Шумакин Н.И. НИ.М-21
Теплопроводность в микро- и наносистемах
Понятие теплопроводности в макро- микро- и наноприложениях.
Теплопроводность — способность тел к переносу энергии (теплообмену) от более нагретых частей тела к менее нагретым частям тела, осуществляемому хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.). Такой теплообмен может происходить в любых телах с неоднородным распределением температур, но механизм переноса теплоты будет зависеть от агрегатного состояния вещества, и размеров самого объекта.
Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В системе СИ единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).
Для оценки теплопроводности в макрообъектах чаще всего используют закон теплопроводности Фурье. В установившемся режиме плотность потока энергии, передающейся посредством теплопроводности, пропорциональна градиенту температуры:
(1)
Где 
— вектор плотности теплового потока — количество энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной каждой оси, 
— коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность), T — температура. Минус в правой части показывает, что тепловой поток направлен противоположно вектору grad (T) (то есть в сторону скорейшего убывания температуры).
Как правило, закон теплопроводности Фурье применим в большинстве случаев, но в зависимости от размеров системы в сторону уменьшения, могут меняться и механизмы теплопроводности, так как в таких системах начинают оказывать значительное влияние поверхностные и приповерхностные атомы, преобладая над объемными. В этой связи, привычные нам законы теплопроводности перестают действовать. В микро- и нанообъектах доминирующим показателем оказывается вязкость, поверхностное натяжение. В таких системах следует учитывать межмолекулярные взаимодействия, взаимодействие молекул и атомов с поверхностью и поверхности с поверхностью в случае тонкого слоя жидкости, где длина свободного пробега больше чем расстояние между поверхностями.
Теплопроводность микро- и нанообъектов.
Современные проблемы энергетики и получающие все большее распространение микро- и нанотехнологии диктуют необходимость миниатюризации систем охлаждения и разработки эффективных методов управления теплообменом. Одним из перспективных способов интенсификации теплообменных процессов представляется повышение теплопроводности теплоносителя (жидкости) путем добавления в него твердых частиц с высокой теплопроводностью. Многочисленные исследования показали, что использование частиц микронного размера может приводить не к интенсификации, а наоборот, к снижению теплоотдачи за счет подавления турбулентности дисперсной фазой.
Кроме того, могут возникнуть такие нежелательные эффекты, как абразивный износ поверхности канала, отложение частиц на стенке и в застойных зонах, увеличение гидравлического сопротивления. В этой связи переход к нанометровым частицам оправдан и призван решить существующие проблемы. В настоящее время изучением свойств наножидкостей активно занимаются многочисленные исследовательские группы в таких странах как США, Корея, КНР, Япония, Англия и др., а число публикаций, посвященных наножидкостям, особенно в последнее десятилетие растет экспоненциально.
С какими свойствами наножидкостей исследователи связывают свои надежды по интенсификации теплообмена? В первую очередь это вызвано высокой теплопроводностью наночастиц. В таблице 1 приведены значения теплопроводности при комнатной температуре для некоторых материалов, используемых при приготовлении наножидкостей.
Таблица 1. Значения теплопроводности при комнатной температуре.
Видно, что теплопроводность углеродных нанотрубок существенно выше, чем у металлов, и более чем на четыре порядка превышает аналогичную величину для базовой жидкости, что может привести к значительным изменениям теплофизических свойств наножидкостей и усилению теплообменных процессов. Базовой жидкостью называют жидкость, объем которой преобладает над объемом введенных в нее микро- нанообъктов в несколько сотен раз.
Синтез наножидкостей.
Основу наножидкости составляют базовая жидкость и наночастицы какого-либо высокотеплопроводного материала. В качестве базовой жидкости чаще всего используют воду, этиленгликоль, машинное масло. Материалом для наночастиц служат металлы, окислы металлов, углерод (чаще всего в виде одно-, двух- или многостеночных трубок с различным отношением длины трубки к ее диаметру).
Теплопроводность углеродных нанотрубок в настоящее время активно изучается, однако проблема все еще остается открытой. Причина этого частично связана со сложностью измерений, частично с неопределенностью объекта, например, параметрами трубки. Кроме того, известно о высокой чувствительности транспортных характеристик углеродных нанотрубок к условиям их синтеза. Значение k = 3000 Вт/м⋅K получено для многостеночной нанотрубки диаметром 14 нм и длиной несколько микрон.
Получаемые наножидкости должны удовлетворять набору требований: они должны быть равномерными, устойчивыми к агломерации и выпадению в осадок в течение длительного времени, в них должны отсутствовать химические реакции и т. д., при этом главной проблемой является агломерация. Следует отметить, что склонность к агломерации отражает одно из важнейших свойств наночастиц - их большую поверхностную активность. Большая поверхностная активность наночастиц с одной стороны приводит к тому, что мелкие частицы не тонут (не выпадают в осадок), а с другой - склонны к образованию агломератов. Описанная особенность наночастиц существенно влияет на технологии получения наножидкостей и поддержания их в рабочем состоянии. Существующие методы изготовления наножидкостей подразделяют на одноступенчатые и двухступенчатые.
При одноступенчатых методах наножидкость получают в течение одного технологического цикла. Положительную специфику одношаговых технологий выражает то, что наночастицы получаются, как правило, очень мелкие (2−20 нм), агломерация наночастиц минимизируется, а получаемые наножидкости характеризуются как стабильные.
Одноступенчатый метод состоит в следующем: металл (материал наночастиц) испаряется электронным пучком в вакуумной камере и здесь же оседает на покрытый маслом (базовая жидкость) вращающийся диск.
Существуют разновидности данного метода, отличающиеся от него способоми спарения электрода и технологией осаждения частиц в базовую жидкость.
Заметную нишу среди одноступенчатых занимают химические методы. Например медная наножидкость получена в результате реакции восстанов-
ления CuSO4⋅5H2O с NaH2PO2⋅H2O в этиленгликоле под воздействием микроволнового излучения. Результаты показали, что добавление NaH2PO2⋅H2O и наложение
микроволнового поля являются двумя существенными факторами, которые влияют на скорость реакции и свойства получаемой медной наножидкости.
При двухступенчатых методах наночастицы сначала производятся, а затем вносятся в жидкость. По сравнению с одноступенчатыми методами, хорошо работающими для частиц из металлов, двухступенчатая техника предпочтительна для частиц из окислов из-за их меньшей склонности к агломерации.