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May 23, 2023

Conduttività termica e diffusività termica del fullerene

Scientific Reports volume 12, Numero articolo: 9603 (2022) Cita questo articolo 866 Accessi 1 Citazioni 14 Altmetric Metrics dettagli Per le loro eccezionali caratteristiche, i nanofluidi a base di carbonio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9603 (2022) Citare questo articolo

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Grazie alle loro eccezionali caratteristiche, i nanofluidi a base di carbonio (CbNF) sono stati applicati a varie tecnologie avanzate di trasferimento di calore e raffreddamento. È stato affermato che questi CbNF possono migliorare notevolmente le proprietà dei fluidi di lavoro di base. Tra tutte le caratteristiche termiche, la conduttività termica (λ) è considerata il parametro principale da considerare per l'applicazione dei nanofluidi (NF). Nel presente studio di ricerca abbiamo misurato per la prima volta sia λ che diffusività termica (aT) di NF molto stabili a base di fullerene (C60) in fase liquida (1,2,3,4-tetraidronaftalene e 1,2-diclorobenzene) mediante la tecnica del filo caldo transitorio multicorrente a pressione atmosferica in un ampio intervallo di temperature (254–323 K). Similmente ai liquidi base (BL), abbiamo osservato una leggera diminuzione di λ con un aumento della temperatura. Inoltre, rispetto ai BLs, λ è stato ridotto con l'aggiunta di C60. I risultati sono stati confrontati con quelli previsti utilizzando diversi modelli teorici. Non è stata osservata molta variazione in aT tra i NF C60 e i corrispondenti BL a causa in parte della piccola variazione di λ con l'aggiunta di C60.

La famiglia di nanomateriali a base di carbonio (CbNF) comprendente grafene a strato singolo e multistrato, nanotubi di carbonio a parete singola e multiparete, grafite, nanopiastrine di grafene, punti quantici di grafene, ossido di grafene e così via hanno recentemente ricevuto grande attenzione per la preparazione di NF (ovvero dispersione di CbNF in liquidi base, BL) a causa delle loro varie caratteristiche eccellenti ed uniche insieme ai loro attributi termici superiori rispetto ai liquidi convenzionali1,2,3,4,5. Il modo in cui i CbNF si legano a e attraverso le molecole dei BL governa proprietà come reologia, conduttività termica ed elettrica o assorbimento/emissione di luce. Questi NF hanno mostrato un grande potenziale in applicazioni industriali come l'accumulo termico solare, i tubi di calore e l'accumulo di energia, oltre ad altre tecnologie avanzate di trasferimento di calore e raffreddamento; ciò è attribuibile alla loro maggiore conducibilità termica (λ) e coefficienti di scambio termico convettivo rispetto ai corrispondenti BLs2,5. In effetti, il miglioramento λ è il primo vantaggio atteso dall’utilizzo di un nanofluido (NF) quando applicato come fluido di lavoro termico. Quando valutato rispetto a metalli o ossidi metallici (Au, Ag, Cu, Fe, CuO, Al2O3, ZnO, ecc.), λ nelle nanostrutture di carbonio è maggiore a causa del loro elevato λ intrinseco, della bassa densità, dei forti legami covalenti C–C e diffusione dei fononi6. Ad esempio, λ dei materiali in carbonio ha un ampio intervallo che varia da 0,2 W/m K per i carboni tipo diamante a 6000 W/m K per i nanotubi di carbonio a parete singola (SWNT)7; che è superiore a quello del grafene (5300 W/m K per)8, nanotubo di carbonio a doppia parete (DWNT, 3986 W/m K) e nanotubo di carbonio a parete multipla (MWNT, 3000 W/m K) 5,7,9. Pertanto, i materiali in carbonio possono essere applicati come isolanti termici (ad esempio carboni simili al diamante) o superconduttori di calore (ad esempio grafene).

Vale la pena notare che vari studi sperimentali e teorici hanno riportato un aumento λ dei NF e dei relativi fattori che influenzano. I risultati hanno indicato che λ di NF sono normalmente funzioni non solo della conduttività termica della particella, della sua concentrazione in un NF, dimensione e forma, ma anche di parametri ambientali come il fluido di base, il valore pH, il tensioattivo, l'agente disperdente e la posizione tempo10. Varie indagini hanno dimostrato che un maggiore potenziamento λ dei NF potrebbe essere ottenuto quando si considerassero fluidi base λ inferiori2. Inoltre, è stato riportato che λ di NF è atipicamente potenziato con una frazione volumetrica molto bassa di nanoadditivi11,12,13,14. Ad esempio, in un primo studio di Choi et al.12, è stato riportato un miglioramento del 160% λ per 1,0 vol% di nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT) dispersi in olio sintetico di poli (alfa-olefina) (PAO). Un potenziamento λ molto inferiore (vale a dire un ordine di grandezza inferiore, fino al 7%) di NF basati su nanotubi di carbonio è stato riscontrato in vari altri studi tra cui MWCNT funzionalizzati e fluidi a base diversa (acqua, olio, decene, glicole etilenico, glicerolo , Refrigerante R113, ecc.)14,15,16,17,18,19,20,21,22,23. In alcuni studi è stata osservata una diminuzione nel tempo di λ, soprattutto nei primi 10 giorni dalla preparazione del NF, ma anche il tasso di riduzione è diminuito con il tempo9.