بررسی خواص فیزیکی نانوالماس و رسانندگی گرمایی نانوسیال الماس

نانو ذرات الماس (nd) که به روش انفجاری تولید می شوند، نوع منحصر به فردی از الماس سنتزی هستند که قطری در حدود 4 تا 6 نانومتر دارند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری این نانوذرات نشان می دهد که تعداد زیادی از این نانوذرات دارای انباشتگی هستند به طوری که خوشه های فراکتالی با قطر صد ها نانومتر یا حتی چندین میکرومتر را تشکیل می دهند. در حال حاضر، منشأ پیوند بین ذرات که موجب این انباشتگی ها می شود ناشناخته است. پیشنهاد شده است که فاز بین بلوری بین بلورک های الماس مسئول تجمع سخت ذرات است که قوی تر از پیوند های شیمیایی است. مشکل جداسازی نانوذرات الماس انباشته شده توجه زیادی را به خود جلب کرده است. تصاویر میکروسکوپ عبوری الکترونی با قدرت تفکیک بالا نشان داده است که گرافیته شدن از سطح هر بلورک مجزای نانوالماس شروع می شود. بنابراین، یکی از راهکارهایی که می توان برای از بین بردن انباشتگی بین نانوذرات الماس به کار برد می تواند بر پایه گرافیته شدن جزئی سطح نانوذرات و به دنبال آن از بین بردن این لایه گرافیت از سطح نانوذرات الماس و سطوح مرزی بین آن ها باشد. در این پروژه، عملیات هیدروژنه کردن به کار گرفته شد تا با سونش لایه گرافیته در سطح nd، که به طور جزئی گرافیته شده است، و هیدروژنه کردن هم زمان آن، این ذرات را جدا کرد. طیف سنجی فوتوالکترون باپرتو ایکس و پرتو فرابنفش برای نظارت و بررسی ترکیب شیمیایی نمونه nd و ساختار الکترونی آن در طول آزمایش مورد استفاده قرار گرفته است. عملیات هیدروژنه کردن نه تنها این اجازه را به ما می دهد که لایه های گرافیت از بین برود بلکه با غیر فعال کردن همزمان سطح ذرات به طریق اشباع پیوند های آویزان اتم های کربن سطحی توسط گروه های حاوی هیدروژن از انباشتگی مجدد ذرات الماس جلوگیری می کند. نتایج این آزمایش تأیید می کند که لایه گرافیت تشکیل شده در سطح نانو ذرات الماس هنگامی که در معرض هیدروژن اتمی، به شیوه ای که در فصل دوم ذکر می گردد، قرار می گیرد از بین می رود. این روش امکان تهیه نانوذرات الماس مجزا که با گروه های شیمیایی هیدروژن خاتمه می یابد را فراهم سازد. نانوالماس کاربردهای زیادی در حوزه های مختلفی از قبیل آبکاری، کامپوزیت های زمینه فلز، دستگاه ضبط مغناطیسی، روغن های روان کننده، مواد افزودنی به پلیمرها دارد. یکی از کاربردهای پیشنهادی برای نانوالماس استفاده آن در تهیه نانوسیالات است. با افزودن نانوذرات به سیالات معمول، نانوسیالات تولید می شوند که چنین نانوسیالاتی سبب افزایش رسانندگی گرمایی می شوند و نوید دهنده نسل آینده سیالات انتقال دهنده گرما هستند. نانوذرات الماس رسانندگی گرمایی بالایی دارند، غیر سمی بوده و می توانند به مقادیر زیاد تولید شوند و بنابراین برای استفاده در تولید نانوسیال می توانند بسیار سودمند باشند. بنابراین، افزایش رسانندگی گرمایی نانوذرات الماس که به طور جداگانه در آب دیونیزه، اتیلن گلیکول و روغن موتور به حالت تعلیق در آمده بود، بر حسب تابعی از کسر حجمی و دما در این پروژه مورد بررسی قرار گرفته است. بیشترین افزایش رسانندگی گرما برای نمونه سیال بر پایه آب در کسر حجمی 3% برابر با 2/7 % و در دمای c 30 مشاهده شد که مقدار آن به 8/9% در دمای c 50 افزایش یافت. مقدار رسانندگی گرمایی در نانوسیال الماس بر پایه روغن موتور در کسر حجمی مختلف و در دمای c 50 تا c 90 نیز اندازه گیری شد که بیشترین افزایش معادل 9/9% مربوط به کسر حجمی 8/0% و دمای c 90 بود. این بیشینه در نمونه با سیال پایه اتیلن گلیکول معادل 2/5% در کسر حجمی 1% و دمای c 50 مشاهده گردید. مدل های مختلفی نیز برای بیان افزایش رسانندگی نانوسیال الماس ارائه شده است. مدل های کلاسیکی رسانندگی گرمایی موثر کمتری را برای نانوسیال پیش بینی می کنند و اغلب در توافق ضعیفی با نتایج تجربی اند. مدل جدید مورشد برای توصیف افزایش انتقال گرما در سیال نانوالماس/آب دیونیزه به کار گرفته شد اگر چه این مدل رسانندگی گرمایی بیشتری را برای سیال مورد مطالعه پیش بینی می کند، اما در محدوده خطای تجربی با نتایج مطابقت دارد. نتایج به دست آمده از مدل پراشر با ثابت های معرفی شده برای نانوسیالات با پایه اتیلن گلیکول و روغن موتور توافق بسیار خوبی با داده های تجربی به دست آمده در این پروژه دارد.