1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

آشنایی با عوامل موثر بر انتقال حرارت در نانوسیالات

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - مهدی صالحی راد , نویسنده دوم - مریم کردانی , نویسنده سوم - فرزانه هاشمی نصر

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : نانوسیال تاریخ مقاله : 1395/11/01 تعداد بازدید : 1047

استفاده از افزودنی های نانوی مناسب جهت بهبود و افزایش خاصیت خنک کاری در دستگاه های صنعتی می تواند در کاهش دمای نقطه داغ، که یکی از محدودیت های طراحی در آن‌ها است، مؤثر بوده و به افزایش توان نامی، کاهش ابعاد و نیز مواد مصرفی در این گونه تجهیزات منجر گردد. مطالعات روی پرکننده های نانو نشان می دهد که افزایش هدایت حرارتی نانوسیال، به متغیرهای زیادی بستگی دارد. از جمله این عوامل می توان به اندازه پرکننده نانو، شکل و مساحت سطح ذره، میزان پرکننده، تجمع ذرات، پایداری، ویسکوزیته، حرکت براونی و اثر دما اشاره کرد. در این مقاله به معرفی این عوامل و چگونگی تأثیرگذاری آن‌ها بر انتقال حرارت نانوسیالات پرداخته شده است.

  

1-مقدمه

با توجه به اهمیت مبحث انرژی در سراسر جهان، افزایش میزان انتقال حرارت به‌وسیله‌ی تجهیزات صنعتی و در نتیجه کاهش اتلاف انرژی، از موضوعات بسیار مهم در این راستا است. به همین دلیل است که مدیریت حرارتی، یک عامل بحرانی در جهت عملکرد مطلوب دستگاه یا ماشین آلات و نیز افزایش عمر مفید آن‌ها به حساب می‌آید. سیستم‌های خنک‌کننده دستگاه‌های الکتریکی، همواره یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های کارخانه‌ها و صنایعی که به نوعی با انتقال گرما روبه‌رو هستند، بوده است. در اکثر مواقع، بهینه‌سازی سیستم‌های انتقال حرارت موجود نظیر فن‌ها، به وسیله افزایش سطح آن‌ها صورت گرفته که عموماً سبب افزایش حجم و اندازه این دستگاه‌ها می‌شود. علاوه‌بر فن‌های خنک کننده، در برخی از سیستم‌ها، از سیال (آب، روغن و...) نیز جهت دفع حرارت ایجاد شده به‌وسیله‌ی سیم‌پیچ‌ها و سایر عوامل، استفاده می‌شود. اما، میزان انتقال حرارت به‌وسیله‌ی این سیالات به دلیل ضریب هدایت حرارتی پایین آن‌ها بسیار اندک است. لذا جهت غلبه‌ بر این مشکلات، به خنک کننده‌‌های جدید و مؤثر به عنوان راهکاری مناسب در این زمینه نیاز خواهد بود.

نانوسیالات که از توزیع ذرات با ابعاد نانو در سیالات معمولی حاصل می‌‌شوند، نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار بالا در کاردبرد‌های صنعتی هستند. این ذرات می‌توانند از جنس نانوذرات فلزی (مس، نقره و...) ، نانوذرات اکسید فلزی (اکسید آلومینیوم، اکسید مس و...) ، نانوتیوب‌ها و نانوصفحات کربنی (کربن نانوتیوب، گرافن) و نانوذرات غیرفلزی (نیترید بور و...) ‌باشند [1]. ذرات نانو به دلیل بالا بودن ضریب هدایتی‌ حرارتی‌شان، سبب افزایش ضریب هدایت حرارتی سیال پس از توزیع در سیال پایه می‌شوند. نتایج آزمایش‌‌هایی که در رابطه با نحوه انتقال حرارت روی چندین نمونه نانوسیال انجام شده است، نشان می‌‌دهد که عملکرد نانوسیالات در انتقال حرارت عموماً بیش از آن چیزی است که به ‌صورت نظری پیش‌بینی شده است [2].

 

2-تهیه سیالات با قابلیت خنک‌کاری بهبود یافته

سیالات خنک‌کننده در بسیاری از زمینه‌های صنعتی مانند الکترونیک، سرمایش، تجهیزات تهویه مطبوع و حمل و نقل کاربرد دارند. هدایت حرارتی این سیالات نقش حیاتی در توسعه وسایل انتقال دهنده حرارت با کارایی بالا ایفا می‌کند. از آن‌جایی که مواد جامد هدایت حرارتی بسیار بالاتری در مقایسه با سیالات مرسوم دارند، ایده وارد کردن ذرات هادی حرارت به سیال، مورد توجه قرار گرفت. این موضوع در بیش از یک قرن پیش به‌وسیله‌ی جیمز کلرک ماکسول[i] مطرح شد [3]. وی از ذرات میلی‌متری یا میکرومتری استفاده کرده و با پراکنده ساختن آن‌ها در سیالات متداول، روشی جهت محاسبه هدایت حرارتی مؤثر سوسپانسیون حاصل شده ارائه نمود. پس از آن، این روش به‌وسیله‌ی همیلتون و کراسر[ii] مورد بررسی قرار گرفت و برای ذرات با اشکال و ترکیبات مختلف به‌کار گرفته شد [4]. با این وجود، هیچ کدام از آن‌ها موفق به پیش‌گویی هدایت حرارتی افزایش یافته نانوسیال نشدند، زیرا در مدل آن‌ها، هیچ گونه وابستگی به اندازه ذره لحاظ نشده بود. استفاده از ذرات میلی‌متری یا میکرومتری در مطالعات اولیه سبب بروز مشکلات بی‌شماری شد که مهم‌ترین آن‌ها ته‌نشینی سریع ذرات بود که نه تنها سبب افزایش هدایت حرارتی نمی‌شد، بلکه منجر به تشکیل رسوبات لجنی، افزایش مقاومت حرارتی و خدشه در ظرفیت انتقال حرارت سیال می‌گردید.

جدول 1، هدایت حرارتی سیالات مرسوم و جامدات فلزی، غیرفلزی و کربنی را نشان می‌دهد [5]. انتقال حرارت با استفاده از مایعات پدیده‌ای بسیار پیچیده بوده و عوامل مختلفی مانند پایداری سیال، ترکیب درصد، ویسکوزیته، بار سطحی و مورفولوژی ذرات پراکنده شده، نتایج نهایی را تحت تأثیر قرار می‌دهند [6]. بهینه‌سازی عوامل ذکر شده و در نتیجه بهره‌وری بالا از قطعات و دستگاه‌ها بسیار حائز اهمیت است؛ چرا که این عوامل نقش مهمی در زمینه‌های مختلف نظیر میکروالکترونیک، موتورها، پیل سوختی، تهویه مطبوع، سیستم انتقال قدرت، سلول‌های خورشیدی، درمان و تشخیص پزشکی، بیوداروها و.... ایفا می‌کنند [7].

در راستای توضیحات ذکر شده، محققان از فناوری نانو جهت رفع نقایص سیال حاوی میکرو (میلی) ذرات و دستیابی به سیال مطلوب با ویژگی‌های مورد نظر استفاده کردند. بنابراین، در این راستا فناوری نانوسیال[iii] همگام با مطالعات سیالات انتقال دهنده حرارت، به عنوان گزینه‌ای جدید ارائه گردید و مقالات مروری مختلفی در این زمینه به چاپ رسید [8 و 9].

زمانی که جامدات کریستالی با ابعاد نانومتری در سیال مورد نظر جهت تهیه سوسپانسیون همگن پایدار پراکنده می‌شود، و هدایت حرارتی سیال حاصل بالاتر از سیال خالص باشد، به سوسپانسیون ذکر شده "نانوسیال" گفته می‌شود. به بیانی دیگر، بر پایه گزارش آزمایشگاه ملی آرگان[iv] در آمریکا که به‌وسیله‌ی چو[v] و همکاران [10] و با تلفیق فناوری نانو و مهندسی حرارت بیان گردید، نانوسیالات دسته‌ای از مواد کامپوزیتی جامد- مایع حاوی نانوذرات جامد (در گستره nm100-1) پراکنده شده در سیال انتقال دهنده حرارت مانند اتیلن گلیکول، آب و یا روغن هستند.

مطالعه در زمینه نانوسیالات رو به افزایش بوده و به حدود 1400 مقاله معتبر علمی در سال 2015 رسیده است. امروزه، نانوسیالات با هدایت حرارتی بالاتر نسبت به سیال پایه در جهت خنک‌کاری و دفع حرارت، نه تنها سبب افزایش طول عمر مفید قطعات شده، بلکه منجر به کاهش مطلوب اتلاف انرژی که از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، می‌شود [11]. از این رو، ظهور سیستم‌های انتقال حرارت بر پایه نانوسیالات، سبب بهبود خواص حرارتی، فیزیکی و الکتریکی دستگاه‌ها می‌شود. از آن‌جایی که دستیابی به دانش فنی تهیه نانوسیالات با حداقل غلظت از پرکننده که سبب افزایش ویسکوزیته سیال نشود و در عین حال هدایت حرارتی مطلوبی از خود نشان دهد حائز اهمیت است، مطالعات زیادی روی پرکننده‌های ‌نانو جدید و نیز نحوه تهیه نانوسیالات مربوطه که بتوانند هدایت حرارتی سیال را در ازای درصد کمی از پرکننده افزایش دهند، صورت پذیرفته است [12]. لازم به ذکر است که در برخی از موارد، برای بهبود پراکندگی نانوذرات در سیال و همچنین افزایش پایداری و خواص سیال مورد نظر، واکنش‌های اصلاح سطح روی نانوذرات صورت می‌گیرد.

 

3-نانوسیالات: متغیرهای انتقال حرارت و ویژگی‌ها

افزایش هدایت حرارتی نانوسیال به متغیرهای زیادی بستگی دارد که سبب بروز ویژگی‌های مختلف در این مواد می­شود. در ذیل به این موارد اشاره شده‌ است.

 

3-1- اندازه پرکننده نانو

مطالعات مختلف نشان می‌دهد که هر چه اندازه نانوذرات کوچک‌تر باشد هدایت حرارتی مؤثر آن‌ها بالاتر خواهد بود که ناشی از حرکات براونی[vi] آن‌ها است [13]. همچنین، نانوذرات سبک‌تر و کوچک‌تر در برابر ته‌نشینی و ایجاد رسوب که یکی از بزرگترین چالش‌های تکنیکی در اکثر نانوسیالات است، مقاومت می‌کنند [14]. در این راستا، مرتضوی و همکاران در تحقیق خود با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به بررسی تأثیر اندازه ذره روی خواص هدایت حرارتی صفحات h-BN کریستالی پرداختند [15]. آن‌ها مدل‌های اتمی بزرگی از صفحات h-BN پلی کریستالی با پیکربندی یکنواخت و تصادفی تهیه کردند. نتایج حاصل از تحقیقات آن‌ها نه تنها دیدگاهی عمومی در رابطه با هدایت حرارتی برای فیلم‌های h-BN ارائه نمود، همچنین نشان داد که صفحات h-BN پلی کریستالی در مقایسه با صفحات   h-BN تک کریستالی هدایت حرارتی بالاتری دارند.

 

3-2- شکل ذره/مساحت سطح

مطالعات زیادی نشان داده است که نانوذرات میله‌ای شکل مانند کربن نانوتیوب، از ضریب انتقال حرارت بالاتری در مقایسه با نانوذرات کروی برخوردار هستند [16] که به دلیل بزرگتر بودن نسبت ابعاد (نسبت بین مساحت سطح یک ذره به حجم آن) نانوذرات میله‌ای شکل نسبت به نانوذرات کروی خواهد بود. در مورد ساختارهای مختلف h-BN، نتایج نشان می‌دهد که نانوریبون‌های h-BN هدایت حرارتی بالاتری (W/mK 2000-1700) [17] نسبت به نانوصفحات (W/mK 1000-100) [18] و نانوتیوب‌های آن (W/mK 960-46) [19] دارند.

 

3-3- میزان پرکننده

احتمالاً، فاکتور اساسی در بهبود هدایت حرارتی، مربوط به غلظت پرکننده نانو پراکنده شده در سیال است. هدایت حرارتی مؤثر نانوسیالات با افزایش میزان پرکننده افزایش می‌یابد، اما باید در نظر داشت که افزایش درصد پرکننده سبب می‌گردد تا تلقی لفظ نانوسوسپانسیون به نانوسیال مذکور، قابل قبول نباشد. همچنین، این عمل منجر به افت فشار جریان سیال خواهد شد. به همین دلیل است که استفاده از پرکننده در درصدهای پایین، بسیار مؤثرتر خواهد بود. در درصدهای پایین پرکننده، نانوساختارها حرکات براونی بیشتری در دمای بالا دارند که سبب افزایش چشمگیر keff خواهد شد. در مقابل، در درصدهای بالاتر از پرکننده، نانوذرات تمایل به تجمع در دماهای بالا را از خود نشان می‌دهند [20]. در مورد سیستم‌های نانو h-BN نیز با افزایش درصد پرکننده در سیال، هدایت حرارتی افزایش خواهد یافت.

 

3-4- تجمع ذرات

یک چالش مهم در مورد نانوسیالات آن است که نانوذرات به دلیل برهم‌کنش‌های مولکولی مانند نیروهای واندروالسی، تمایل به تجمع دارند [20 و21]. از این‌‌رو، با افزایش درصد پرکننده، تجمع ذرات نیز بیشتر می‌شود. همچنین، ویسکوزیته سیستم افزایش یافته و با کاهش نسبت مساحت سطح مؤثر به حجم، عملکرد حرارتی سیال نیز کاهش می‌یابد. در مطالعه‌ای، از نانوذرات پودری h-BN به عنوان پرکننده در سیال اتیلن گلیکول استفاده شد [22]. پس از تهیه نانوسیال با مقادیر پرکننده vol% 025/0 و vol% 2/0 و بررسی خواص هدایت حرارتی آن‌ها، نتایج نشان داد که هدایت حرارتی برای نانوسیال با vol% 025/0 پرکننده بالاتر از دیگری است. با توجه به تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا[vii] ( (HRTEM و مورفولوژی نانوسیالات (شکل 1) ، آن‌ها دریافتند که در درصد کمتر، ذرات به صورت تجمعات ضعیف زنجیره‌ای مانند به عنوان یک شبکه متراکم سه بعدی و هادی حرارت بوده، در حالی که برای درصد بالاتر، تجمعات فشرده ابر مانند و کاهش مسیرهای انتقال حرارت، مشاهده می‌شود.

 

3-5- پایداری

پایداری به معنای عدم تجمع ذرات در یک سرعت معنی‌دار است. عموماً، سرعت تجمع از طریق فرکانس برخورد و احتمال به‌هم‌چسبیدگی در حین برخورد، تعیین می‌شود. در این رابطه، دو سازوکار وجود دارد:  (1) پایداری الکترواستاتیک،  (2) پایداری فضایی.

پایداری الکترواستاتیک: حضور بار الکتریکی روی سطح ذرات منجر به پایداری سنتیکی آن‌ها خواهد شد. در مطالعه­ای، طی فرآیند مکانیکی- شیمیایی و با ایجاد گروه‌های آمینی روی سطح نانوصفحات، کلوئید آبی پایدار نانوصفحات تهیه شد (شکل (a) 2) [16]. پتانسیل زتا برای نیترید بور اولیه در آب برابر با mV 44- به دست آمد که به دلیل آب‌گریز بودن نیترید بور و اندازه ذرات بزرگ آن، قادر به پراکنش مطلوب در فاز آبی نیست. پس از اصلاح نانوصفحات با گروه‌های آمین، پتانسیل زتا برابر با mV 34- حاصل شد که نشان دهنده اثر خنثی شدن جزئی بین گروه‌های NH3+ با بار مثبت و گروه‌های حاوی اکسیژن تشکیل شده روی سطح نیترید بور (در تماس با آب) با بار منفی خواهد بود. علاوه‌بر پایداری الکترواستاتیکی، پخش یک دست نانوصفحات ناشی از افزایش خاصیت آب‌دوستی به دلیل اتصال گروه‌های آمینی، ضخامت کم صفحات و پراکندگی یکنواخت پس از آسیاب شدن ساچمه‌ای خواهد بود.

پایداری فضایی: پایداری فضایی از طریق احاطه شدن ذره به‌وسیله‌ی لایه‌هایی از مواد که از لحاظ فضایی حجیم هستند، مانند پلیمرها یا عوامل فعال سطحی صورت می‌پذیرد. چنین عوامل اصلاح‌کننده با ابعاد بزرگ سبب ایجاد سد فضایی در برابر تجمع ذرات می‌شوند. برای مثال، جهت تهیه نانوصفحات چند لایه با تعداد لایه اندک از پودر تجاری  h-BN، می‌توان از بازهای لوئیس مانند مولکول‌های آمین بلند زنجیر آب دوست یا آب گریز در راستای تشکیل کمپلکس با اتم‌های بور که دارای کمبود الکترون هستند، استفاده نمود. با عامل‌دار شدن سطحی نانوصفحات و ورقه‌ای شدن آن‌ها در فاز محلول، در راستای تشکیل تک لایه‌ها یا چندلایه با تعداد لایه اندک (تا 6 لایه)، پراکنده شدن یکنواخت و پایداری آن‌ها در حلال افزایش می‌یابد که ناشی از ایجاد ممانعت فضایی است (شکل (b) 2). نتایج نشان داد که عامل‌دار شدن صفحات و در نتیجه ضخامت در بخش‌های خارجی، بیشتر از بخش‌های داخلی خواهد بود که احتمالاً به دلیل تاخوردگی صفحات از لبه‌ها و پوشیده شدن آن قسمت‌ها با عامل واکنش دهنده است. از سایر بازهای لوئیس مورد استفاده جهت ورقه‌ای نمودن صفحات h-BN می‌توان به آب، بازهای معدنی مانند هیدروکسید سدیم و پتاسیم، ترکیبات فسفینی و یا آمینی نوع اول، دوم و سوم، آمینواسیدها، پروتئین‌ها، تیول‌ها و یا مخلوطی از آن‌ها اشاره نمود [23].

عوامل فعال سطحی نیز جهت پایداری نانوسیالات به کار می‌روند. با این وجود، قابلیت استفاده از عامل فعال سطحی در دمای بالا یک نگرانی بزرگ به حساب می‌آید، زیرا در آن دما پیوند بین نانوذرات و عامل فعال سطحی تخریب می‌شود. در نتیجه، نانوسیال پایداری خود را از دست داده و ته نشین خواهد شد. همچنین، اضافه کردن عامل فعال سطحی سبب بروز مشکلاتی از جمله کاهش هدایت حرارتی نانوسیال می‌شود [24]، زیرا در اثر گرم شدن تشکیل فوم می‌دهد، این در حالی است که گرم شدن و سرد شدن به عنوان فرآیندهای عادی در سیستم‌های تبادل‌کننده حرارت محسوب می‌شود. علاوه‌بر آن، مولکول‌های عامل فعال سطحی متصل شده به سطح نانوذرات، سبب افزایش مقاومت حرارتی بین نانوذرات و سیال می‌شود که این موضوع میزان هدایت حرارتی مؤثر را کاهش می‌دهد.  در مطالعه­ای، از عامل فعال سطحی کوپلیمری PluronicF68 که متشکل از بلوک آب‌گریز پلی پروپیلن اکساید (PPO) در وسط و دو بلوک آب‌دوست پلی اتیلن اکساید (PEO) در دو طرف است نیز برای افزایش پایداری نانوصفحات در محلول آبی استفاده گردید [25]. بلوک PPO از طریق برهمکنش‌های آب‌گریز به صفحات h-BN جذب شده، در حالی که بلوک PEO در فاز آبی قرار گرفته و با ایجاد ممانعت فضایی مؤثر، سبب ورقه‌ای شدن و پایداری موفقیت آمیز صفحات می‌شود (شکل (c) 2). F68 در مقایسه با عوامل فعال سطحی یونی کوچک مولکول، نظیر سدیم کولیت، قادر به کاهش چگالی نانومواد پراکنده شده در حلال بوده که این امر به دلیل درصد هیدراسیون بالای آن است. همچنین به دلیل طبیعت غیریونی‌اش، F68 ناخالصی‌‌ها را از یون‌های متحرک حذف می‌کند. این امر برای سیستم‌های دی‌الکتریک اهمیت دارد، زیرا یون‌های متحرک ممکن است سبب به دام افتادن بار شوند و به سیستم آسیب برسانند [25].

در مطالعه‌ای دیگر، نانوصفحات نیترید بور هیدروکسیل‌دار شده تهیه شد [26]. بدین ترتیب که پس از حرارت دادن h-BN در هوا، حجم زیادی از اکسیژن را وارد شبکه نیترید بور ساخته و پس از آن، صفحات نیترید بور در آب بدون یون برای تهیه محصول مورد نظر هم زده شد. نتایج نشان داد که این صفحات قادر به تشکیل سوسپانسیون پایدار بدون استفاده از فراصوت دهی خواهند بود (شکل (a و b) 3) ؛ البته استفاده از امواج فراصوت ملایم جهت افزایش سرعت پخش صفحات نیاز خواهد بود. ضخامت به دست آمده برابر با nm 69/0 بوده که با توجه به ضخامت تک لایه‌ای نیترید بور (nm 33/0) ، ورقه‌ای شدن تا 2 لایه ضخامت صورت گرفته است. بازده سیستم پراکنده شده برابر با 65% گزارش شد.

 

3-6- ویسکوزیته

ویسکوزیته در نانوسیالات، به ژئومتری و خواص سطح پرکننده بستگی دارد. بر اساس مطالعات انجام شده، تجمع ذرات سبب افزایش ویسکوزیته می‌شود که به دلیل محدود شدن ساختاری برای حرکات براونی چرخشی و انتقالی است. گروهی از محققان به بررسی روغن معدنی حاوی نانوساختارهای دو بعدی h-BN و گرافن در درصدهای پایین      (wt% 1/0>) پرداختند [7]. مشاهده شد که ویسکوزیته نانوسیال به طور قابل توجهی با افزایش دما، کاهش می‌یابد (از mm2/s 16 در دمای اتاق به mm2/s 2/2 در دمای C° 100) ، این در حالی است که افزایش ویسکوزیته با افزودن پرکننده‌های دو بعدی بسیار کوچک خواهد بود (2% در دمای C°40 >). این امر به عنوان یک مزیت برای سیستم‌های با مقادیر کم پرکننده به حساب می‌آید، زیرا افزایش در ویسکوزیته، هدایت حرارتی و نیز خواص جریان سیال را کاهش می‌دهد. علاوه‌بر آن، افزایش نسبی کوچک در ویسکوزیته (30%>) در wt% 35/0 پرکننده h-BN، نشان دهنده عدم تجمع ذرات در سیال است.

 

3-7- حرکت براونی

محققان زیادی دریافتند که حرکات براونی، که حرکات نامنظم و تصادفی ذرات هستند به عنوان سازوکار کلیدی انتقال حرارت در نانوسیالات به حساب می‌آیند. حرکات براونی تنها زمانی وجود دارد که ذرات بسیار کوچک در سیال باشند؛ به گونه‌ای که با افزایش اندازه ذرات، اثر حرکات براونی از بین می‌رود. در مطالعه‌ای، چهار میکروسازوکار ممکن برای افزایش هدایت حرارتی نانوسیالات بیان شد که شامل برخورد بین مولکول‌های سیال، نفوذ گرما بین نانوذرات معلق در سیال، حرکات براونی و برهم‌کنش گرمایی نانوذرات درحال حرکت با مولکول‌های سیال هستند که در بین آن‌ها، حرکت براونی به عنوان عامل اصلی هدایت حرارتی انتخاب شد [6 و 27]. در مورد نانوسیالات بر اساس ذرات h-BN حرارت به واسطه دو سازوکار انتقال می‌یابد. ذرات h-BN کانال‌های نفوذ گرما ایجاد کرده که الکترون‌ها از طریق آن حرارت را انتقال می‌دهند. حرکات براونی ذرات، سازوکار دوم انتقال حرارت است که حرکات ذرات در آن منجر به انتقال حرارت می‌شود [22].

 

3-8- اثر دما

هدایت حرارتی مؤثر نانوسیالات و حرکات براونی آن‌ها با افزایش دما، افزایش می‌یابد. گروهی از پژوهشگران، وابستگی دمایی (از C° 25 تا C° 50) نانوصفحات h-BN پراکنده شده در سیال روغن معدنی را بررسی کردند [7]. مشاهده شد که هدایت حرارتی نانوسیال با افزایش دما و غلظت h-BN، افزایش می‌یابد؛ در حالی که هدایت حرارتی سیال بدون پرکننده، با تغییر دما دستخوش تغییر نمی‌شود. عامل افزایش هدایت حرارتی نانوسیال بر پایه h-BN با افزایش دما، تنها ناشی از پدیده نفوذ[viii] نیست، بلکه حرکات براونی نیز در این افزایش مؤثر بوده است. به‌گونه‌ای که80% افزایش هدایت حرارتی برای نانوسیال مذکور با غلظت 1/0% در دمای تا C° 50 مشاهده شد.

 

نتیجه‌گیری

نانو سیالات نسل جدیدی از سیالات با پتانسیل بسیار زیاد در کاردبرهای صنعتی هستند. در نانوسیالات به علت کوچک بودن ذرات، مقدار قابل توجهی از خوردگی، ناخالصی و مشکلات افت فشار کاهش پیدا می‌کند و پایداری سیالات در مقابل رسوب‌گذاری بهبود چشمگیری می‌یابد. جهت افزایش پایداری سوسپانسیون نانوسیال در جهت افزایش میزان هدایت حرارتی، می‌توان از عوامل فعال سطحی و اتصال فیزیکی یا شیمیایی زنجیره‌های پلیمری بر سطح ساختارهای نانو استفاده کرد. از سایر عوامل مؤثر بر هدایت حرارتی نانو سیال می‌توان به میزان پرکننده نانو، ویسکوزیته نانو سیال و دمای سیستم مورد استفاده، اشاره کرد. وجود پرکننده‌های نانو در نانو سیال باعث تغییر هدایت حرارتی با تغییر دما می‌شود، در حالی که بدون پرکننده هدایت حرارتی وابسته به دما نیست.

 

منابع

[1] K. Jin Lee, S. Yoon, J. Jang, Small, 3 (2007) 1209-1213.

[2] J. Buongiorno, Journal of Heat Transfer, 128 (2006) 240-250.

[3] J. Maxwell, J. Thompson, A Treatise on Electricity and Magnetism. Oxford: Clarendon Press Series, 1881.

[4] R. Hamilton, O. Crosser, Industrial & Engineering Chemistry Fundamental, 1 (1962) 187-191.

[5] J. T. Tijerina, PhD Thesis, Rice University, Houston, Texas, 2013.

[6] P. Keblinski, S. Phillpot, S. Choi, J. Eastman, International Journal of Heat and Mass Transfer, 45 (2002) 855-863.

[7] J. Taha-Tijerina, T. Narayanan, G. Gao, M. Rohde, D. Tsentalovich, M. Pasquali, P. Ajayan, ACS Nano, 6 (2012) 1214-1220.

[8] N. Kumar, P. Singh, A. Redhewal, P. Bhandari, Procedia Engineering, 127 (2015)  1197-1202.

[9] H. Aybar, M. Sharifpur, M. Azizian, M. Mehrabi, J. Meyer, Heat Transfer Engineering, 36 (2015) 1085-1110.

[10] S. Choi and J. Eastman, ASME, 231 (1995) 99-105.

[11] K. Wong, O. De Leon, Advances in Mechanical Engineering, 2010 (2010) 1-11.

[12] Y. Xuan, Q. Li, Journal of Heat Transfer, 125 (2003) 151-155.

[13] M. Chopkar, S. Sudarshan, P. Das, I. Manna, Metall and Mat Trans A, 39 (2008) 1535-1542.

[14] R. Prasher, P. Bhattacharya, P. Phelan, Journal of Heat Transfer, 128 (2006) 588-595.

[15] B. Mortazavi, L. Pereira, J. Jiang, T. Rabczuk, Scientific Reports, 5 (2015) 1-11.

[16] W. Lei, V. Mochalin, D. Liu, S. Qin, Y. Gogotsi, Y. Chen, Nature Communications, 6 (2015) 8849-8856.

[17] T. Ouyang, Y. Chen, Y. Xie, K. Yang, Z. Bao, J. Zhong, Nanotechnology, 21 (2010) 245701-7.

[18] X. Wang, A. Pakdel, J. Zhang, Q. Weng, T. Zhai, C. Zhi, D. Golberg, Y. Bando, Nanoscale Research Letters,7 (2012) 662-667.

[19] J. Wang, C. Lee, Y. Bando, D. Golberg, Y. Yap, B-C-N Nanotubes and Related Nanostructures, Springer, 2009, 23-44.

[20] N. Karthikeyan, J. Philip, B. Raj, Materials Chemistry and Physics, 109 (2008) 50-55.

[21] M. Prakash and E. P. Giannelis, Journal of Computer-Aided Mater Design, 14 (2007) 109-117.

[22] Y. Li, J. Zhou, Z. Luo, S. Tung, E. Schneider, J. Wu, X. Li, Nanoscale Research Letters, 6 (2011) 443-439.

[23] Y. Lin, J. W. Connell, Pub. No.: US 201110045223 Al, 2011.

[24] D. Wu, H. Zhu, L. Wang, L. Liua, Current Nanoscience, 5 (2009) 103-112.

[25] J. Zhu, J. Kang, D. Jariwala, J. Wood, J. Seo, K. Chen, T. Marks, M. Hersam, Nano. Letters, 15 (2015) 7029-7036.

[26] Z. Cui, A.Oyer, A. Jaeton Glover, Hannes C. Schniepp, D.H. Adamson, Small,10 (2014) 2352-2355.

[27] W. Evans, J. Fish, and P. Keblinski, Applied Physics Letters, 88 (2006) 093116-3.