调制激光诱导光热碎裂提升Al₂O₃纳米流体热扩散率

摘要

调制连续波（CW）激光触发光热响应，快速吸收光并在受照纳米结构周围产生热波。本研究探讨此类激光照射对颗粒碎裂的影响及其对Al₂O₃纳米流体热扩散率的改善。采用性价比高的二极管激光器（532 nm，200 mW）打散去离子水中团聚的Al₂O₃纳米颗粒。简述了由调制频率和纳米流体光热特性支配的激光产生热波。动态光散射（DLS）和透射电镜（TEM）量化照射时间对粒径和分布的影响，光热电（PPE）法测量热扩散率。结果显示：部分碎裂使团聚体尺寸向本征11 nm直径靠拢，获得更窄粒径分布。相应地，30 min照射后热扩散率从1.444×10⁻³提升至1.498×10⁻³ cm² s⁻¹，展示光热碎裂调控纳米流体传热性能的潜力。

背景

金属氧化物纳米流体，特别是Al₂O₃，因其优于水或油等基础流体的热导率和热扩散率而备受青睐。但其性能高度敏感于颗粒尺寸、形状和分散状态。团聚迅速降解热性能，亟需有效分散策略。激光制备已成液相中直接生成和修饰纳米颗粒的通用工具。通过调节激光参数——波长、脉冲宽度、能量、重频——可影响粒径分布。

脉冲激光传统用于蚀刻和碎裂，但连续波激光在成本、体积、便携性上具优势。调制CW激光尤其能产生显著光热（PT）效应和热波（TW）打散颗粒簇。尽管激光诱导纳米颗粒合成研究众多，但调制CW激光PT效应对Al₂O₃纳米流体热扩散率影响的系统研究仍缺乏。本工作通过系统研究碎裂动力学及随之而来的传热增强填补此空白。

方法

纳米流体制备

Al₂O₃纳米颗粒（11 nm，Nanostructured and Amorphous Materials, Inc.）以0.05 g/25 mL去离子水分散，加1% v/v聚乙烯吡咯烷酮（PVP，MW≈29 kDa）稳定悬浮液。磁力搅拌1 h后探针超声（VCX 500，25 kHz，500 W）30 min，经DLS验证获得均匀分散。

激光碎裂

2 mL石英比色皿置磁力搅拌器上。532 nm、200 mW二极管激光器（MGL 150(10)）聚焦至0.1 mm光斑（≈2.5 kW cm⁻²），光学切片器（SR540）以10 Hz调制。施加10 min和30 min照射。照射后经TEM（日立H-7100）和DLS（Sympatec Nanophox）表征形貌和粒径分布。

热扩散率测量

光热电（PPE）技术以其高精度测量纳米流体热扩散率。50 µm铜箔作热电发电机，52 µm PVDF膜作探测器。激光诱导热波穿透样品产生与热扩散率成正比电压。锁相放大器（SR 530）在6.7 Hz记录振幅相位，腔扫描法（方程6-8）拟合数据提取α。

结果与讨论

热波产生

调制频率关键影响热波振幅。仿真（图2）指示10 Hz左右为最优频率，平衡信号振幅与噪声。光吸收由粒径、形状、浓度驱动，直接影响热波强度。Al₂O₃/水纳米流体吸收良好，入射光吸收高达13%——更高纳米颗粒浓度进一步增强吸收。

碎裂动力学

TEM图像（图5）显示粒径渐进减小：照射前16.4±7.8 nm，10 min后14.2±5.4 nm，30 min后12.0±3.5 nm。DLS数据（图6）确认分布向窄单分散演变，水动力学直径从~90 nm照射后降至~91 nm。碎裂在~30 min饱和，因颗粒达临界尺寸，吸收诱导消融减弱。

热扩散率增强

蒸馏水校准得α=1.446×10⁻³ cm² s⁻¹（文献值1%以内）。纳米流体α从1.444±0.008×10⁻³ cm² s⁻¹（无照射）增至1.498±0.012×10⁻³ cm² s⁻¹（30 min后）（图7）。3–6%升幅反映布朗运动增强和团聚体尺寸减小，促进颗粒向基础流体高效传热。热扩散率改善彰显调制CW激光碎裂作为纳米流体优化实用策略的有效性。

结论

调制CW激光照射高效碎裂Al₂O₃团聚体，产生窄粒径分布，30 min内热扩散率提升高达6%。这种低成本、可放大方法展示光热碎裂调控纳米流体传热性能的可行性，对工业换热器、电子冷却、医疗治疗有启示。