نانو ذرات در روشهای فیزیکی بدون انجام واکنش و فقط توسط فرآیندهای فیزیکی تولید می‌شوند [۷].
الف) روش میعان بخار:
میعان بخار به منظور تهیه نانو ذرات به طور مستقیم از بخار فوق اشباع فلزات از جمله روشهای اولیه برای تولید نانو ذرات می‌باشد. این روش معمولاً شامل دو مرحله است، در مرحله اول نانو پودر فلزی به دلیل اضافه کردن گاز بی‌اثر به محفظه بخار فلز که باعث فوق اشباع شدن می‌گردد، تولید می‌شود (به منظور دست‌یابی به این فوق اشباع شدن بایستی گاز بی‌اثر با فشار بالا وارد مخزن شود) سپس با واردکردن گاز اکسیژن به درون مخزن نانو پودر فلزی اکسید می‌شود و نانواکسید فلزی تشکیل می‌گردد. برای تهیه بخار فلزات از تبخیر گرمایی و تبخیر به کمک لیزر استفاده می‌شود. این روش در مقایسه با روشهای دیگر دارای مزایایی می‌باشد از آن جمله می‌توان به راحتی عملکرد و آنالیز و خلوص بالای محصول تولیدی اشاره کرد همچنین در این روش امکان ایجاد فیلم نازک و پوشش دهی نیز وجود دارد. علیرغم این محاسن هزینه زیاد، بازده کم و همچنین نیاز به کنترل دماهای بالا (به دلیل انجام واکنش در دمای بالا و گرمازا بودن واکنش اُکسایش) از معایب این روش می‌باشد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
ب) روش اسپری پیرولیز:
این روش با نام‌های دیگری از جمله ترمولیز ائروسل، تبخیر پلاسما، و تجزیه ائروسل نیز شناخته می‌شود. ماده اولیه مورد استفاده در این روش معمولاً به صورت نمک محلول یا سل و یا سوسپانسیون اولیه می‌باشد. قطرات تولیدشده تحت اثر حرارت بالا خشک می‌شود و ذرات میکروسکوپی را تولید می‌کنند و در نهایت با عملیات حرارتی به شکل محصول مورد نظر در می‌آیند. به دلیل کم هزینه بودن و همچنین امکان تهیه گستره وسیعی از محلول‌های مختلف به طور عمده از محلول آبی استفاده می‌شود. کلریدها و نیترات‌های فلزی به دلیل حلالیت بالا از جمله مواد مرسوم در این روش می‌باشند. موادی که حلالیت کمی دارند کاربرد چندانی در این روش ندارند. در حین تبدیل قطرات ائروسل به نانو ذرات فرآیندهای مختلفی شامل تبخیر حلال، ترکیب ماده حل شده و ترمولیز ذرات تولیدشده صورت می‌گیرد.از مزایای این روش می‌توان به یک مرحله‌ای بودن و بالا بودن خلوص مواد تولیدشده اشاره کرد. ایراد اصلی این روش نیز استفاده زیاد از حلال می‌باشد که باعث بالا رفتن هزینه تولید می‌شود.
۱-۳-۲-روشهای شیمیایی:
در روشهای شیمیایی ابتدا واکنش شیمیایی بین واکنشگرها صورت گرفته، سپس نانو ذرات تولیدشده از محیط جدا می‌شوند. سنتز شیمیایی شامل تشکیل و رشد ذرات در یک واسطه مایع حاوی انواع واکنشگرها است. به طور کلی برای کنترل شکل نهایی ذرات، روشهای شیمیایی بهتر از روشهای فیزیکی هستند. در روشهای شیمیایی، اندازه نهایی ذره را می‌توان با توقف فرایند در هنگامی که اندازه مطلوب به دست آمد یا با توقف رشد، در یک اندازه خاص کنترل نمود. روش شیمیایی به دلیل چینش مواد در شرایط نانومتری به منظور دست‌یابی به خواص مورد نظر، توانایی منحصر به فردی در زمینه تکنولوژی و علم مواد نانو ساختار دارد [۸].
الف) روش احتراق:
روش احتراق شعله‌ای به طور وسیعی برای تولید پودرهای نانو ساختار اکسید فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش ماده شیمیایی اولیه بخار می‌شود و در فرایند اُکسایش در حضور عامل اشتعال و عامل اکسیدکننده که معمولاً پروپان و اکسیژن و یا متان و هوا می‌باشد اکسید می‌شود و نانو ذره اکسید فلزی را به وجود می‌آورد. شعله معمولاً حرارتی در گستره ۱۲۰۰ تا ٣۰۰۰ درجه کلوین ایجاد می‌کند که باعث تسریع واکنش شیمیایی فاز گاز می‌گردد .
ب) روش مکانوشیمی:
این روش سنتز شامل فعال‌سازی مکانیکی جامد برای قرار گرفتن در شرایط واکنش می‌باشد. در سال‌های اخیر برای تولید نانو ذرات Al2O3 و ZnO به طور وسیعی از این روش استفاده شده است. این روش شامل آسیاب کردن ماده اولیه (معمولاً نمک یا اکسیدهای فلزی) به منظور تهیه یک مخلوط از موادی که قرار است وارد واکنش شوند، می‌باشد که این مخلوط در ضمن آسیاب شدن باهم واکنش داده و نانو ذره اکسید فلزی را به وجود می‌آورند .رسوب‌دهی یا کریستالیزاسیون یک فاز جامد از یک محلول، روش عمومی برای تولید نانو ذرات است. فرایند کلی در این روش عبارت است از واکنش‌هایی که در محلول‌های آبی یا غیر آبی حاوی نمک‌ها و یا مواد محلول انجام می‌پذیرد. پس از این که محلول از حل شونده اشباع شد، با تغییر از حالت اشباع به فوق اشباع، رسوب‌دهی و یا تشکیل کریستال صورت می‌گیرد. می‌توان این فرایند را مشابه یک واکنش شیمیایی در نظر گرفت. بنابراین غلظت واکنش‌دهنده‌ها، دمای واکنش، PH محیط و نسبت افزایش واکنش‌دهنده‌ها به محیط واکنش، بر توزیع اندازه و خواص فیزیکی محصول(کریستال‌های نهایی) موثرند.پتانسیل‌های فراوانی که برای کاربرد نانو ذرات در دنیای فناوری وجود دارد موجب پیدایش تحقیقات فراوانی برای یافتن راه‌های جدید تولید این مواد و بر طرف ساختن مشکلات موجود در مسیر تولید آنها شده است. اهمیت یافتن نانو ذرات در دهه های اخیر نه تنها از اهمیت روشهای قدیمی تولید ذرات نکاسته است بلکه خود باعث به وجود آمدن روشهای نوینی در تولید این ذرات شده است. تولید ذرات نانو به روشهای شیمیایی کاربردهای زیادی در تولید مواد نوری، الکترونیکی، مغناطیسی، زیستی، کاتالیزوری و زیست پزشکی دارد.
۱-۳-۳-روش تولید نانوذرات اکسید مس در معدن مس سرچشمه:
در سال ۱۳۸۹ برای اولین بار نانوذرات اکسیدمس در معدن مس سرچشمه توسط متخصصان داخلی تولید شد. مزیت این روش نسبت به روشهای متداول دیگر، عدم نیاز آن به تجهیزات پیشرفته و مواد آلی گران قیمت و سمی است. محلول کربنات سدیم ۵ مولار را به تدریج به محلول ۵ مولار سولفات مس که در دمای ۵۵ درجه سلسیوس قرار دارد و با همزن به هم میخورد، اضافه میکنیم و این کار را تا زمان تشکیل رسوب سبز رنگ ادامه میدهیم. سپس رسوب حاصل را صاف نموده و ۳ مرتبه با آب مقطر شستشو میدهیم. پس از خشک کردن رسوب در دمای ۸۰ درجه سلسیوس، آنرا به مدت ۲ ساعت در دمای ۷۵۰ درجه سلسیوس قرار میدهیم. محصول نهایی نانوذرات اکسیدمس است که نتایج حاصل از آنالیزهای مختلف نیز این موضوع را تایید می کند.
۱-۴-توزیع نانوذرات در سیال پایه
توزیع ذرات معلق در سیالات مرسوم به ۲ روش انجام می شود.
۱-۴-۱-تکنیک یک مرحله ای
روش دو مرحله‌ای یکی از روشهای متداول تهیه نانو سیالات است که در آن ابتدا نانو ذره یا نانو لوله معمولاً به وسیله روش رسوب بخار شیمیایی (CVD) در فضای گاز بی‌اثر به صورت پودرهای خشک تهیه می‌شود. در مرحله بعد نانو ذره یا نانو لوله در داخل سیال پراکنده می‌شود. برای این کار از روش‌هایی مانند لرزاننده‌های مافوق صوت و یا از سورفکتانت‌ها استفاده می‌شود تا توده‌های نانو ذره‌ای به حداقل رسیده و باعث بهبود رفتار پراکندگی شود. روش دو مرحله‌ای برای بعضی موارد مانند اکسید فلزات در آب، دیونیزه شده بسیار مناسب است و برای نانو سیالات شامل نانو ذرات فلزی سنگینی، کمتر موفق بوده است. روش دو مرحله‌ای دارای مزایای اقتصادی بالقوه‌ای است، زیرا شرکت‌های زیادی توانایی تهیه نانو پودرها در مقیاس صنعتی را دارند. روش یک مرحله‌ای نیز به موازات روش دو مرحله‌ای پیشرفت کرده است، به طور مثال نانو سیالاتی شامل نانو ذرات فلزی با بهره گرفتن از روش تبخیر مستقیم تهیه‌شده‌اند. در این روش، منبع فلزی تحت شرایط خلأ تبخیر می‌شوند و تراکم توده نانو ذرات به حداقل خود می‌رسند، اما فشار بخار پایین سیال یکی از معایب این فرایند محسوب می‌شود، ولی با این حال روشهای شیمیایی تک مرحله‌ای مختلفی برای تهیه نانو سیال به وجود آمده است که از آن جمله می‌توان به روش احیای نمک فلزات و تهیه سوسپانسیون آن در حلال‌های مختلف برای تهیه نانو سیال فلزات اشاره کرد. مزیت اصلی روش یک مرحله‌ای، کنترل بسیار مناسب روی اندازه و توزیع اندازه ذرات است[۹]. اکثر نانو سیالات شامل ذرات اکسیدی و نانو لوله‌های کربنی از روش ۲ مرحله ای تولید می شود. در هر دو روش مخلوط کردن خوب و توزیع یکنواخت نانو سیال برای دست‌یابی به تولید موفق و بررسی تفسیر نتایج آزمایشگاهی مورد نیاز است.
به طور خلاصه می‌توان گفت در ده سال گذشته، خواص جالبی برای نانو سیالات گزارش شده است که در این میان، هدایت حرارتی بیش‌ترین توجه را به خود جلب کرده است، ولی اخیراً خواص حرارتی دیگری نیز مورد پژوهش قرار گرفته است. نانو سیالات را می‌توان در زمینه‌های مختلفی به کاربرد، اما این کار با موانعی روبه‌رو است، از جمله اینکه درباره نانو سیال چند نکته باید بیشتر مورد توجه قرار گیرد:
تطابق نداشتن نتایج تجربی در آزمایشگاه‌های مختلف.
ضعف در تعیین مشخصات سوسپانسیون نانو ذرات.
نبود مدل‌ها و تئوری‌های مناسب برای بررسی تغییر خواص نانو سیال.
فصل۲
مروری بر پیشینه تحقیق
۲-۱- مقدمه
در این بخش مروری بر مطالعات و تحقیقات حائز اهمیت در زمینه انتقال حرارت در مقیاس نانو انجام خواهیم داد، به گونه‌ای که مطالعات عددی و تجربی در زمینه انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو و همچنین مطالعات انجام‌شده در زمینه ضریب هدایت حرارتی نانو سیالات را در بر گیرد.
۲-۲-مطالعات عددی انتقال حرارت جابجایی در مقیاس نانو
مایگا و همکاران [۱۰] یک روش عددی را برای مطالعه افزایش انتقال حرارت در انتقال حرارت جابجایی نانو سیال معرفی کردند. آنها مسئله‌ی انتقال حرارت جابجایی اجباری آرام را برای دو هندسهی خاص که یکی جریان نانو سیال داخل یک لوله با شرط مرزی شار حرارتی ثابت و دیگری جریان بین دو دیسک موازی برای نانو سیالات آب- اکسید آلومینیوم و اتیلن گلیکول- اکسید آلومینیوم بررسی کردند. آنها در این مطالعه برای شرایط مرزی مختلف، عدد ناسلت را ارائه کردند. نانوسیال اتیلن گلیکول- اکسید آلومینیوم انتقال حرارت بهتری در مقایسه با نانوسیال آب- اکسید آلومینیوم ایجاد میکرد. اضافه کردن ذرات باعث میشد که تنش برشی دیواره ۷ برابر از مایع پایه بیشتر شود. این امر به دلیل آن است که نانو ذرات، لزجت مایع پایه را افزایش می دهند. مایگا و همکاران همچنین به اثر غلظت نانو ذرات و عدد رینولدز بر روی ضریب انتقال حرارت جابجایی متوسط نانوسیال توجه کردند. به عنوان نتیجهی این مطالعه عددی، آنها دو رابطه را برای تعیین عدد ناسلت میانگین نانوسیال که در یک لوله جاری می شود، بر حسب عدد رینولدز و عدد پرانتل برای شرایط مرزی شار حرارتی ثابت و دمای دیواره ثابت ارائه دادند.
| (۲-۱) |
| (۲-۲) |
این روابط برای ، و معتبر است.
خالد[۳] و همکاران [۱۱] میزان افزایش انتقال حرارت جریان کاملاً توسعه‌یافته‌ی آرام در یک کانال دو بعدی را با کنترل اثرات پخش گرمایی داخل سیال ارائه دادند. در این مطالعه، معادلات انرژی برای رژیمهای جریان مختلف با شرط مرزی شار حرارتی ثابت به صورت تحلیلی و عددی با چشمپوشی از اتلافات گرما[۴] و هدایت محوری حل شدند. نانوسیال نیوتنی فرض شد.
هریس[۵] و همکاران [۱۲] با بهره گرفتن از مدل همگن که فرض می کند معادلات انرژی و جریان، در اثر وجود ذرات تغییر نمیکنند، انتقال حرارت جابجای آرام نانوسیال در یک لوله با شرط مرزی دمای سطح ثابت را به صورت عددی مورد مطالعه قرار دادند. با چشمپوشی از نفوذ و پخش محوری، معادله انرژی برای جریان آرام کاملاً توسعه‌یافته در یک لولهی دایروی در اعداد پکلت مختلف (۶۵۰۰-۲۵۰۰) برای نانو سیالات آب- اکسید آلومینیوم، آب- مس و آب- اکسید مس حل شده و نتایج با داده های آزمایشگاهی مقایسه شد. نتایج نشان میدهد که اضافه کردن نانو ذرات به مایع به طرز بارزی ضریب انتقال حرارت جابجایی را افزایش میدهد، همچنین ضریب انتقال حرارت با افزایش غلظت و با کاهش اندازه نانو ذرات، افزایش مییافت.
بهزادمهر]۱۳[ به بررسی جریان مغشوش نانوسیال پرداخت و از معادلات حالت دوفازی برای حل نانوسیال استفاده کرد که از نظر بررسی توزیع جریان ورودی نانوسیال، اولین تحقیق عددی در این زمینه است. همچنین نشان داد که اضافه کردن ۱% مس به سیال پایه آب موجب افزایش ۱۵% عدد ناسلت و افزایش ملایم ضریب اصطکاک پوسته ای می‌شود.
لی و همکاران]۱۴ [ به بررسی ضریب انتقال حرارت هدایتی نانوسیال با ذرات اکسیدشده بوسیله حل عددی و با در نظر گرفتن نانوسیال به صورت تک فازی پرداختند.
آرش کریمی‌پور و همکاران]۱۵[ در زمینه شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در محفظه شیبدار با دیواره متحرک تحقیق کردند و مقادیر بسیار نزدیک به اعداد آزمایشگاهی برای عدد ناسلت بدست آوردند.
ون ودینگ]۱۶[ انتقال حرارت نانو سیال آب واکسیدآلومینیوم را در جریان آرام تحت شار حرارتی ثابت دیواره بررسی کرده و دریافتند که افزایش ضریب انتقال حرارت نانو سیال، با تغییرات عدد رینولدز و غلظت نانوذرات خصوصا در ناحیه ورودی، رابطه مستقیم دارند.آنها همچنین به بررسی انتقال حرارت در نانوسیال آب-اکسیدآلومینیوم درون لوله مسی در رژیم جریان آرام پرداختند. این آزمایش نشان داد زمانی که ۶/۱% حجمی اکسیدآلومینیوم به آب اضافه شود عدد ناسلت به میزان ۴۷% افزایش می‌یابد.
لطفی[۶] و همکاران [۱۷] انتقال حرارت جابجایی نانو سیالات را با نگرشهای مختلف به صورت عددی حل کرده و با هم مقایسه کردند. از مدل ترکیبی دو فازی و مدل اویلری[۷] و همچنین از حل به روش تک فاز در این مطالعه استفاده و مقایسه شدند. اثر غلظت نانو ذرات بر روی پارامترهای حرارتی ارزیابی شد. با مقایسه نتایج با کارهای آزمایشگاهی، مشخص شد که مدل ترکیبی، جوابهای بهتری در مقایسه با حلهای دیگر ارائه میدهد. نانوسیال مورد استفاده آب- اکسید آلومینیوم بود.
رستمانی و همکاران]۱۸[ در سال ۲۰۱۰ مطالعه ای عددی بر روی جریان اجباری و در حالت مغشوش در کانال طویل با شار حرارتی ثابت و با بررسی متغیرهای مختلف انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش کسر حجمی‌نانوذرات، تنش برشی دیواره و نیز نرخ انتقال حرارت افزایش می‌یابد.آنها همچنین دریافتند که در یک عدد رینولدز و کسرحجمی‌مشخص، نانوذرات اکسید مس نسبت به نانوذرات اکسیدآلومینیوم و اکسید تیتانیوم موجب افزایش بیشتری در عدد ناسلت خواهند شد.
