CC BY
119
НАНОСИСТЕМЫ: ФИЗИКА, ХИМИЯ, МАТЕМАТИКА, 2012, 3 (1), С. 27-33 УДК 536.223
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НАНОЖИДКОСТЕЙ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ
ОКСИДА АЛЮМИИЯ
С. П. Бардаханов1, С. А. Новопашин2, М. А. Серебрякова2
1 Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН,
Новосибирск, Россия
2Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, Новосибирск, Россия
PACS 66.25^
В работе экспериментально исследована теплопроводность наножидкостей на основе наночастиц оксида алюминия (средний диаметр частиц 13 нм). В качестве базовых жидкостей использованы этиленгликоль и изопропанол. Для измерений использован нестационарный метод нагретой проволочки. Показано, что теплопроводность наножидкостей при малых объёмных концентрациях наночастиц А1203 (<0,5 %) соответствует классической теории Максквелла. С дальнейшим ростом концентрации наночастиц в этиленгликоле теплопроводность отклоняется от теории в меньшую сторону, так как становится агрегативно неустойчивой, а в изопропаноле наблюдается аномальное отклонение от теории в большую сторону. В заключение обсуждаются возможные причины наблюдаемого явления.
Ключевые слова: наножидкость, теплопроводность. 1. Введение
Суспензии на основе наночастиц твердой фазы названы наножидкостями [1]. Теплопроводность суспензий с малой концентрацией частиц твердой фазы может быть описана теорией Максквелла [2]. Теория построена на основе ряда допущений: 1) концентрация частиц твердой фазы мала (расстояние между частицами существенно превыщает их размер); 2) частицы неподвижны в жидкости; 3) частицы имеют сферическую форму; 4) для описания процесса теплопередачи справедливы уравнения кондуктивной теплопроводности. При использовании частиц нанометрового диапазона некоторые предположения могут нарушаться, в частности, наночастицы подвержены броуновскому движению и поверхностные явления могут играть заметную роль в процессе теплопередачи.
Наряду с фундаментальными проблемами описания теплопроводности наножидкостей, возможно их широкое практическое использование. С ростом производительности электронных устройств и развитием высокоэнергетичных технологий возникает необходимость создания эффективных охлаждающих систем и управления большими тепловыми потоками. Один из способов интенсификации теплообмена - повышение теплопроводности жидкости путём добавления твёрдых частиц с высокой теплопроводностью. Особый интерес при создании таких суспензий представляют наночастицы. В отличие от частиц микронного размера они медленнее осаждаются, не приводят к засорению и износу каналов и не подавляют турбулентность дисперсной фазы. Возможность их использования при создании эффективных теплоносителей является дополнительным стимулом для проведения многочисленных исследований.
Однако многие полученные к настоящему времени экспериментальные данные имеют большой разброс и зачастую противоречат друг другу. Часть данных свидетельствует об аномальном увеличении теплопроводности наножидкостей по сравнению с теорией [312]. Но в ходе совместных исследований, проведенных организациями из разных стран, аномального увеличения теплопроводности при малых концентрациях наночастиц не обнаружено [13].
Классификация наножидкостей и анализ теоретических подходов к моделированию коэффициентов переноса проведены в [14]. В частности отмечено, что строгая теория процессов переноса в наножидкостях пока не развита, а применение моделирования теплопроводности методами молекулярной динамики все таки дает предсказания отличные от классической теории.
Большой разброс экспериментальных данных связан с рядом объективных причин: методикой синтеза наночастиц, функцией распределения наночастиц по размерам, технологией приготовления наножидкости, а также методом измерения теплопроводности и интерпретации результатов.
Цель данной работы состоит в измерении теплопроводности наножидкостей на основе наночастиц А1203 и сравнении полученных результатов с классической теорией Максвелла.
2. Эксперимент
В работе использовались наночастицы оксида алюминия (Degussa, Germany). По данным производителя, средний диаметр частиц составляет 13 нм, удельная площадь поверхности 100 м2/г. На рисунке 1 показаны фотография, полученная на электронном просвечивающем микроскопе и гистограмма распределения частиц по размерам (Рис. 2).
Рис. 1. Микрофотография порошка А1203.
Для синтеза наножидкостей герметично закрытые пробирки со смесями необходимого количества базовой жидкости и порошка наночастиц помещались в ультразвуковую баню, мощность ультразвукового диспергатора 80 Вт, и обрабатывались в течение часа. Измерения теплопроводности проводились при температуре 25°С, для чего пробирки с наножидкостями помещались в жидкостный термостат.
Измерения теплопроводности наножидкостей проводились при помощи нестационарного метода нагретой проволочки, реализованного в виде прибора для сопоставления теплового сопротивления жидкостей [15]. Используется платиновая проволочка диаметром 20 мкм и длиной 5 мм. Проволочка нагревается коротким импульсом тока. В дальнейшем
Рис. 2. Гистограмма распределения наночастиц по размерам
происходит остывание проволочки за счет теплообмена с жидкостью. Эта же проволочка используется в качестве термометра сопротивления. Динамика остывания проволочки связана с теплопроводностью окружающей жидкости. Метод позволяет получить относительные величины. Для проведения количественных измерений требуются калибровочные измерения теплопроводности. В качестве измеряемой величины выбран интеграл напряжения на проволочке за определенное время. Калибровочная кривая зависимости табличного значения теплопроводности от интеграла напряжения приведена на Рис. 3. В качестве реперных точек использованы ВМ-4; 2 —этанол; 3 — 25% этанола, 75% воды; 4 —этилен-гликоль; 5 — 50% этанола, 50% воды; 6 — 75% этанола, 25% воды; 7 — вода.
Эта кривая использовалась для измерения теплопроводности синтезированных на-ножидкостей.
3. Результаты измерений и обсуждение результатов
3.1. Наножидкости на основе этиленгликоля и наночастиц А1203
Для измерений было приготовлено пять наножидкостей на основе этиленгликоля и наночастиц оксида алюминия с объёмными концентрациями наночастиц: 0,28, 0,56, 0,84, 1,12 и 1,40%. Результаты измерений и прямая, соответствующая теории Максвелла, показаны на Рис. 4. Погрешность измерений не превышает размера точек на графике. Сравнение полученных данных с теорией говорит о том, что для малых объёмных концентраций (до ~ 0,5%) теория Максвелла справедлива. С увеличением концентрации наножидкость становится неустойчивой к агломерации, что регистрировалось по выпадению осадка. Это привело к стабилизации величины теплопроводности на определенном уровне.
На рисунке 5 приведено сопоставление полученных данных с результатами, для на-ночастиц большего диаметра [16]. Как видно, жидкости на основе более крупных частиц оставались устойчивыми, и их теплопроводность достаточно хорошо согласуется с теплопроводностью, предсказанной теорией, до больших объемных концентраций наночастиц. Вероятно, это связано с двумя факторами: во-первых, различие морфологии поверхности наночастиц вследствие синтеза их различными методами и, как следствие, стабилизация наножидкостей за счёт двойного электрического слоя происходит по-разному; во-вторых,
Рис. 3. Калибровочная кривая: 1—ВМ-4; 2 —этанол; 3—25% этанола, 75% воды; 4 —этиленгликоль; 5 — 50% этанола, 50% воды; 6 — 75% этанола, 25% воды; 7 — вода
Рис. 4. Зависимость теплопроводности наножидкости на основе этиленгли-коля от объемной концентрации наночастиц.
частицы меньшего диаметра имеют меньшую массу и более подвижны, а расстояние между ними меньше, чем между крупными частицами при той же объёмной концентрации, поэтому вероятность образования ими агломератов, выше.
3.2. Наножидкости на основе изопропанола и наночастиц А1203
Для экспериментов было приготовлено девять наножидкостей на основе изопропанола и наночастиц оксида алюминия с объёмными концентрациями: 0,20, 0,40, 0,59, 0,79, 0,99, 1,19, 1,38, 1,58 и 1,78%. Была проведена серия измерений: после приготовления образцов, спустя 11 дней и спустя 21 день после приготовления. Экспериментальные результаты и прямая, соответствующая теории Максвелла, представлены на Рис. 6. Значения точек
Рис. 5. Сравнение с ранее опубликованными данными [16] для наножидкостей на основе этиленгликоля.
на графике — результат усреднения серии измерений, погрешность не превышает размеров самих точек.
Усреднённые результаты измерений и погрешность показаны на рисунке 7. В отличие от этиленгликоля, наножидкость остается устойчивой вплоть до концентраций 2%. Однако, при концентрациях выше 0.5% теплопроводность наножидкости на основе изо-пропанола проявляет аномальные свойства: экспериментальные данные дают значение, превышающее предсказания теории. Кроме того, следует отметить, что измерения, проведенные в разное время, после синтеза наножидкости дают заметный разброс данных, в то время как погрешность каждого конкретного измерения укладывается в размер точки на графике.
1,6 1,5 ^ 1,4
х
н
9
л 1,3
Ё5
0
1 1,2 □
о □
=- 1,1 с
0,9
*
: |
*
л а ! !
л п ____*____ : |
п □ *_ ■ | |
^—Теория Максвелла □ А1203+изопропанол • А1203+изопропанол/11дн а А1203+изопропанол/21дн
0,0% 0,4% 0,8% 1,2% 1,6% Объёмная концентрация, %
Рис. 6. Зависимость теплопроводности наножидкости на основе изопрапа-нола от объемной концентрации наночастиц.
Экспериментальные данные показывают, что отклонение от теоретических значений для обеих жидкостей происходит при концентрациях наночастиц выше 0.5 %. Это может
1,6 1,5
4
х 1.4
н о
-а 1 3 Ь '
0
1 1,2
о а
| 1,1
0,9
! : :
1 ! Г 5 .... :......
; | 1
! 1 1 н I; | 1
, 4 I ;
4-,->.1д.----н............♦............-............
-Теория
Максвелла • А12О0,
13нм/изопропанол
0,0% 0,4% 0,8% 12%
ОЗъг шая концентрация, %
1 ,6%
2,0%
Рис. 7. Осредненная зависимость теплопроводности наножидкости на основе изопрапанола от объемной концентрации наночастиц.
быть связано с тем, что для данных концентраций нарушаются допущения, положенные в основу теории. Устойчивость наножидкостей обеспечивается величиной потенциального барьера, возникающего вследствие двойных электрических слоев на границе жидкость — наночастица. Величина этого барьера зависит от электрохимического потенциала наночастиц в определенной жидкости, и очевидно, определяет различие устойчивости различных наножидкостей. Увеличение концентрации наночастиц увеличивает вероятность их непосредственного контакта вследствие броуновского движения, что может приводить к агломерации наночастиц.
Проблема аномального увеличения теплопроводности наножидкости на основе изо-прапагола более сложная. Учитывая, что в экспериментах наблюдается существенный разброс данных, полученных с большим временным интервалом, можно предположить, что в наножидкости реализуются случайные перколяционные цепи наночастиц, структура которых изменяется вследствие присоединения новых наночастиц и разрыва каких-либо цепей. Таким образом, наличие перколяционных цепей наночастиц может приводить к аномальному росту теплопроводности, а различные значения теплопроводности, измеренные с большим временным интервалом, связаны со случайным распределением перколяционных цепочек по длине и ориентации.
4. Заключение
В ходе выполнения работы были получены следующие результаты:
(1) Показано, что теплопроводность наножидкостей при малых объёмных концентрациях наночастиц А1203 (<0,5 %) соответствует классической теории Максквелла,
(2) Обнаружено, что с ростом концентрации наночастиц в этиленгликоле теплопроводность отклоняется от теории в меньшую сторону, так как наножидкость становится агрегативно неустойчивой.
(3) Обнаружено, что теплопроводность наножидкости на основе изопрапанола для концентрации наночастиц А1203 выше 0.5 % обладает аномальной теплопроводностью. Предложена перколяционная модель этого явления для подтверждения которой требуется проведение дополнительных исследований.
Благодарности
Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 09-08-00282), гранта Президента РФ по поддержке ведущих научных школ НШ-3563.2010.1.
Литература
[1] Choi S.U.S. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles, in: D.A. Siginer, H.P. Wang (Eds.). Developments and Applications of Non-Newtonian Flows, 1995, FED-231/MD 66, ASME, New York, 99-105.
[2] Maxwell J.C. A Treatise on Electricity and Magnetism, 2nd ed. — Oxford: Clarendon Press. — 1881, 1, 435.
[3] Eastman J.A., Choi S.U.S., Li S., Thompson L.J., Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids // Proceedings of the Symposium on Nanophase and Nanocomposite Materials II. Materials Research Society, USA -1997. —457. — 3-11.
[4] Eastman J.A., Choi S.U.S., Li S., Yu W., Thompson L.J. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycolbased nanofluids containing copper nanoparticles // Applied Physics Letters. — 2001. —78. —718-720.
[5] Lee S., Choi S.U.S., Li S., Eastman J.A. Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles. // Journal of Heat Transfer. — 1999. — 121. — 280-289.
[6] Wang X., Xu X., Choi S.U.S. Thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture. // Journal of Thermophysics and Heat Transfer. — 1999. — 13. —474-480.
[7] Xuan Y., Li Q. Heat transfer enhancement of nanofluids. // International Journal of Heat and Fluid Flow. — 2000. —21. —58-64.
[8] S.K. Das, N. Putra, P. Thiesen, W. Roetzel, Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids // Journal of Heat Transfer. — 2003. — 125. — 567-574.
[9] Murshed S.M.S., Leong, K.C. Yang C. Enhanced thermal conductivity of TiO2-water based nanofluids // International Journal of Thermal Sciences. — 2005. —44. —367-373.
[10] Hong T., Yang H., Choi C.J. Study of the enhanced thermal conductivity of Fe nanofluids. // Journal of Applied Physics. — 2005. — 97. — 064311-1-064311-4.
[11] Li C.H., Peterson G.P. Experimental investigation of temperature and volume fraction variations on the effective thermal conductivity of nanoparticle suspensions (nanofluids). // Journal of Applied Physics. —
2006. — 99. — 084314-1-084314-8.
[12] Wang X.Q, Mujumbar A.S. Heat transfer characteristics of nanofluids: a review. // Inter. J. Therm. Sci. —
2007. —46. —1-19.
[13] Buongiorno J., Venerus D. C., Prabhat N. et al., A benchmark study on the thermal conductivity of nanofluids, // Journal of Applied Physics. — 2009. — 106. — 094312.
[14] Рудяк В.Я., Белкин А.А. Моделирование коэффициентов переноса наножидкостей // Наносистемы: физика, химия, математика.— 2010. —Т. 1, № 1. —С.156— 177.
[15] Skripov P.V., Smotritskiy A.A., Starostin A.A., Shishkin A.V. A Method of Controlled Pulse Heating: Applications // J. Eng. Thermophys. — 2007. — 16, 3. — 155-163.
[16] Eastman J.A., Choi S.U.S., Li S., Thompson L.J., Lee S. Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids // Proc. Mater. Res. Soc. Symposium. Materials Res. Soc., Pittsburgh, PA. USA. Boston. MA. USA. —1997.—457. —3-11.
