onde thermique :

1. une.

   Fréquence de modulation de la lumière de modulation

De l'éq. (5), il devrait y avoir une fréquence de modulation optimale pour maximiser l'amplitude de l'onde thermique. Contrairement aux autres ondes, l'onde thermique est très fortement amortie avec une constante de décroissance égale à la longueur de diffusion thermique du milieu de propagation [52]. Les ondes thermiques provenant d'une profondeur non supérieure à la longueur de diffusion thermique dans le matériau contribuent à la propagation de la chaleur [53]. Les ondes thermiques sont réfléchies et transmises à l'interface et l'amplitude des ondes thermiques est atténuée dans une longueur de diffusion thermique de l'échantillon. Avec une fréquence de modulation croissante selon l'Eq. (5), la longueur de diffusion thermique diminue et seule la lumière absorbée dans la couche de surface contribue au signal, tandis que les ondes thermiques se propageront profondément dans un solide si le matériau a une diffusivité thermique élevée ou si la fréquence des ondes thermiques est faible. Dans l'expérience, il faut choisir soigneusement la fréquence de modulation afin d'obtenir un pic de résonance net (en fait un creux). La fréquence de modulation est choisie dans la gamme spatiale. Si la fréquence est trop basse, le signal est fort, mais le pic est trop plat pour une détermination précise de son maximum. Alors que si la fréquence est trop élevée, le pic est assez net, mais le rapport signal/bruit (S/B) est compromis, ce qui rend l'identification de la position du pic difficile.

La figure 4 montre la partie réelle (en phase) simulée du signal PE en fonction de la longueur de la cavité de l'eau, à différentes fréquences de 7 Hz à 100 Hz. On peut voir que le rapport S/B était plus élevé pour les basses fréquences, 7 Hz, tandis que le pic était trop plat pour une détermination précise de son maximum (Fig. 4a). Cependant, le pic était assez pointu à des fréquences plus élevées, 100 Hz, (Fig. 4d), avec un signal de sortie plus petit a été obtenu, ce qui a rendu difficile l'identification de la position du pic [52]. Il a été expérimentalement constaté qu'avec 10 Hz comme fréquence de fonctionnement, le rapport S/B était bon dans une gamme de fréquences et avait une amplitude de signal satisfaisante dans le système.

1. b.

   Absorption optique des nanofluides

La partie réelle (en phase) du signal PE par rapport à la longueur relative de la cavité pour l'eau à différentes fréquences :a 7 Hz, b 20 Hz, c 50 H, et j 100 Hz, diffusivité thermique de l'eau (α _w ,=0.00145 cm ² .s ⁻¹ )

Chaque particule est un objet lumineux diffusant et absorbant la lumière. L'énergie absorbée peut être convertie en chaleur, et la somme de l'absorption lumineuse des particules est l'extinction thermique. L'amplitude de l'onde thermique peut être augmentée en augmentant l'absorption optique [52, 59] dans les nanofluides. La taille, la forme et la fraction volumique des particules, ainsi que l'alternance des fluides de base, ont un effet majeur sur l'absorption optique des nanofluides. L'Al₂ O₃ /eau nanofluide avait une absorption optique favorable. L'énergie optique absorbant 13% d'eau a augmenté avec Al₂ O₃ NPs dans le fluide de base et a été encore renforcée lorsque la concentration des NPs a augmenté. Avec une forte concentration de NP, la lumière incidente de chaque particule était absorbée dans une fine couche de surface.

1. c.

   Capacité calorifique spécifique des nanofluides

Fabrication de petites particules d'Al₂ O₃ en solution en utilisant un laser CW modulé, la fragmentation peut augmenter le stockage de chaleur du nanofluide, en raison du fait que la capacité thermique spécifique du fluide de base diminue avec la diminution de la taille des particules et l'augmentation de la quantité de NP, en raison de l'augmentation de la surface à -rapport volumique des particules [6]. Par conséquent, la capacité thermique spécifique plus petite du nanofluide a permis une amplitude des ondes thermiques en raison de l'augmentation de la température et du transfert de chaleur.

1. d.

   Diffusivité thermique des nanofluides

La chaleur est transférée des particules solides au milieu environnant, suivie d'une expansion par ondes thermiques, où l'amplitude des ondes thermiques (TWs) est une forte fonction de la diffusivité thermique. Comme le montre la figure 2, une plus grande diffusivité thermique est généralement préférée pour des longueurs de diffusion thermique plus élevées et l'amplitude de l'onde thermique sous la surface décroît lentement. Par conséquent, la grande diffusivité thermique du fluide de base est cruciale pour un transfert de chaleur efficace des particules solides vers le fluide, maximisant ainsi la génération d'ondes thermiques. Dans ce travail, de l'eau à haute diffusivité thermique (0,00145 cm ² /s) était un bon fluide de base pour une génération efficace d'ondes thermiques. La diffusivité thermique de l'eau augmente avec une quantité croissante de NP, en raison de l'augmentation des mouvements browniens [56]. La diffusivité thermique plus élevée et la chaleur spécifique plus faible de l'Al₂ O₃ le nanofluide par rapport à l'eau lui a permis d'être un excellent générateur d'ondes thermiques.

Résultats expérimentaux

Fragmentation laser de l'Al₂ O₃ Nanoparticules

Les images TEM montrant la taille moyenne et la distribution des tailles de l'Al₂ O₃ Les NP dans une solution d'eau déminéralisée/PVP avant et après 10 min et 30 min d'irradiation sont illustrées à la figure 6. On peut voir que le matériau collecté était composé d'amas de particules de forme presque sphérique, dispersées dans un matériau très poreux. Une certaine agglomération d'environ 100 nm de diamètre a été observée et la taille moyenne de l'Al₂ O₃ NPs était d'environ 16,4 ± 7,8 nm (Fig. 5a). La gamme de matériau poreux a été réduite et la taille moyenne des particules s'est avérée être de 14,2 ± 5,4  nm après 10 min d'irradiation (Fig. 5b). La figure 5c a montré que l'Al₂ O₃ Les NP étaient presque uniformément distribuées et de taille étroite (12,03 ± 3,5 nm) après 30 min d'irradiation en raison de l'absorption d'énergie laser qui a conduit à la fragmentation des particules [25]. Cependant, le taux de fragmentation des particules diminuait lorsque les NP atteignaient leur taille critique après 30 min d'irradiation. L'augmentation du nombre total de particules a entraîné une augmentation de la concentration en NPs, et l'agglomération de ces petites particules, donc l'absorption de la lumière des particules en solution a été diminuée. Les données obtenues ont montré que l'effet de l'irradiation laser sur la taille de distribution était plus important que sur la taille des particules [11].

Les images MET et les histogrammes de taille relative de l'Al₂ O₃ -NPs a avant (16,4 ± 7,8 nm) et après irradiation laser, à b 10 min (14,2 ± 5,4 nm), et à c 30 min (12,03 ± 3,5 nm), respectivement

Le diamètre hydrodynamique de l'Al₂ O₃ les particules dans les nanofluides peuvent fournir des informations sur la stabilité des nanofluides. La figure 6 montre la fonction de densité de distribution des NP dans la suspension (a) sans et avec irradiation après (b) 10 min et (c) 30 min. La gravité de la courbe de densité fournit le diamètre moyen de la sphère. De plus, une taille hydrodynamique étroite des particules a été obtenue lors d'une exposition au laser après 10 et 30 min (b et c), tandis que les particules avant irradiation avaient une interface largement étalée indiquant un degré de polydispersité plus élevé (Fig. 6a). Les données obtenues ont montré qu'une courbe de distribution plus nette des particules hautement homogènes était obtenue après irradiation laser. Cela pourrait être dû à la fragmentation des particules après irradiation laser. Des durées d'irradiation laser plus longues ont entraîné une fragmentation plus élevée des particules et donc un nombre plus élevé de particules en solution avec une distribution nette. Il a été observé que la tendance à s'agglomérer augmentait avec une augmentation du nombre de particules plus petites dans l'eau [7, 54, 55]. La figure 6d montre la distribution hydrodynamique des diamètres de l'Al₂ O₃ particules dans les nanofluides avec des diamètres de 87,7 ± 14,59 nm et 90,97 ± 9,21 nm et 91,57±2,61 nm pour avant et après 10 et 30 min d'irradiation, respectivement. Il a été constaté que la distribution granulométrique des particules diminuait de ~ 15 à ~ 3 nm, lorsque les temps d'irradiation augmentaient de 0 à 30 min, respectivement. La fragmentation des agglomérats a eu lieu via une absorption directe du laser avec un résultat final de particules dont la distribution de taille était presque uniforme, comme le montrent les données Nanophox et MET. Les données obtenues ont montré que l'effet de l'irradiation laser sur la taille de la distribution était plus important que celui sur la taille des particules. Cependant, la taille hydrodynamique des NP obtenues à partir de l'analyseur Nanophox était toujours plus grande que la taille des particules sèches obtenues à partir de MET car le diamètre moyen hydrodynamique est la taille des particules agglomérées en solution. Les effets de distribution et de réduction de la taille observés ici ont été rapportés dans la littérature [7,8,9,10, 16,17,18,19,20,21,22,23].

La densité de distribution déterminée à l'aide de l'analyseur Nanophox d'Al₂ O₃ particules dans les suspensions a sans, avec irradiation après b 10 min et c 30 min, et j distribution hydrodynamique des diamètres des NP dans les nanofluides en fonction des temps d'irradiation

Mesures de diffusion thermique

Afin de mesurer l'effet de l'irradiation laser sur la diffusivité thermique des nanofluides, dans un premier temps, le dispositif expérimental a été calibré en utilisant de l'eau distillée comme liquide étalon. La diffusivité thermique a été mesurée en ajustant le signal PE de ln(amplitude) (Eq. (7)) et de la phase (Eq. (8)) en fonction de la longueur de la cavité. La moyenne pour l'eau distillée était de (1.4460.011) × 10 ⁻³ cm ² /s, qui diffère de < 1% de la littérature [56]. La figure 7 montre les tracés linéaires de l'amplitude logarithmique en fonction de la longueur de la cavité de l'Al₂ O₃ nanofluides à différents temps d'irradiation laser de 0 à 30 min en fonction de la longueur relative de la cavité. Les pentes du signal PE (ln (amplitude), phase et moyenne) et les valeurs de diffusivité thermique résultantes mesurées dans le présent travail sont résumées dans le tableau 1.

Amplitude logarithmique typique en fonction de la longueur relative de la cavité de Al₂ O₃ nanofluides à différents temps d'irradiation [0, 10 et 30 min]

La diffusivité thermique a montré une amélioration par rapport au fluide de base. Cependant, pour le nanofluide sans irradiation, la diffusivité thermique était de (1,444 ± 0,008) × 10 ⁻³ cm ² /s, qui était inférieur au fluide de base. Cela pourrait être dû à la faible diffusivité thermique du PVP dans les nanofluides. La diffusivité thermique a augmenté progressivement d'environ 3 à 6 % après irradiation laser, ce qui a été défini comme un effet de vieillissement [56, 57]. L'augmentation de la diffusivité thermique avec un temps d'irradiation plus long était une conséquence de la diminution de la taille des amas et des agglomérats, en raison de la fragmentation des plus grandes NP [7,8,9,10]. Généralement, la densité du nombre de particules ou de fractions volumiques des particules augmentait et il était évident que la réduction de la taille des particules augmentait les effets de mélange à l'échelle nanométrique, tels que les mouvements browniens [56]. Par conséquent, cela pourrait aider à améliorer la diffusivité thermique des nanofluides. Cependant, l'augmentation du nombre de particules dans la solution a eu une influence sur le taux de fragmentation laser, en raison de l'atténuation de la lumière laser dans le liquide à des concentrations élevées.

En principe, l'interaction entre le faisceau laser CW (dans notre expérience 10 ³ W/cm ² ) et l'Al₂ O₃ clusters est régie par des effets thermiques qui dépendent des caractéristiques du rayonnement laser et de la nature de la particule. Par conséquent, des recherches considérables ont été dirigées vers la réduction de la taille des particules à l'aide de divers lasers nanoseconde (ns) et femtoseconde (fs) fonctionnant à différentes durées d'impulsion [13,14,15,16,17,18,19, 21, 25, 26,27]. Par coïncidence, le même résultat a été obtenu grâce à nos expériences. En raison des nanofluides, dans l'irradiation laser, le temps a principalement affecté les particules plutôt que leur taille. Cela était probablement dû à l'effet de l'irradiation laser sur la fragmentation des particules agglomérées en plus petites NP, augmentant ainsi la distribution homogène des particules de l'Al₂ O₃ nanofluides. 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

• Je _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

Abréviations

3-D:

Tridimensionnel

CW:

Onde continue

DW:

Eau déminéralisée

NP :

Nanoparticules

PE:

Pyroelectric

PVDF :

Polyvinylidene difluoride

PVP :

Polyvinylpyrrolidone

S/N:

Signal-to-noise

V :

Amplitude of PE signal