喷射撞击Alumina-Nanofluid对铝和铜的影响

文摘

纳米流体是nanosize-powder悬浮液感兴趣的增强的热传输特性。他们研究了有前途的替代普通冷却液体,但tribiological纳米流体对核电站冷却系统材料的影响在很大程度上是未知的。作者开发了方法使用喷射撞击等典型的核电站冷却系统的材料测试效果。作者的研究工作提出了交互的一个典型nanofluid(2%体积的氧化铝沙粒在乙二醇溶液水)这是侵犯了铝和铜标本进行测试,只要112小时。表面的变化被粗糙度测量和光学显微镜研究评估。粗糙度比较表明,两种参考乙二醇和水的冷却液及其nanofluid 2%氧化铝生产铝粗糙度变化(即使是最短的3小时测试),但它们之间粗糙度差异无显著意义。没有明显的粗糙度变化观察铜。然而,显微镜观察显示不同表面修饰在铝和铜的nanofluid及其基础液。早期腐蚀的可能机制进行了讨论。这些调查表明合适的方法对冷却system-materials nanofluid测试的影响。

1。介绍和文献综述

nanofluid的概念于1995年提出了崔和伊士曼1和崔2)作为一个悬浮的固体纳米(1到100纳米)粒子在液体载体。自那时以来,纳米流体产生了许多研究目的的混合物(通常是5%)固体金属纳米颗粒(如黄金),氧化物(氧化铝、二氧化硅、二氧化钛和氧化铜)、碳化物、氮化物纳米颗粒和碳纳米管或纳米纤维在连续和饱和流体(水、乙醇和乙二醇)(3]。纳米流体预测有较高的导热系数和传热系数比基液体因为固体有更大的导热系数比液体载体,和纳米粒子有一个更大的表面体积比和更大的流动性比更大的固体颗粒。因此,纳米流体承诺作为临界冷却系统的冷却剂,随着核能系统(4),大型发动机散热器,微芯片(5]。这些和其他潜在用途的纳米流体的应用增强洗净,在生物医学领域,讨论了智能液体,由黄和德莱昂(5]。合成技术、纳米流体的制备和nanofluid性能作为运输和电磁激活态和媒体对化学反应在泰勒最近审阅的et al。6]。

纳米流体热物性参数和传输性能预计作为基地的大大不同于液体,如增加导热系数(7)和更大的比基本流体的粘度(7),和异常对流换热系数8,9]。测量纳米流体的有效导热系数和粘度发现他们大大高于基础液体(10]。传热系数的提高似乎超越单纯的热导率的影响,因为它不能预测的传统纯流体的相互关系。这些异常的热性能可以部分解释为非常大的表面体积比和高迁移率纳米粒子(7,9),但一个完整的理解nanofluid热性能也应考虑湍流热扩散和加剧带来的纳米颗粒运动(4]。纳米流体的热导率测量强烈依赖于温度、粒子体积分数,大小、形状(9),涂层的纳米颗粒11),类型的基液(12],pH值的混合物(13]。这种依赖性和一些大于预期nanofluid粘度可以部分解释14- - - - - -16)的聚合纳米颗粒,而deagglomeration可能强烈也取决于悬架动力学pH值(17]。纳米流体的传热特性的全面审查和他们的依赖于几个因素提出了由Das et al。18]。

纳米流体的潜力来提高现有的热交换器系统与传统散热器促使实验工作。例如,梁等。19]报道汽车汽车散热器的传热增强使用乙二醇与2%的铜nanofluid(乙二醇作为比较的基础液);他们观察到的整体传热系数和体积传热增加了大约3.8%使用nanofluid相比基本流体。Peyghambarzadeh等的工作。20.)测试了五种不同浓度nanofluid氧化铝纳米颗粒在水中的0.1 - 1%体积的范围,因为它们比较纯水在汽车散热器。他们的研究结果表明,低浓度的纳米流体可以提高传热效率高达45%相比,纯水。由相同的研究人员所作的一些后续工作(21)测量了整体传热系数(根据传统3-NTU技术)在汽车散热器冷却氧化铜和iron-oxide-nanofluids浓度的0.15,0.4,和0.65卷。%在水里。他们发现这两种纳米流体产生更大的整体传热系数(9%)比那些增加纳米颗粒浓度对水和增强了传热。然而,增加nanofluid入口温度低导致整体传热。计算流体动力学模拟(22理想的纳米流体制冷技术在康明斯500马力柴油机表明散热器大小可能会减少5%。

许多担忧nanofluid影响核电站冷却系统材料,特别是磨损和侵蚀,和没有理解摩擦学的典型材料表面纳米流体的影响。美国能源部首次研究设施(23]建议没有表面变化会导致铝3003 jet-impacted SiC-nanofluid飞机,750小时的情况下的2卷。% SiC在水中nanofluid 8 m / s和影响角为30°。辛格的后续工作24)用同样的方法发现没有明显的侵蚀使用纳米流体的铝和铜的氧化物基液体乙烯和三氯乙烯乙二醇,9 m / s的速度和角度90°和30°影响:相应的侵蚀率在汽车散热器外推是0.065毫克/年的典型车辆操作。阮et al。25]报道对铝试样磨损影响的撞击飞机5%的alumina-in-water nanofluid 9.6 m / s的速度。180个小时之后,一个重要的总质量损失14毫克测量。

最近的实验研究工作(26,27)测试了材料去除的影响铝、铜和不锈钢的目标nanofluid TiO的飞机₂,艾尔。₂O₃,ZrO₂(每个在9%浓度)和碳化硅基液的浓度(3%)蒸馏水加表面活性剂,因为他们相比,相同的材料由水射流的影响。他们测量目标厚度差异通过扫描轮廓曲线仪作为估计的表面磨损。虽然没有差异侵蚀效果观察不锈钢、侵蚀的一些显著增加(相比基础液)观察铝TiO的目标₂,艾尔。₂O₃,ZrO₂纳米流体(水)引起的穿去除三百倍,只在ZrO铜₂nanofluid。没有观察到任何影响目标材料当SiC nanofluid的影响。从SEM分析他们得出的结论是,使用纳米流体,大多数的材料将被刻蚀,同时,水,它会磨损主要由晶间腐蚀(金属杂质的矩阵);SiC似乎导致很小的腐蚀效应,在一定程度上抵消在穿删除测量沉积的金属氧化物。

乔治et al。28)最近提出了实验工作在侵蚀TiO nanofluid 0.1%体积的影响₂在蒸馏水中。他们测试了10个小时喷射撞击效应在不同角度铝和铸铁表面,通过测量体重,粗糙度散斑干涉法,后硬度测试。使用飞机的速度是5米/秒和10米/秒。他们发现的侵蚀率达到最大值的20°角撞击在90°角铝和铸铁。SEM和AFM扫描图像是用来识别可能侵蚀机制:corrosion-assisted侵蚀在铸铁材料去除的重要模式,而温和的研磨侵蚀负责观察铝平和nanofluid撞击;一定程度的加工硬化材料的观察。

作者提出了(29日]一些初步工作喷射撞击的粗糙度变化的影响(Ra、Rz和Rq) 3003 - t3铝合金和铜标本后3 - 7 -,与2%的悬浮液和14个小时治疗nanoalumina在水和水的溶液+乙二醇,比初始平均粗糙度。一些粗糙的大幅增加铝标本被发现,同时为铜无显著变化。他们还提出了(30.)动态粘度测量,显示2%体积的氧化铝的加入将沙粒在乙二醇粘度增加了约30%,而5%的技术几乎可以粘度的三倍。作者得出结论,2%的体积浓度似乎是一个合理可行的妥协(提高整体效率的冷却系统)之间的可能改善传热和粘度增加。介绍了作者最近的工作磨损和侵蚀的影响alumina-nanopowder-nanofluid喷射撞击在两个典型核电站冷却系统材料、铝和铜,长时间实验(高达112小时测试),包括显微镜分析影响表面,表面改性和讨论可能的机制。

2。实验方法和测试参数

作者开发了一个试验装置来探索一些典型的可能侵蚀影响nanofluid悬浮液影响一些典型核电站冷却系统的材料。图1显示了一个示意图和发达试验台的照片。

图的试验装置1允许控制流体喷射,从而影响材料的目标(试样);喷嘴目标距离和目标角宽范围内可以设置;nanofluid由仪器循环泵在每个测试;仪器的发展提出了在其他地方(29日,30.]。再循环泵(齿轮)的收益率最大体积流量喷嘴的2.5升/分钟的速度10.7米/秒。这项研究工作的测试采用商业乙二醇混合(普列斯通超级科技50/50防冻剂/冷却剂(31日])为参考流体和nanofluid悬挂通过添加2%的氧化铝纳米颗粒体积浓度参考流体。这个混合物是制定20%的氧化铝技术分散在水中(gamma-alumina的采用的技术是99.99%,10 nm原始平均粒度在20%的分散聚合之前,专有分散剂未予披露,由美国研究纳米材料,Inc)。

喷射撞击测试进行3、7、14、28日,56岁和112小时的流体,流体喷射在哪里应用通常(例如,90°)试样表面,为常数距离喷嘴1英寸(25.4毫米)的目标。测试目标材料铜合金110(99.90%电解换热器质量,由MSC Inc .) 3003 - t3铝合金和铝(由凯撒铝);每个标本是一盘3英寸×2英寸(50.8毫米75.4毫米),0.05英寸(1.27毫米)厚度。

每个标本使用灵活的砂纸抛光与蒸馏水在220年的序列,800年和1200年的勇气,获得Ra粗糙度不大于7μ英寸。标本被超声波清洗之前测试方法和微- 90清洁解决方案,和他们用蒸馏水冲洗测试和风干后重量和粗糙度测量,测试之前和之后执行。评估材料去除是由预处理和期末测验重的标本,用日本岛津公司AUW120D平衡0.1毫克最低可读性的使用范围。

进一步评估表面修饰是由预处理和测验后的粗糙度测量;使用仪器是三丰公司冲浪sj - 201表面粗糙度测试仪,记录粗糙度参数Ra,中移动,Rz。粗糙度测量两个方向:沿躺(如主要抛光方向)和在它。400年受聘测量范围的14日μ英寸(360μ米),仪器分辨率是1μ英寸(0.0254μ米)(32]。

光学显微镜观察也进行了影响材料表面(铝和铜标本)喷射撞击前后测试来评估表面修改和帮助阐明材料变化的机制。1000年一个日本基恩士VHX数码显微镜的使用了54个像素的分辨率。表面由高分辨率图像捕获变焦镜头的放大的VH-Z500R / W 500 x 5000 x(序列中的500 x 1000 x 2000 x 3000 x 5000 x)。低分辨率的镜头(VH-Z20R)也用于放大20 x 200 x(序列中的20 x 30 x, x 50, 100 x 150 x 200 x)。VH-Z20R镜头是用于捕获图像由三个其他镜头角度(15°、45°和90°)。

3所示。结果与讨论

图2介绍了测量平均Ra粗糙度3003 - t3铝合金标本之前和之后的3 - 7 - 14 - 28 - 56和112 -小时治疗(i)的参考流体50/50%乙二醇在水中(如/水)和(2)2%体积的nanofluid nanoalumina引用中混合流体(初始值(没有治疗)被称为“测试之前,“虽然值每次治疗后被称为“测试”之后在以下图表)。

图中给出的测量2表明aluminum-specimen粗糙度是影响jet-impingements与参考流体(如/水)及其-alumina-nanofluid 2%。对于他们两人来说,最初Ra粗糙度值降低(从3小时测试)显示相对较低的值7和14个小时,紧随其后的是一个单调增加28小时后(长)的测试。类似的趋势被观察到另外两个测量粗糙度参数,中移动和Rz。治疗后体重测量显示一个小的体重增加(5毫克的最高测量)3 -铝28-hour测试,但并没有显著的体重变化是观察到28小时后喷射撞击。

因为每个试样的初始粗糙度呈现在图22 - 7-microinch范围之内,每个Ra值归一化和呈现在图3。每个测试后正常化Ra-value是由除以相应的初始(考试)Ra相应的标本。图3清楚地显示了建议的趋势图2最初的粗糙度增加,其次是减少7和14个小时,由单调增加28小时后测试。粗糙度值增加到8倍的测试时间最长112小时。粗糙度的进化数据2和3表明,一些早期清洁的表面可能会出现在第一个三个小时的测试(显示为一个小的粗糙度增加),而删除松散材料(从以前的抛光)发生在第一个14个小时。28小时后测试,材料侵蚀似乎继续增加。图3也表明没有明显差异的测量粗糙度值参考流体喷射撞击后(乙二醇/水),相比-alumina-nanofluid的2%。

测量表面铝样品的粗糙度变化表明,重大修改时侵犯的喷射液体进行测试。研究这样的修改,进行了光学显微镜和在治疗后的标本。数据4和5显示显微镜图像(5000 x放大)铝标本前后jet-treatments每个相应的流体。

图4允许比较之前,测试后图像与参考流体50/50%乙二醇和水(放大5000倍):没有纳米颗粒。治疗后,抛光划痕已被移除(测试112小时后),和小斑平均小于5微米(200微英寸)变大(平均5至10微米(200年至400年微英寸),显示暗集群盘旋在测试后图片);一些观察到的特征还表明,一些较大的区域(约20微米,而不是显示在图4)可能已经开始有些“剥落”。

图5允许比较之前,测试后图片的nanofluid 50/50%氧化铝2%乙二醇和水(放大5000倍)。112小时的治疗后,仍有一些抛光划痕(比图4图像、划痕完全移除)和小斑大小是广泛(平均小于5微米(200微英寸,在图中用圆圈标示)和点蚀似乎是沿着原始集群抓线(图中圆圈位置)。

图6介绍了通常平均Ra粗糙度测量铜合金110之前和之后的3 - 7 - 14 - 28 - 56和112 -小时治疗(i) 50%的参考流体ehtylene醇在水中(如/水)和(2)2%体积的nanofluid nanoalumina混合引用中流体(初始值(没有治疗)被称为“测试之前,“虽然值每次治疗后被称为“测试”之后在以下图表)。因为每个试样的初始粗糙度呈现在图62 - 4-microinch范围之内,每个Ra值归一化和呈现在图7每个测试后,正常化Ra-value是图的数据3。测量中移动,Rz粗糙度也显示出了类似的趋势。粗糙度测量差异不显著,但规范化数据图7建议稍微粗糙度降低;然而,这些小仪器分辨率内观察到的差异大致1μ英寸,他们需要进一步实验验证。

铜的重量测量标本jet-impingements后没有发现显著的体重变化的液体和时间进行测试。研究可能的修改nondetected粗糙度或体重测量,光学显微镜进行了和之前治疗后的标本。数据8和9显示显微镜图像(放大5000倍)的铜前后标本jet-treatments与每个相应的流体。

图8允许比较之前,测试后图像与参考流体50/50%乙二醇和水(放大5000倍),没有纳米颗粒。在治疗之前,一些有限的点蚀(环绕在“前”的形象)和加工划痕是观察,而112小时治疗后抛光划痕没有被移除,和广泛的小型点蚀是观察治疗后(有些凹陷似乎集群在一些地区(环绕在“后”的形象)。

图9允许比较之前,测试后图片的nanofluid 50/50%氧化铝2%乙二醇和水(放大5000倍)。112小时后治疗,抛光划痕没有删除,和先前存在的点蚀(圈图9)变得更大;一些集群斑似乎原始抓线(圈图9)。

提出的早期研究表明,所有测试液体产生实质性修改的原始表面,甚至为低速喷射撞击和相对较短的时间(与实际操作的时候冷却系统相比)。特别是显微镜成像研究表明,表面变化的机制,采用低速fluid-impact不同于那些在文献中报道。影响表面高速单粒子侵蚀的基本情况是众所周知的33),和多个millimeter-size粒子影响现象都已经被广泛地研究过了(34- - - - - -38),加工硬化和随后的剥落后“潜伏期”扮演了一个重要的角色在这样dry-erosion病例。本研究观察到的变化由low-speed-fluid,然而,似乎与轻微的磨损和1到10 micrometer-size点腐蚀。

4所示。结论

作者开发了一个仪器采用低速飞机nanofluid与典型核电站冷却系统交互的测试材料表面。这个研究显示使用粗糙度和removed-material的可行性(按重量)测量和光学显微镜成像评估可能的早期表面变化。

低速测试的参考流体50/50%在水和乙二醇nanofluid获得通过添加2%的氧化铝等参考流体允许表面抛光的进化研究3003 - t3铝合金标本长达112个小时的测试。对液体Ra粗糙度值增加(高达8倍的测试时间最长112小时)。表面粗糙度的演变表明,清洁和去除松散材料发生在前三个小时的测试,虽然平和(去除深层磨痕线)会在第一个14小时,其次是增加材料侵蚀28小时后测试。

28 - 112 -小时间隔的jet-impingement-test铝没有显著差异的治疗后测量粗糙度值参考液(乙二醇/水),同比2% -alumina-nanofluid治疗。但光学显微镜成像(放大5000倍)显示不同的表面改性机制:当参考流体完全移除抛光划痕和扩大原来的小斑112小时测试,2% -alumina-nanofluid并未完全消除抛光划痕,导致广泛的小麻点,这似乎集群在一些原始抓纹。由于氧化铝是相当惰性,在铝材料去除在早期surface-modifying机制应主要归因于轻微的磨损机制,没有明显的化学侵蚀组件;这些机制是在良好的协议与乔治等人的研究结果。28),获得二氧化钛nanofluid jet-impinged铝。

相同的低速测试(参考流体50/50%乙二醇在水里,和nanofluid获得通过添加2%的氧化铝等参考流体),允许表面抛光合金110铜的进化的研究标本。两个液体产生显著粗糙度差异和重要的材料去除重量测量。但光学显微镜成像(放大5000倍)表明,流体开始对铜表面变化。虽然没有液体治疗最初的抛光划痕,广泛观察小麻点为参考流体在112小时,而先前存在的斑成为更大的2% -alumina-nanofluid在同一测试时间,使原始抓沿线的集群。显著scratching-line去除铜的缺乏表明早期观察到的表面改性机理主要应归因于轻度侵蚀,与可能的化学成分。但是,显然还需要进一步的研究来确定所有涉及到的材料和液体测试机制。作者进行了扫描电镜观察表面;然而,由于尺寸相对较大的观察表面划痕治疗前和治疗后的点蚀(数字4,5,8,9),扫描电镜图像没有有用的调查现象。

研究纳米颗粒对表面需要进一步的研究。材料加热和冷却的影响(就像他们可能发生在一个实际热交换器系统)长时间也是当前研究的主题。沙粒的相对硬度的影响相比表面和其加工硬化因素研究现象,它们都包含在当前作者的后续研究工作。

没有发表的研究纳米颗粒大小的侵蚀率的影响;林恩的工作等。39]micrometer-size-SiC-particle泥浆侵蚀的钢发现侵蚀率与粒径减小,但这些和其他作品(40)不应外推到纳米级规模,因为nanosize-particle聚合和集群尚未很好理解的,他们似乎依赖于粉末和基液的性质。例如,最近的一篇论文(41]报道大量的聚合(千分尺规模)alpha-alumina-in-water纳米流体,而gamma-alumina-in-water的礼物没有骨料(或者如果有的话,他们将远低于微米大小)。因此,研究nanoparticle-size nanofluid侵蚀的影响需要进一步的研究。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认艾伦·e·保尔森工程学院的支持和信息技术,通过本科科研资助,从教师研究委员会,乔治亚南方大学,乔治亚州,美国,通过教员研究种子格兰特。

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