Наномодифицированные светопоглощающие покрытия с улучшенными оптическими и термическими свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Эззеддин Бахаа

• Эззеддин Бахаа
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Эззеддин Бахаа

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования

1.1. Исследования процессов светопоглощения

1.2. Виды покрытий для интенсификации светопоглощения, использование наномодифицированных покрытий и способы их изготовления

1.3. Конструкции солнечных коллекторов, их характеристики

1.4. Механизмы светопоглощения наномодифицированными покрытиями

1.5. Факторы, влияющие на эффективность светопоглощения наномодифицированным покрытием

1.6. Факторы, влияющие на теплопроводность нанопокрытий

Выводы по 1 главе

Глава 2. Математическая модель температурных полей в наномодифицированных покрытиях

2.1. Математическая модель нестационарного температурного поля плоской неограниченной пластины

2.2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных

Выводы по 2 главе

Глава 3. Методика эксперимента: подготовка образцов, измерения и обсуждение результатов

3.1. Подготовка наноматериалов и модифицированного нанопокрытия

3.2. Методика экспериментальных исследований

3.3. Планирование экспериментальных работ

3.4. Схема экспериментальной установки

3.5. Методика обработки экспериментальных результатов

3.6. Анализ экспериментальных результатов

Выводы по 3 главе

Глава 4. Проектирование и расчеты солнечной системы водяного отопления, доступные возможности улучшения и экономическая целесообразность модифицированного покрытия

4.1. Конструкция солнечного коллектора

4.2. Рекомендации по изготовлению и эксплуатации солнечного коллектора

4.3. Экономическое сравнение модифицированных покрытий и обычных неселективных покрытий, используемых в солнечных коллекторах

Выводы по 4 главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А - площадь, м2;

2

а - площадь поперечного сечения электромагнита, м2;

й - диаметр нанотрубки, м;

^о - магнитная постоянная, Н/м;

i - электрический ток, проходящий через катушку, А;

g - длина зазора между электромагнитом и частицей катализатора, м;

l - длина углеродной нанотрубки, м;

5 - расстояние, пройденное каталитической частицей, м;

F - эффективная сила, Н;

и - скорость объекта в жидкости, м/с;

Ср - удельная теплоемкость, Дж/(гК);

V - объём, м3;

т - масса, Кг;

Qпог - количество тепла, поглощенного образцом, Вт; Qп - тепловые потери на излучение и конвекцию, Вт; t - температура в градусах Цельсия, С; Т - температура в градусах Кельвина, К; Им -коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К); I - интенсивность падающего излучения, Вт/м2; п - число витков катушки электромагнита, Виток; q - тепловой поток, Вт/м2;

£изол - коэффициент теплопроводности изоляционного материала, Вт/м.К; йизол - толщина изоляционного материала, М;

АРе - эффективный перепад давления из-за выталкивающей силы, Па;

АР\ - перепад давления из-за выталкивающей силы в коллекторе, Па;

ДР2 - перепад давления из-за изменения плотности в соединительных трубках,

Па;

иь - общий коэффициент теплопотерь коллектора, Вт/м2;

Н - высота свободной поверхности воды над коллектором , М; С - параметр, зависящий от конкретной геометрии и пространственного расположения препятствий; ОЭ - оптическая плотность; ТВ - процент твердых веществ;

Яе - число Рейнольдса, (Яе = ^^ + .);

г

Ки - число Нуссельта, ( Ыи = 0.86 *

Яе1/2 * Рг1/3);

V

Рг - число Прандтля, ( Рг = —); £1 - диэлектрическая проницаемость;

^уНТ - комплексное волновое число поверхностного плазмона в углеродной нанотрубке;

V - объемный расход, М3/сек;

т - массовый расход, Кг /сек;

Рс - давление в коллекторе, Па;

Р2 - давление в соединительных трубах, Па;

Рз - полные потери давления в системе, Па;

Греческие символы

А - разница между двумя значениями; у - коэффициент вязкости жидкости, Пас; 5 - длина молекулы поверхностно-активного вещества, м; р - плотность жидкости, Кг/м3;

т - время, необходимое каталитической частице для прохождения расстояния S, равное времени шага, сек;

ф - объемная доля углеродных нанотрубок в сухом слое покрытия; £ - коэффициент теплового излучения; а - постоянная Стефана - Больцмана, Вт/м2К4; а - коэффициент оптического поглощения; Тс - коэффициент стеклования;

в - коэффициент объемного расширения;

Индексы

М - магнитная сила; ВТ - вязкое трение; под - подложка;

1 - начало;

2 - окончательный;

с.м.пок - сухое модифицированное покрытие; в.м.пок - влажное модифицированное покрытие; разб - разбавитель;

с.нм.пок - сухое немодифицированное покрытие;

в.нм.пок - влажное немодифицированное покрытие;

УНТ - углеродные нанотрубки;

в - окружающая среда (внешняя среда);

кс - коллоидная суспензия;

дисп - диспергатор;

испол - использован;

верх - верхняя сторона;

край - боковые края;

зад - задняя сторона;

гор - горячая сторона;

хол - холодная сторона;

к - крышка коллектора

н - небо;

пп - поглощающая пластина; тр - точки росы;

х - расстояние от входа коллектора; т - среднее значение; й - вход солнечного коллектора; Ю - выход солнечного коллектора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наномодифицированные светопоглощающие покрытия с улучшенными оптическими и термическими свойствами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Разработка технических систем, использующих солнечную энергию в промышленных и бытовых целях - это современное актуальное направление в области возобновляемых экологически чистых источников энергии. Одним из видов солнечной энергетики является гелиотермальная энергетика, в основе которой лежит нагревание поверхности, поглощающей солнечные лучи, и последующее использование тепла. Ключевой элемент гелиотермальных устройств - это слой светопоглощающего материала, который преобразует световую энергию (энергию фотонов) в тепловую энергию.

Углеродные нанотрубки (УНТ), имеющие уникальные оптические и теплофизические характеристики, могут быть использованы для повышения эффективности светопоглощающих покрытий за счет генерации фотонами тепловых плазмонов, что является дополнительным механизмом преобразования энергии электромагнитных волн в тепло.

В данной работе решается актуальная в научном и практическом плане задача интенсификации процесса светопоглощения материалом покрытия солнечных коллекторов за счет использования УНТ.

Работа также актуальна для Сирийской Арабской Республики, для территории которой характерна высокая солнечная активность вследствие ее географического положения.

Степень разработанности темы. На сегодняшний день опубликованы результаты ряда исследований, в которых наноматериалы использовались для повышения коэффициента поглощения солнечных панелей. Рассматривались варианты либо нанесения наноматериалов в виде тонкой пленки на светопоглощающее покрытие (на наружной или внутренней поверхности слоя покрытия), либо внесения наноматериалов в слой покрытия, причем в обоих случаях отмечалось увеличение коэффициента светопоглощения.

В каждом из этих исследований использовался один тип наноматериалов. В данной работе исследуется возможность использования смеси

наноматериалов (УНТ с различными диаметрами и длинами), что позволит расширить спектр эффективного поглощения и, таким образом, дополнительно увеличить коэффициент светопоглощения. Это исследование является первым в своем роде с точки зрения использования углеродных нанотрубок для улучшения оптических и термических свойств неселективных светопоглощающих покрытий.

Объектом исследовании является светопоглощающее покрытие солнечных коллекторов гелиотермальных систем.

Предметом исследования являются особенности и закономерности процесса светопоглощения покрытием солнечных коллекторов, модифицированным углеродными нанотрубками.

Цель работы - разработка методов улучшения оптических и термических свойств светопоглощающих покрытий гелиотермальных устройств за счет использования углеродных нанотрубок в качестве светосорбирующей и теплопроводящей добавки.

Задачи диссертационного исследования можно суммировать по следующим пунктам:

1. Изучение типов солнечных коллекторов и характеристик материалов светопоглощающих покрытий.

2. Изучение механизма поглощения света в объемных материалах и наноматериалах и механизма взаимодействия матрицы модифицированного покрытия (исходный материал + углеродные нанотрубки) с электромагнитными волнами.

3. Определение типа углеродных нанотрубок, обеспечивающих наибольшее повышение оптического поглощения модифицированного покрытия.

4. Разработка способа модификации светопоглощающего покрытия углеродными нанотрубками.

5. Определение эффективного массового соотношения углеродных нанотрубок в матрице покрытия, обеспечивающего достижение наибольшего

значения коэффициента оптического поглощения и теплопроводности слоя покрытия.

6. Расчет тепловых потоков и тепловых потерь в солнечном коллекторе.

7. Исследование возможности пространственной ориентации углеродных нанотрубок в слое светопоглощающего покрытия.

8. Обоснование экономической целесообразности использования углеродных нанотрубок для модификации покрытий солнечных коллекторов.

Методология и методы исслелования основаны на теории взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, принципах планирования и проведения экспериментальных исследований, методах математического моделирования тепловых процессов.

Научная новизна:

1. Доказана возможность увеличения коэффициента оптического поглощения и теплопроводности светопоглощающего слоя солнечных коллекторов при использовании наномодификатора на основе углеродных нанотрубок.

2. Сформулированы представления о механизме и закономерностях взаимодействия наномодифицированного покрытия с электромагнитными волнами, заключающиеся в описании условий возникновения и протекания явления плазмонного резонанса, обеспечивающего дополнительное тепловыделение в процессе светопоглощения.

3. Определены зависимости параметров наномодифицированного светопоглощающего покрытия (коэффициент оптического поглощения, степень черноты, теплопроводность, адгезионная прочность и термостойкость) от концентрации углеродных нанотрубок в материале покрытия.

4. Доказано влияние пространственной ориентации углеродных нанотрубок в слое светопоглощающего покрытия на значения коэффициента оптического поглощения и теплопроводность наномодифицированного материала покрытия.

Теоретическая значимость заключается в том, что:

1. Объяснен механизм взаимодействия материала модифицированного покрытия с электромагнитными волнами.

2. Обоснована наиболее эффективная массовая концентрация углеродных нанотрубок в слое покрытия, которая обеспечивает наибольшее повышение оптического поглощения и теплопроводности слоя покрытия.

3. Разработан новый метод пространственного ориентирования углеродных нанотрубок в слое покрытия.

Практическая значимость заключаются в том, что:

1. Разработано новое светопоглощающее покрытие, модифицированное углеродными нанотрубками, имеющее более высокие коэффициент поглощения солнечного излучения и теплопроводность, чем исходное немодифицированное покрытие.

2. Разработана новая технология получения наномодифицированного светопоглощающего покрытия для использования в гелиотермальных системах, обеспечивающего более высокую степень поглощения солнечной энергии по сравнению с традиционными светопоглощающими покрытиями.

3. Для решения задач проектирования светопоглощающих панелей гелиотермальных систем предложен способ расчета температурного поля и тепловых потоков в наномодифицированном слое покрытия на основе аналитического решения задачи нестационарной теплопроводности для неограниченной однослойной пластины с функциональным источником тепла

4. Предложена методика расчета магнитного устройства, позволяющая определить условия пространственной переориентации углеродных нанотрубок, не отмытых от частиц металлического катализатора, в вязкой среде под воздействием магнитного поля.

Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечивается большим количеством экспериментальных данных, их воспроизводимостью и применением современного исследовательского оборудования. Достоверность

результатов математического моделирования обусловлена использованием точных аналитических решений дифференциальных уравнений моделей.

Основные защищаемые положения:

1. При одинаковой массовой концентрации углеродных нанотрубок в материале покрытия его светопоглощающие свойства улучшаются при уменьшении средних размеров (диаметра и длины) углеродных нанотрубок

2. Наибольшее улучшение оптических и термических характеристик наномодифицированного покрытия достигается при концентрации углеродных нанотрубок, равной 0,07 масс. %.

3. Наиболее полную информацию о температурном поле и тепловых потоках в наномодифицированном слое покрытия дает аналитическое решение нестационарной задачи теплопроводности для неограниченной пластины с объемным источником тепла.

4. Использование внешнего магнитного поля позволяет улучшить теплопроводность и оптическое поглощение наномодифицированного покрытия за счет пространственной переориентации углеродных нанотрубок, не отмытых от частиц катализатора, в слое покрытия.

5. Использование углеродных нанотрубок для модификации светопоглощающего покрытия позволяет снизить площадь поверхности светопоглощения на 2,67 % и уменьшить стоимость материала покрытия.

Апробация материалов исследования.

Основные положения диссертационной работы докладывались на III Международной научно-практической конференции "Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение". (Тамбов - 2019), 7-й Международной научно-практической конференции молодых учёных «Мир науки без границ» (Тамбов - 2020), IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2020.

Публикации: На тему диссертационного исследования опубликовано 8 работ, из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК, 2

статьи в изданиях, проиндексированных в Scopus, 3 статьи в рецензируемых журналах и сборниках научных трудов.

Личный вклад автора: Формулировка целей и задач работы, разработка программы экспериментальных исследований, техническое и приборное обеспечение экспериментальных исследований, разработка технологии и получение образцов наномодифицированного покрытия, выполнение экспериментальных исследований, обработка и анализ полученных данных, подготовка публикаций результатов исследования.

Структура диссертации: Результаты диссертационного исследования изложены на 179 страниц текста, состоящего из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 126 наименований и 5 приложений. Работа иллюстрирована 38 рисунками и содержит 56 таблиц.

Глава 1. Литературный обзор и постановка задачи исследования

В этой главе представляется подробное объяснение механизмов оптического поглощения в объемных материалах и наноматериалах, а также типов солнечных коллекторов, их характеристик, области использования каждого из них и типов светопоглощающих слоев. Был проведен обзор литературы для исследования, в котором наноматериалы использовались для модификации поглощающего слоя, а также были выявлены факторы, влияющие как на оптическое поглощение, так и на теплопроводность покрытия.

1.1. Исследования процессов светопоглощения

1.1.1. Механизм оптического поглощения в объемных материалах

Когда свет попадает на поверхность объекта, световой луч делится на три части, первая часть - это отраженный луч, и эта часть отражается от поверхности, на которую падает световой луч, Если поверхность гладкая, происходит так называемое «зеркальное отражение», когда лучи отражаются в одном направлении, но если поверхность шероховатая, происходит так называемое «диффузное отражение», при котором лучи отражаются в разных направлениях из-за разницы в угле между входящим лучом на каждую из поверхностных частиц и столбиком, на котором он расположен. Стоит отметить, что оба типа подчиняются закону отражения, согласно которому угол падения в^ = вг равен углу отражения [1]. На рисунке 1 схематически показаны оба типа отражения.

Рисунок 1 — Типы отражения: (А) зеркальное отражение, (Б) диффузное

отражение

Вторая часть - это преломленный луч, который представляет собой луч света, который может проходить через упавший на него материал и выходить с другой стороны материала, на которую падает свет. Возможно, что преломленный свет не выходит из материала, и это явление называется «экстинкция света», при котором и рассеяние, и поглощение света осуществляется частицами материала [2] в процессе ослабления световых фотонов. Третья часть - это поглощенная светового луча, где фотоны света проникают в материал и поглощаются на разной глубине (рис. 2).

Лицевая сторона

Интенсивность фотона I

Рисунок 2 — Схема световых лучей, проникающих на разную глубину в материал, поглощающий фотоны

Взаимодействие обмена энергией с тепловым излучением (электромагнитным излучением) может быт объяснена следующим уравнением

[3]:

а + р + т = 1 (1.1)

где: а - спектральная составляющая поглощения, р - спектральная составляющая отражения и т - спектральная составляющая пропускания. Эти элементы являются функцией длины волны (X) электромагнитного излучения.

В случае твердых объектов, через которые не проникает свет, предыдущее уравнение принимает следующий вид:

а + р = 1 (1.2)

Что касается прохождения света в газовой среде, где нет отражения света, уравнение (1.1) принимает следующий вид:

а + т = 1 (1.3)

Если энергия фотона, падающего на материал, достаточна, чтобы вытолкнуть электрон из атома, которому он принадлежит, то мы получаем фотоэлектрический эффект. В случае полупроводниковых материалов мы получаем то, что называется внутренним фотоэлектрическим эффектом, при котором электрон не покидает материал, а создаются электронно-дырочные пары. В случае металлических материалов мы получаем так называемый внешний фотоэлектрический эффект, при котором электрон покидает материал. В обоих случаях электрическое напряжение создается разделением зарядов, и свет должен иметь достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер для возбуждения [4], и в этом случае энергия фотона преобразуется в электрическую энергию. Если энергия падающего фотона больше, чем энергия извлечения электрона из его атома, дополнительная энергия преобразуется в кинетическую энергию электрона [5].

В другом случае, когда энергия падающего фотона на атом вещества меньше, чем энергия, необходимая для освобождения электрона от атома, которому он принадлежит, тогда процесс поглощения падающего фотона и повторного излучения нового фотона происходит согласно нескольким следующим возможностям. Когда электромагнитное излучение падает на вещество, атомы (или молекулы) этого материала взаимодействуют с фотонами, составляющими электромагнитное излучение, и результатом этого взаимодействия является возбуждение электронов атома, а затем эти электроны прыгают со своих основных орбит (часто из основного состояния) на орбиты с более высокой энергией (возбудимость, гипотетическое состояние), после чего начинается фаза релаксации, в которой электроны, перешедшие в возбужденное состояние, перескакивают на более низкий энергетический уровень, и атом испускают фотоны.

Процесс поглощения фотона и переизлучения фотона называется процессом рассеяния. Различают два основных типа: упругое рассеяние (рассеяние Рэлея) и неупругое рассеяние (рассеяние Рамана). Упругое рассеяние происходит, когда возбужденные электроны, которые перешли из

основного состояния в состояние возбуждения, снова возвращаются в основное состояние, и, таким образом, энергия излучаемого фотона возвращаемого от атома материала равна энергии падающего фотона на него, и в этом случае нет усиления или потери колебательной энергии у электронов [6].

Что касается неупругого рассеяния, оно происходит, когда возбужденные электроны, которые перешли из основного состояния или определенного колебательного состояния, возвращаются в состояние, отличное от того, в котором они находились до возбуждения, и таким образом, энергия фотона, испущенного из атома материала, отличается от энергии падающего фотона, поэтому, если электрон движется из основного состояния в виртуальное состояние (состояние возбуждения), а затем возвращается после релаксации в колебательное состояние, которое имеет более высокий уровень энергии, чем основное состояние. Таким образом, атом материала будет излучать фотон с меньшей энергией к * у0 — к * ут(следовательно, его частота ниже), чем энергия фотона к*у0 (его частота у0), которую поглотил атом. Этот тип называется «Стокс-Раман» рассеянием, разница в энергии между двумя энергиями фонона, поглощенными и испускаемыми, превращается в колебательную энергию электрона в и тепловую энергию.

Но если электрон переместился из определенного колебательного состояния, а затем вернулся после релаксации в основное состояние (которое имеет более низкий уровень энергии, чем начальное состояние), тогда атома материала излучает фотон, энергия которого к * у0 + к * ут больше (следовательно, его частота больше), чем энергия фотона (его частота), которую поглощает атом к *у0. Этот тип рассеяния называется «Антистокс-Раман» рассеянием. увеличение энергии испускаемого фотона происходит за счет уменьшения колебательной энергии электрона [6].

На приведенной ниже диаграмме (рис. 3) показаны различные типы рассеяния.

Рисунок 3 — Типы рассеяния: упругое (Рэлей рассеяние) и неупругое (Стокс-Раман рассеяние и Антистокс-Раман рассеяние

Стоит отметить, что большинство рассеяний относится к типу рэлеевского рассеяния, в то время как количество состояний рамановского рассеяния намного меньше (один фотон на 106-1010 фотонов), а количество состояний стоксовского рассеяния намного больше, чем количество антистокс состояний, поскольку количество атомов, содержащих электроны в основном состоянии, намного больше, чем то, которое содержит электроны в колебательном состоянии до получения фотоном возбуждения [6].

Возбуждение электрона связано с колебательным возбуждением молекул, оно происходит, когда частота падающего фотона согласуется с частотой колебания связи в молекуле, а его энергия меньше энергии, необходимой для того, чтобы вызвать электронное возбуждение, это вызывает изменение колебательного состояния связи (т. е. изменение температуры) [7]. В случае молекул возбуждение валентных электронов, образующих молекулярные связи в материале, происходит с уровнем энергии ниже, чем тот, который необходим для того, чтобы вызвать электронное возбуждение в разделенных атомах.

Взаимодействие материалов в их наносостоянии с электромагнитными волнами (фононами и фотонами) отличается от взаимодействия того же

материала в его объемном состоянии с этими электромагнитными волнами. Из-за небольшого размера частиц наноматериалов электроны в нем не могут свободно двигаться, как в случае объемных материалов. В результате этого квантового ограничения электронов затрагиваются энергии как орбиты проводимости, так и валентной орбиты. Оптические свойства, такие как излучение и поглощение, возникают, когда происходит перенос электронов между этими двумя полосами, таким образом, с увеличением ширины запрещенной полосы с уменьшением размера частиц, особенно для полупроводниковых наноматериалов ДЕ энергия фотонов, необходимая для возбуждения, увеличивается (т.е. длина волны уменьшается ). Таким образом, полупроводниковые наноматериалы поглощают и излучают свет с определенными длинами волн, которые сильно зависят как от размера, так и от формы частиц из-за эффектов квантового ограничения. Изменяя размер и состав наноматериалов, длины волн их излучения можно настраивать интервал от ультрафиолета через видимую область до ближней инфракрасной области спектра [8].

С целью иллюстрации уменьшения плотности света (потока фотонов) по мере того, как луч проникает в материал, мы разделим поглощающий материал на тонкие слои равной толщины t (рис. 4). Будем считать поглощающий материал однородным. Когда свет проходит через каждый слой, небольшая его часть будет поглощаться, и мы будем использовать символ (А) для обозначения поглощенной доли и символ (I) для обозначения интенсивности света, падающего на поверхность поглощающего материала. Тогда доля света, которая проходит через первый слой поглощающего материала, будет (1 - А) * I. Когда свет попадает во второй слой, будет поглощаться другая часть света и часть света, которая проходит через первый поглощающий материал, будет (1 -А) 2 * I. Это происходит до тех пор, пока весь падающий свет не будет поглощен поглощающим материалом [9].

Рисунок 4 — Свет, падающий на светопоглощающий материал, состоящий из

(п) слоев одинаковой толщины (^

В слое (п) светопоглощающего материала общее поглощение ТА во всех поглощающих слоях доля А равна:

Тл=А + А*(1-А) + А*(1-А)2 + . . . + А*(1-А)

п-1

(1.4)

Первый член в уравнении (1.4) представляет собой поглощение первым слоем, а второй член уравнения представляет собой поглощение света во втором слое и так далее.

Если свет проходит через слой (п) (то есть поглощающий материал не поглощает весь падающий свет), общее поглощение ТТ во всех поглощенных слоях фракции А будет:

Тт = (1 - А)2

(1.5)

Уравнение (1.4) может быть сформулировано с использованием экспоненциальной функции, поскольку с использованием коэффициента (а) поглощения интенсивность света на глубине I (^ для интенсивности падающего света !о определяется выражением:

/(О = 1о* е

аЬ

(1.6)

В этой формуле (а) задается как часть каждого расстояния, где интенсивность света задается как функция расстояния проникновения в материал, а увеличение значения (а) приводит к уменьшению значения проникновения (глубины).

Формула (1.6) демонстрирует независимость поглощенной части света от интенсивности падающего света, поскольку для конкретной длины волны света каждая последующая равная толщина светопоглощающего материала поглощает равную часть проходящего через него света, а поглощенная часть связана как с длиной волны света, так и со свойствами материала, на который падает свет.

Чтобы понять механизм процесса поглощения электромагнитного излучения в материалах, в общем, мы рассмотрим процесс на атомном уровне, поскольку электроны в атомах занимают одно из нескольких стабильных электронных состояний Еп (что означает, что электрон находится в определенном диапазоне энергий), атомы материала не смогут поглощать свет (электромагнитное излучение), если энергия (Ьу) фотона не точно соответствует разнице энергий между двумя энергетическими состояниями электрона в этом атоме, которая имеет порядок электрон-вольт. каждое электронное состояние, в свою очередь, состоит из большого числа колебательных состояний, разделенных энергиями порядка 0,01 эВ. колебательные состояния далее разделяются на вращательные состояния, разнесенные друг от друга примерно на 0,01 эВ. Вращательные состояния наблюдаются в УФ и видимы только для газов. как интенсивность поглощенного света, так и положение полос (энергия) вносят вклад в характеристику спектра поглощения [10].

1.1.2. Количественные характеристики спектральной интенсивности

Коэффициент светопоглощения - термин, используемый для определения глубины проникновения света определенной длины волны в материал, на который он падает, до того, как он будет поглощен [11].

Коэффициент поглощения для данной длины волны а (X) может быть определен по формуле (1.6), а также может быть получен из поглощения (А^). Поскольку свет с интенсивностью I (X) падает на материал, часть света (Я) отражается, а часть (Т) появляется с другой стороны материала а после того, как свет прошел толщину d. Поглощение для этой длины волны рассчитывается по формуле:

А(Х) = 1(Х) — Т(Х) — Я(Х) (1.7)

Подставляя уравнение. (1.7) в уравнение. (1.6) связь между Т и I - Я может быть выражена как

Т(Х) = [1(Х) — Я(А)] * е-а(л)а (1.8)

Поэтому поглощение Ааь8 = а(Х)й можно определить как

Т(Л)

АаЬв =

(1.9)

и(л)-к(л)1

Отсюда коэффициент поглощения а (X) на длине волны X можно определить как

л т(х) ]

а (А) =^= ку(Л)1 (1.10)

Коэффициент оптической экстинкции определяется как чистая потеря или затухание света при прохождении через материал и представляет собой оптическое затухание на единицу толщины материала [12]. Коэффициент экстинкции можно определить по следующей формуле:

ОЕ = 1п(0) (1.11)

где: I 0 - исходная интенсивность света, I — интенсивность света на единице толщины материала.

Коэффициент экстинкции различных химических связей и колебательных мод сильно различается [13].

Оптическая плотность для каждой заданной толщины материала измеряется стандартным спектрофотометром. Оптическая плотность материала может быть определена на любой длине волны, но в случае наночастиц обычно

задается на длине волны, которая соответствует пиковому поглощению [11]. Оптическую плотность можно рассчитать по формуле:

ОБ = 1одю (у) (1.12)

где: 10 - исходная интенсивность света, I — интенсивность света на заданной толщине материала.

Оптическое рассеяние возникает из-за яркости поверхности (или атомов / молекул вещества), на которую падает свет (или электромагнитное излучение), поэтому чем ярче поверхность, тем более рассеянный свет падает на нее. Способность частиц рассеивать свет изменяется в зависимости от их размера и длины падающих на них электромагнитных волн, поэтому чем меньше частицы, тем меньше их способность рассеивать эти волны, а также чем больше длина электромагнитных волн, падающих на материал, тем меньше они рассеиваются [14].

1.1.3. Экспериментальная техника

Спектрофотометрия - это метод измерения степени поглощения света конкретным химическим веществом путем измерения интенсивности луча света, проходящего через образец раствора. Основной принцип этого метода заключается в том, что каждое соединение имеет определенный диапазон длин волн, в котором оно поглощает, отражает или пропускает свет.

Этот метод можно разделить на два типа: с использованием ультрафиолетового и видимого диапазона спектра; с использованием инфракрасного диапазона.

УФ-видимый спектрофотометр использует свет в ультрафиолетовом диапазоне (185-400 нм) и видимом диапазоне (400-700 нм) спектра электромагнитного излучения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Эззеддин Бахаа, 2022 год

Источник белогс

Барьер с отверстием

Рисунок 5 — Иллюстрация метода измерения поглощения света материалами

ИК-спектрофотометр: использует свет в инфракрасном диапазоне (70015000 нм) спектра электромагнитного излучения.

Инфракрасная спектрофотометрия используется для идентификации материалов, в том числе органических полимеров. Инфракрасные спектрофотометры записывают относительное количество энергии как функцию длины волны / частоты инфракрасного луча при его прохождении через образец. Таким образом, химический состав различных образцов будет отражать различия в спектре поглощения инфракрасного излучения, что позволяет идентифицировать образец. В отличие от дисперсионной спектроскопии, FTIR-спектрометр или FTIR-спектрофотометр используются для одновременного получения спектральных данных для образца. Для этого используется интерферометр для сбора интерферограммы, которая затем может быть переведена в инфракрасный спектр образца с помощью алгоритма преобразования Фурье [15].

1.1.4. Результаты исследований в области светопоглощения

Когда солнечное излучение попадает на поглощающую поверхность солнечного коллектора, эта поверхность поглощает световую энергию, и в результате этого ее температура начинает повышаться и излучать тепловую энергию.

Когда температура поглощающей поверхности составляет 100°С, выделяемая ею энергия незначительна. Однако, когда его температура поднимается выше этого предела, количество излучаемой энергии начинает увеличиваться. Повышение энергоэффективности и снижение потерь, связанных с тепловыми выбросами, может достигаться двумя разными способами. В первом случае используется стеклянная крышка со слоем, который отражает излучение на X < 3000 нт, так что излучение, испускаемое с поверхности поглощения, возвращается на ту же поверхность. В более распространенном втором методе для уменьшения потерь тепла используется поглощающая поверхность с низким тепловыделением [16].

Существует множество различных принципов конструкции и физических механизмов, которые могут быть использованы для получения селективных поглощающих поверхностей в солнечных коллекторах. На рисунке 6 показан дизайн шести типов селективных поверхностей.

Рисунок 6 — Схематическое изображение шести различных покрытий и обработок поверхности для избирательного поглощения солнечной энергии

Наиболее часто используемыми типами селективных оптических поглощающих слоев являются те, в которых используется материал, обладающий желаемым типом спектральной селективности. В целом, этот подход не был очень плодотворным, но работа с 7гВ2 [17] и некоторыми другими соединениями указывает на наличие внутренних селективных материалов.

Полупроводниковый металлический тандем может предоставить желаемую спектральную селективность за счет поглощения коротковолнового излучения в полупроводнике с шириной запрещенной полосы ~ 0,6 эВ, а также иметь низкое тепловыделение за счет основного металла. Недостатки этого типа заключаются в том, что эти поверхности содержат полупроводники, которые имеют нежелательно большие показатели преломления, и это

вызывает высокие потери на отражение. Пример работы в этой категории представлен конструкциями на основе Si, полученными методом химического осаждения из газовой фазы [18,19].

Многослойные поглотители могут быть эффективными селективными поглотителями солнечного излучения. Конструкцию этого типа избирательной впитывающей поверхности можно улучшить из-за относительной простоты расчета ее оптических характеристик. Один интересный пример - А1203 / МО / А1203, который первоначально был разработан для космической программы США [20].

Композитные покрытия металл-диэлектрик состоят из очень мелких металлических частиц в диэлектрической основе. Оптические свойства этих покрытии могут быть промежуточными между свойствами металла и диэлектрика. Концепция металл-диэлектрик обеспечивает высокую степень гибкости, позволяет оптимизировать селективность, варьируя выбор компонентов, толщину покрытия, концентрацию частиц, а также размер, форму и ориентацию частиц. Композитные покрытия могут быть получены различными способами, такими как гальваническое покрытие, анодирование, неорганическое окрашивание анодированного алюминия, химическое осаждение из паровой фазы и совместное осаждение металла и изолятора путем испарения и распыления.

Текстурированные поверхности могут создавать высокий коэффициент поглощения солнечного излучения за счет многократных отражений от металлических дендритов, находящихся на расстоянии ~ 2000 нм друг от друга, в то время как эта текстура не влияет на длинноволновую излучательную способность. Эти покрытия получают из вольфрама методом химического осаждения из паровой фазы [21], из меди, никеля и нержавеющей стали путем травления и распыления [22].

Ключ к идее селективной поверхности состоит в том, что длины волн, которые будет излучать светопоглощающей поверхностью, отличаются от длин волн видимого солнечного спектра. Хотя оптическое поглощение должно быть

равно излучению на каждой указанной длине волны, оно может меняться с каждой длиной волны. Следовательно, в обычных селективных поверхностях испозуются материалы с минимальным значением отражения (и, следовательно, высоким коэффициентом поглощения) в диапазоне длин волн солнечного света и с высоким коэффициентом отражения (и, следовательно, низким уровнем излучения) в инфракрасном диапазоне теплового излучения. В случаях низких температур (до 100°С) нет значительного перекрытия между тепловым спектром излучения тела и солнечным спектром, но в случае поверхностей избирательного поглощения, которые работают при высоких температурах, как в случае вакуумных трубок, линейная фокусировка системы и солнечные башни, надо учитывать коэффициент излучения поверхности [23].

1.2. Виды покрытий для интенсификации светопоглощения, использование наномодифицированных покрытий и способы их

изготовления

1.2.1. Виды покрытий для интенсификации светопоглощения Покрытии, используемые для интенсификации оптического поглощения, должны иметь много преимуществ, так как они должны выдерживать высокие температуры с хорошей адгезией к поверхности, также они должны быть устойчивым к деградации под воздействием ультрафиолетовых лучей, кроме того, они должны иметь высокий коэффициент оптического поглощения (для этого используются покрытия темного цвета), а коэффициент теплового излучения должен быть минимальным.

Селективные покрытии, используемые в солнечных панелях и трубках, различаются друг от друга в состава и способа их нанесения на светопоглощающие поверхности. В общем, существует два основных типа селективных покрытий: первый тип - это покрытие, которое можно наносить кистью или распылением, этот тип покрытий обычно используются полимерные покрытия, которые могут выдерживать высокие температуры с

некоторыми добавками, улучшающими стабильность и адгезии, этот тип используется в легких и средних применениях.

Второй тип покрытий, используемых для нанесения слоя покрытия на светопоглощающие поверхности, - это покрытия, которые наносятся на поверхности с помощью методов электростатического или вакуумного осаждения. Этот метод используется для получения покрытий, выдерживающих высокую рабочую температуру, и он требуется в некоторых применениях, таких как солнечные электростанции, где температура жидкости, помещаемой на центральную башню, достигает 700 ° C [24].

1.2.2. Использование наномодифицированных покрытий и способы их

приготовления

Светопоглошающий слой является частью ответственной за преобразование световой энергии в тепловую, поэтому исследователи работали над улучшением этого слоя. Использование наноматериалов открыло широкие возможности для повышения эффективности этого слоя, и повысить его долговечность и способность противостоять более высоким температурам, а также снизить его стоимость.

В связи с этим Tae Kyoung Kim и др. [25] разработали функционального покрытия светопоглощающего слоя, содержащее тандемные структуры с наночастицами черного оксида (НЧ) CuFeMnO4 и CuCr2O4. Вышеупомянутое покрытие состоит из двух слоев. Первый слой представляет собой плотный слой и состоит из наночастиц черного оксида, диспергированных связующем растворе на соотношении 1:0,25 (НЧ / смола) посредством медленного сферического измельчения. Раствор смолы состоит из 7 масс. %. Раствора метилфенилполисилоксана, разбавленного дополнительными растворителями (изобутанол, ксилол). Второй слой состоит из наночастиц черного оксида, полимерных шариков и раствора связующего с массовым соотношением 1,0 / 0,8 / 1,1 (частицы / шарики / связующая смола), и частицы диспергируются в матрице смолы с помощью ультразвуковой аппаратуры. Используемые

полимерные шарики представляют собой два типа полимерных шариков, а именно шарики из сшитого полистирола (SX-130H) и акриловые шарики 400 нм (MP2701). При термической обработке в верхнем слое покрытия образуются микропоры и нанопоры в результате разложения гранул полимера. Этот слой покрытия доказал свою способность выдерживать высокие температуры до 750 ° C. Эти конструкции также демонстрируют чрезвычайно высокую эффективность преобразования солнечной энергии в тепло, а покрытие имеет превосходную долговечность по сравнению с покрытием типа Pyromark 2500 (LA-CO), что позволяя его использовать концентрированных солнечных электростанций.

В другом исследовании [26] описан разработанный светопоглощающий слой. Селективный светопоглощающий слой состоит из трех слоев: нижний слой представляет собой слой Ag, нанесенный безреактивным распылением, второй слой состоит из селективного светопоглощающего материала, который представляет собой нанокерметный слой Ag-Al2O3, который также был нанесен методом безреактивного распыления, а третий и последний слой состоит из антиотражающего покрытия из Al2O3, нанесенного методом реактивного распыления. Исследование показало, что с увеличением содержания Ag в Ag -Al2O3 величина излучения увеличивалась из-за увеличения шероховатости поверхности. Исследование также показало, что вакуумная пластификация влияет на термическую стабильность светопоглощающих слоев, поскольку это покрытие поддерживало свою стабильность при температуре до 200 ° C в течение двух часов. Наконец, это исследование пришло к выводу, что разработанное покрытие показало высокое поглощение в видимом зоне и низкое излучение в инфракрасном зоне солнечного спектра.

Говоря о селективном светопоглощающем покрытии, выдерживающем высокие температуры, мы должны упомянуть исследование, проведенное Джэюном Муном и др [27], где они подготовили селективное светопоглощающее покрытие, содержащее наночастицы черного оксида (наночастицы оксида кобальта CO3O4 ). С целю приготовления покрытия

использовалась метилфенилполисилоксановая смола в качестве прекурсора для матрицы SiO2. Смолу была разбавлена смесью органических растворителей, состоящей из двух смешивающихся растворителей, ксилола и изобутанола (объемное соотношение 3: 1). Для того чтобы смола хорошо растворилась, ее обрабатывали ультразвуком в течение 30 минут. Во время обработки ультразвуком контейнер с раствором охлаждали на ледяной бане, чтобы избежать изменения концентрации из-за испарения органических растворителей. К смеси были добавлены наночастицы оксида кобальта (COзO4), а также стабильные мелющие шары из диоксида циркония и оксида иттрия. Затем шары измельчали в течение 24 часов, чтобы получилась однородная смесь. Что касается наночастиц оксида кобальта, они были приготовлены с помощью термического водного процесса с использованием соли хлорида кобальта (COQ2 • 6H2O), в которой раствор NaOH постепенно добавлялся в раствор хлорида кобальта, чтобы вызвать осаждение гидроксида кобальта до значения pH количество реакционного раствора достигло 11. Затем проводили гидротермальный синтез при 150 ° C в течение 20 часов, чтобы преобразовать осажденный гидроксид кобальта в оксид кобальта. Затем частицы оксида кобальта промывали деионизированной водой с помощью центрифуги и сушили в лиофилизаторе. Композитные наночастицы отжигали при 750 ° C в течение 2 часов для стабилизации фазы.

С целью улучшения оптического поглощения покрытия, текстура поверхности и топография верхнего слоя были изменены двумя методами. Первый метод заключался в использовании отпечатка пальца с полимерными столбиками SU-8, изготовленными с использованием стандартных процессов микротехнологии. Уплотнения прижимали к поверхности, покрытой CO3O4, и оставляли отпечаток перед стадией обработки смолой. Затем образец был отожжен при 750 ° C в течение 1 часа, чтобы сжигать оставшиеся полимерные столбики. Второй метод создания шероховатой поверхности заключался в слиянии и удалении полимерных шариков микронного размера внутри покрытия COзO4, где была приготовлена смесь, состоящая из COзO4,

полимерных шариков и силиконовой смолы, и был проведен процесс обработки ультразвуком смеси, затем добавляли желаемое количество силиконовой смолы. после чего процесс измельчения в шаровой мельнице и нанесения покрытия распылением. Наконец, покрытые слои отжигали при 750 ° С в течение 1 часа, чтобы удалить полимерные шарики и оставить топографически шероховатую и пористую верхнюю поверхность слоя Со304. Это исследование доказало, что использование наночастиц оксида кобальта (С0304) в качестве селективного светопоглощающего элемента в светопоглощающем слое улучшает оптические характеристики этого слоя, так как величина этого улучшения достигла 88,2%. Что касается долговечности этого слоя при высоких температурах, результаты этого исследования доказали, что структура светопоглощающего слоя осталась неповрежденной после воздействия 750 ° С на воздухе в течение 1000 часов, в то время как сообщалось, что нынешнее коммерческое светопоглощающее покрытие разлагается под воздействием длительное воздействие при высокой температуре.

Недавно Дипак Варма и др. [28] приготовили гибридное впитывающее покрытие, используя технику ротационного покрытия. В этом исследовании для приготовления покрытия поли (2-метокси, 5- (2-этилгексилокси) п-фенилфенил) (МБИ-РРУ) растворяют в хлороформе, в то время как наночастицы СёТе и МБИ-РРУ растворяют в 1-8 % Об. пиридин - хлороформ, после чего смесь нагревают до 50 °С перед нанесением покрытия, чтобы получить соответствующую дисперсию наночастиц СёТе в МБИ-РРУ. Были приготовлены несколько образцов пленок, отличающихся друг от друга содержанием СёТе, и покрытие наносилось на стеклянные подложки с помощью центрифуги для нанесения покрытий МИшап-6000. Результаты этого исследования показали, что для пленки, нанесенной с массовым соотношением СёТе: МБИ-РРУ (40: 3), поглощение простиралось от 350 нм до ближней инфракрасной области. Измерение фотолюминесценции гибридного слоя также подтверждает желаемую диссоциацию экситонов. Солнечный элемент,

изготовленный из смешанных гибридных абсорбционных слоев CdTe / MEH-PPV, показал эффективность преобразования энергии 0,06%.

В другом исследовании G. Katumba et al. [29] о разработке селективного поглошающего покрытия они подготовили два типа покрытий, одно из которых содержит углерод, внедренный в матрицу ZnO, а другой - углерод, внедренный в матрицу NiO. Покрытия наносились на алюминиевые подложки золь-гель методом. Для приготовления покрытий соответствующие количества ацетата цинка и ацетата никеля отдельно растворяли в этаноле путем перемешивания магнитной мешалкой при комнатной температуре. затем добавляли такое количество диэтаноламина в качестве хелатирующего агента, чтобы молярное отношение каждого типа ацетата к DEA и SUC также поддерживалось на уровне 1: 1: 0,6. Эти растворы образовывали прекурсоры ZnO и NiO. SUC растворяли в бидистиллированной и деионизированной воде в массовом соотношении 1: 1 перед смешиванием с растворами предшественников матрицы. Это составляло раствор предшественника углерода. после этого растворы оксида и предшественника углерода смешивали и снова перемешивали. затем полиэтиленгликоль был добавлен к золям предшественников матрицы ZnO и NiO после периода перемешивания. наконец, образцы прокаливали в трубчатой печи в потоке газообразного азота для карбонизации предшественника углерода, а также для сушки и уплотнения оксидной матрицы. Этот метод обеспечивал равномерное распределение углеродных наночастиц в оксидной матрице. Это исследование подтвердило возможность изготовления поверхностей селективных поглотителей солнечного излучения с использованием углеродных наночастиц, внедренных в оксидные матрицы цинка или никеля на алюминиевых подложках. Результаты этого исследования показали, что тепловая эмиссия образцов составляла 6% для образцов C - ZnO и 4% для образцов C - NiO, а коэффициент поглощения солнечного излучения составлял 71% и 84% для образцов ZnO и NiO, соответственно. В зависимости от этих результатов было обнаружено, что поверхность поглотителя на основе C - NiO демонстрирует лучшую

селективность по сравнению с C - ZnO. Следует отметить, что поглотители на основе C - NiO также превосходят по солнечной селективности коммерческие покрытия Solkote paint на алюминии.

В исследовании J. El Nady et al. Для приготовления светопоглощающего слоя, содержащего нанокомпозиты, процесс смешивания немодифицированного покрытия с нанокомпонентом не всегда требуется. [30]. Был разработан слой, поглощающий солнечные лучи, состоящий из черного промышленного слоя покрытия, покрытого слоем наночастиц никеля. Процесс нанесения слоя покрытия, содержащего наночастицы Ni, на медную подложку следующий: коммерческое черное покрытие на основе связующего силоксановой смолы наносится на медные подложки с помощью распылителя с последующим нанесением глянцевого никелевого основного слоя с использованием техники электростатического осаждения. После нанесения слоев покрытия, образцы обрабатывают при 180°C в течение 45 минут, чтобы получить покрытие, устойчивое к нагреванию, погодным условиям и механическим факторам [31]. Для процесса гальваники никелирования в качестве источника питания используется регулируемый источник постоянного тока, а в качестве катода - медная подложка, а в качестве анода используется никелевая пластина чистотой 99,9%. Сульфат никеля используется как источник ионов никеля для осаждения. Для повышения яркости используется сульфат кобальта. Борная кислота действует как слабый буфер для контроля pH раствора. Хлорид аммония используется для повышения эффективности катода и электропроводности раствора. Результаты этого исследования показали, что эффективность солнечных коллекторов, созданных с использованием черного покрытия с яркими наночастицами Ni, лучше, чем с использованием черного покрытия по отдельности, поскольку наночастицы никеля повышают стабильность абсорбирующего покрытия при высоких температурах. Результаты этого исследования подтвердили, что оптическое усиление FR (sa) также уменьшилось в случае модифицированного слоя покрытия по сравнению с немодифицированным слоем, а также было обнаружено, что общие потери

тепла FR (UL) составляют 3,3% для коммерческого использования. покрытия и на 2,7% для коммерческого покрытия, усиленного никелем, после испытания на температурное старение [32].

Дисперсные наночастицы графена являются эффективным дополнением к коммерческим покрытиям для улучшения поглощения покрытия солнечного излучения. Исследование было проведено Иманом С. Эль-Махаллави и др. [33]. Покрытие, используемое в солнечных панелях, которые использовались для нагрева воды в плавательных бассейнах, было модифицировано путем добавления диспергированного графена; модифицированное покрытие было приготовлено добавлением 1% и 2,5% мас. частицы графена в коммерческую черную краску на полимерной основе (код PACEN 10382, цвет 890), используемую для поглощения солнечной энергии. Размер графена находился в среднем диапазоне (50-70) нм. Коммерческий носитель покрытий на полимерной основе, используемый в качестве селективного поглотителя солнечного излучения, состоит из смесей на основе полиуретана с некоторыми добавками (такими как удлинители амидных цепей) для повышения термической и экологической устойчивости. Результаты этого исследования доказали, что использование черного покрытия, содержащей графена, приводит к улучшению поглощения солнечного излучения, что подтверждается увеличением температуры воды на 7,7°C по сравнению с 6,5°C для черной краски без наночастиц и 4,8°C. C для чистой меди без покрытия. Также теплоотдача модифицированного покрытия уменьшается с увеличением доли диспергированных наночастиц графита в покрытии.

1.3. Конструкции солнечных коллекторов, их характеристики

Солнечный коллектор - это устройство, которое собирает и / или концентрирует падающее солнечное излучение на нем [34]. Эти устройства используются для различных целей, но в основном для нагрева воды. Использование этих солнечных коллекторов представляет собой альтернативу традиционному домашнему нагреву воды с помощью водонагревателя, что

может со временем снизить затраты на энергию. Кроме того, в некоторых местах, где имеются подходящие условия, большое количество солнечных коллекторов можно объединить в большую группу и использовать для выработки электроэнергии, как в случае с солнечными тепловыми электростанциями.

Конструкции солнечных коллекторов различаются в зависимости от требований, которые должны быть выполнены. Далее мы укажем основные типы солнечных коллекторов, характеристики, которые имеет каждый тип, и область его использования.

1.3.1. Плоские коллекторы

Этот вид солнечных коллекторов является наиболее распространенным благодаря своей простоте и относительно невысокой цене по сравнению с другими типами. В основном он состоит из изолированной коробки на задней и боковых сторонах для сохранения тепла и покрыт стеклом с лицевой стороны для предотвращения вентиляции поглощающей поверхности, поскольку вентиляция вызывает большие тепловые потери в этих комплексах.

Следующим слоем, на который падает солнечное излучение после прохождения через стеклянную поверхность, является абсорбирующий слой, обычно это традиционная черная краска, но в некоторых улучшенных вариантах осуществления это слой состоит из селективных материалов с высоким коэффициентом оптического поглощения и низким коэффициентом теплового излучения. Этот слой является активной частью солнечных коллекторов, поскольку он поглощает световую энергию и преобразует ее в тепло.

Следующий слой в плоских солнечных коллекторах - это трубки, по которым проходит теплоноситель (обычно вода, но в некоторых моделях замкнутого цикла это смесь воды и антифриза) .Трубки могут быть соединены между собой по системе «арфа», где несколько вертикальных трубок соединяется с двумя горизонтальными трубами, одна из которых верхняя, а

другая нижняя, трубы могут быть спроектированы по «змеевидной» системе, поскольку вместо горизонтальных и вертикальных труб используется одна труба, которая движется вверх и вниз по коллектору.

Последний слой коллектора представляет собой пену из теплоизоляционного материала для сохранения тепла. На рисунке 7 ниже показаны компоненты плоских солнечных коллекторов.

Рисунок 7 — Виды солнечных коллекторов: (А) - типа арфы, (В ) -типа

змеевика

Трубки обоих типов могут быть расположены выше или ниже светопоглощающего слоя или могут быть встроены в него, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8 — Размещение трубок относительно светопоглощающего слоя: (А) - над светопоглощающим слоем, (Б) - под светопоглощающим слоем, (В) - заделаны в светопоглощающий слой

У змеевидной конструкции меньше стыков для пайки, что снижает производственные затраты. Падение давления змеевидного типа по сравнению с коллекторами арфного типа, однако, значительно больше и требует меньшего расхода системы, чем арфовый. Таким образом, низкая пропускная способность коллекторов змеевидного типа является скорее необходимостью, чем преимуществом, которое она пропагандирует [35].

Стекло, используемое в плоских коллекторах, почти всегда закаленное стекло с низким содержанием железа. Закаленное стекло выдерживает значительный град, не разбиваясь, что является одной из причин, по которой плоские коллекторы считаются наиболее прочным типом коллекторов.

1.3.2. Вакуумные трубчатые коллекторы Коллектор вакуумных трубок (ETC) состоит из отдельных трубок, прикрепленных к основной трубке. Каждая из этих отдельных трубок состоит из двух внутренних и внешних трубок, и каждая внутренняя стеклянная трубка содержит металлическую тепловую трубку, соединенную с поглощающим ребром. Для уменьшения потерь тепла из-за конвекции и теплопроводности воздух откачивается из пространства между внутренней и внешней трубками [36]. При этом следует учитывать, что коллектор всегда необходимо устанавливать под определенным углом наклона, чтобы сконденсировавшаяся внутренняя жидкость тепловой трубки могла вернуться в горячий поглотитель.

Вакуумные коллекторные трубки обеспечивают комбинированный эффект высокоселективного покрытия поверхности и вакуумной изоляции поглотителя, так что их эффективность выше, чем у плоских коллекторов, в диапазоне температур выше 80° C [37]. Вакуумные коллекторные трубы широко используются для снабжения домашних хозяйств горячей водой для использования или отопления.

В вакуумированных коллекторах используются жидкие парофазные материалы (PCM) для очень эффективной передачи тепла. На рисунке 9 ниже представлена схематическая диаграмма откачанных коллекторных трубок.

Рисунок 9 — Glass ETC с U-образной трубкой: (A) - иллюстрация стеклянной вакуумной трубки; (Б) - поперечное сечение

1.3.3. Коллекторы линейного фокуса Система коллектора параболического желоба (PTC) состоит из группы зеркал параболической формы. Эти зеркала фокусируют прямое солнечное излучение, отраженное от их поверхности, на поглощающую трубку, расположенную в параболической фокальной линии. В этих солнечных коллекторах в качестве теплоносителя (HTF) используется синтетическое или органическое масло. Из-за предела стабильности обычных HTF [38,39] максимальная температура ограничена примерно 400°C, в результате чего температура пара на входе в турбину составляет около 370°C [40]. На рисунке 10 показана Диаграмма обычной установки PTC на основе HTF без гибридизации и аккумулирования тепловой энергии.

трубка поглотителя света

Рисунок 10 — Структура обычной установки PTC на основе HTF без гибридизации и аккумулирования тепловой энергии

Существуют также другие конструкции этих солнечных коллекторов на основе PTC, в которых используются расплавленные соли, такие как HTF или система прямого производства пара (DSG) [41].

Стоит отметить, что в этих солнечных коллекторах используются трекеры движения солнца, чтобы направлять отражающие зеркала в сторону солнца во время его движения по небу. Трубка поглотителя в этой модели расположена на параболической фокальной линии. Селективное покрытие нанесено на трубки поглотителя, чтобы обеспечить более высокое поглощение поступающего солнечного излучения и меньшее излучение инфракрасного излучения. Доступные в настоящее время селективные покрытия получают в результате электролитического осаждения компонентов, содержащих тяжелые металлы, поэтому их стоимость намного выше, а также вызывает экологические проблемы [42]. Поглощающая трубка окружена стеклянной трубкой, чтобы блокировать инфракрасное излучение и снижать потери тепловой нагрузки. Воздух также удаляется из пространства между трубкой абсорбера и стеклянной трубкой для уменьшения тепловых потерь нагрузки и теплопроводности.

В другой модели станции (LFC) используется несколько иной метод отражения солнечного излучения, называемый линейным отражателем

Френеля. В этой модели используются длинные ряды плоских или слегка изогнутых зеркал, которые имеют параболическую форму и отражают прямое солнечное излучение на фиксированный направленный вниз приемник, установленный на вышке вдоль линейных отражателей [43]. Эта модель была разработана для обеспечения прямого производства пара в качестве экономичной альтернативы системам с положительным температурным коэффициентом [44], но она имеет недостатки, заключающиеся в основном в низкой оптической эффективности [45] и производстве насыщенного пара [46]. На рис. 11 показана структура этой модели без гибридизации и хранения тепловой энергии.

Светоотражающие зеркала

Рисунок 11 — Структура линейного отражателя Френеля (модель без гибридизации и хранения тепловой энергии)

В модели линейного отражателя Френеля набор линейных зеркальных полос солнечного излучения фокусируется на неподвижном приемнике, установленном на линейной башне. Стоит отметить, что существует множество конструкций приемников LFR, например простые трубки, пластины, вакуумные трубки, устройства вторичной фокусировки и другие [47]. В этом варианте осуществления обычно используется трапециевидный приемник с фиксированным проходом и с нечетным или кратным числом трубок [48]. Внутри полости внешняя часть трубок содержит воздух, который не

контактирует с окружающей средой и действует как изолятор. Линейное поле рефлектора Френеля концентрирует солнечное излучение на трубках, а теплоноситель, текущий через трубки, поглощает тепло. Модель линейного инвертора Френеля может работать с системой прямого производства пара и может работать с обычными термомаслами [49] и расплавом солей [50].

Эти коллекторы состоят из больших параболических тарелок, покрытых светоотражающими материалами, которые, в свою очередь, фокусируют падающий на них солнечный свет в одну точку. Тепло, генерируемое за счет концентрации солнечного излучения в этих коллекторах, обычно используется для привода двигателей «Стирлинга». Этот тип коллекторов эффективен для сбора солнечного света при активном отслеживании движения солнца по небу.

Эти солнечные коллекторы также могут использоваться для концентрации солнечной энергии при использовании с концентрированными фотоэлектрическими элементами. В этом случае вместо производства тепла солнечная энергия напрямую преобразуется в электричество с помощью высокоэффективных фотоэлектрических элементов, специально разработанных для использования концентрированной солнечной энергии. На рисунке 12 ниже показаны компоненты этих солнечных коллекторов [51].

1.3.4. Коллекторы точечного фокуса

приемник

отражатель

Рисунок 12 — Компоненты параболических тарельчатых солнечных

коллекторов

Существует еще одна модель солнечных коллекторов, работающих по методу точечной фокусировки, называемая «солнечная башня». Эта модель состоит из большого приемника солнечной энергии и коллектора тепла, установленного наверху башни. Башня размещается в центре поля специальных зеркал, называемых гелиостатами, каждое из которых управляется для фокусировки солнечного света, который достигает его, на солнечный приемник, установленный на башне [51]. В этой модели светопоглощающая башня использует расплавленные соли в качестве среды для передачи тепла котлу и производства перегретого пара. Системы выработки энергии на солнечной башне отличаются коротким путем теплопередачи, небольшими потерями тепла и высокой эффективностью сбора. Следовательно, система выработки энергии на солнечной башне имеет более высокую общую эффективность преобразования светоэнергии [52]. На рисунке 13 ниже показаны компоненты этих солнечных коллекторов.

приемник

Рисунок 13 — Компоненты коллектора солнечной башни

1.4. Механизмы светопоглощения наномодифицированными покрытиями

Процесс поглощения света в модифицированных покрытиях с наноматериалами разделен на две части: в первой части (которая происходит в не нанометровой части) электромагнитные волны поглощаются по механизму,

аналогичному механизму, с помощью которого процесс поглощения происходит в немодифицированные материалы, что было объяснено в предыдущей главе. Во второй части (которая выполняется в наноматериалах) поглощение электромагнитных волн происходит согласно теории антенн.

Механизм поглощения света в покрытиях, модифицированных наноматериалами, можно объяснить следующим образом. Когда свет попадает на слой покрытия, фотоны взаимодействуют как с частицами покрытия, так и с наночастицами, которые, в свою очередь, поглощают или рассеивают свет в разных направлениях. Уровень и механизм взаимодействия частиц покрытия и наноматериалов с фотонами различен, для каждого из них различается спектр поглощения и способность преобразовывать солнечный свет в тепло [53].

Полимеры состоят из легких элементов, которые не поглощают и не излучают энергию в видимом канале даже при столкновении с видимым светом [54], Это объясняет слабую способность полимерных материалов в целом поглощать световую энергию и преобразовывать ее в тепло.

В случае использования углеродных нанотрубок в качестве наночастиц для модификации покрытия и из-за сильного взаимодействия между углеродными нанотрубками и падающим солнечным светом выделение тепла происходит с поверхности углеродных нанотрубок, где возникает прочная связь между падающим излучением и электронами, присутствующими на поверхности углеродных нанотрубок [55], после чего тепло, генерируемое на поверхности углеродных нанотрубок, передается к частицам покрытии, а от последних - к соседним частицам. Таким образом, углеродные нанотрубки в слое покрытия могут концентрировать световую энергию в небольших объемах, что приводит к сильному локализованному нагреву в этой области, который передается соседним частицам покрытия.

Рисунок 14 иллюстрирует механизм поглощения света в покрытиях, модифицированных наноматериалами.

Падающий луч Рассеянный луч »» Углеродные нанотрубки

"" Поглощение фотонов в углеродных нанотрубках

Частицы покрытия Металлическая поверхность

Рисунок 14 — Механизм поглощения света в покрытиях, модифицированных

наноматериалами

Углеродная нанотрубка взаимодействует с электромагнитными волнами в соответствии с теорией антенны, и в этих углеродных нанотрубках наблюдались два основных эффекта: первый эффект - поляризация, а второй -влияние длины антенны [56].

Что касается явления поляризации, углеродные нанотрубки поглощают линейно поляризованный свет, когда плоскость поляризации параллельна оси нанотрубки [57]. Поглощение нанотрубкой электромагнитных волн больше, когда свет, падающий на нанотрубку, перпендикулярен оси нанотрубки, так что плоскость поляризации света параллелен оси нанотрубки (рис.15 (А) 1 ), потому что свободные электроны в нанотрубке находятся в возбуждении вдоль трубки [56], а электрическая составляющая в электромагнитной волне будет параллельна направлению возбуждения свободных электронов в электронном облаке углеродной нанотрубки. Если падающая на нанотрубку электромагнитная волна перпендикулярна ее оси, но электромагнитная составляющая перпендикулярна оси трубки (рис. 15 (А)2), то трубка не поглощает электромагнитную волну. Но если свет, падающий на нанотрубку, параллелен оси углеродной нанотрубки, то фотоны будут отражаться от трубки и поглощение будет очень слабым [57], потому что электрическая

составляющая в электромагнитной волне будет перпендикулярна направлению возбуждения свободных электронов в электронном облаке углеродной нанотрубки (рис. 15 (Б)).

Рисунок 15 — Поляризация в углеродных нанотрубках

Что касается влияния длины антенны, чтобы получить резонансное поглощение, длина углеродной нанотрубки должна быть равна половине длины электромагнитной волны или кратной этой величине, поскольку углеродная нанотрубка действует как электромагнитный резонатор при этих значениях длин углеродной нанотрубки [57]. Что касается углеродных нанотрубок, длина которых намного меньше распространение поверхностных плазмонов 8БРР, энергия электромагнитной волны является локализованной, или так называемый локальный поверхностный плазмонный резонанс [58]. Диаметр углеродной нанотрубки также влияет на квантовое ограничение, так как с уменьшением диаметра нанотрубки сила связи электронов с ее атомами увеличивается, что приводит к увеличению энергии фотонов, необходимой для возбуждения [59,60]. Диэлектрическая проницаемость углеродных нанотрубок отвечает за генерацию тепловых плазмонов, поскольку мнимая часть диэлектрической проницаемости (¿Нут) соответствует мнимой части волнового

числа поверхностных плазмонов (КПП), которое, в свою очередь, представляет собой затухание поверхностного плазмона (омические потери, которые представляют собой преобразование энергии фотона в колебательное возбуждение (т.е. тепло)) [61].

Из-за того, что естественный свет не поляризован, его можно рассматривать как составленный из поляризованных состояний, наложенных друг на друга, но не связанных между собой [62], так что электромагнитный компонент электромагнитной волны может принимать любое направление в плоскости фронта волны. Таким образом, любая нанотрубка, ось которой параллельна фронту электромагнитной волны, будет поглощать поверхностные плазмоны. Если длина углеродной нанотрубки кратна половине длины электромагнитной волны, то поверхностное плазмонное поглощение является резонансным. А если длина углеродной нанотрубки меньше длины электромагнитной волны, то энергия поверхностного плазмона локализована. В случае, когда длина углеродной нанотрубки не достигает ни одного из двух предыдущих случаев, распространение поверхностной плазмонной волны происходит вдоль стенки нанотрубки, а поглощение происходит за счет демпфирования поверхностной плазмонной волны.

Во всех случаях происходит демпфирование поверхностных плазмонов и генерируется тепло. Следует отметить, что р-плазмон в УФ-области света, известный как межзонный плазмон, возникает в результате коллективного возбуждения р-валентных электронов, но это не чисто плазмонное возбуждение, где р-плазмон графена связан с межзонными переходами, а пик оптической экстинкции в УФ-области (выше 4 эВ) приписывается смеси р-плазмонного возбуждения и межзонных переходов от пк п* в точке М зоны Бриллюэна [63].

Отсюда мы можем сказать, чтобы добавление углеродных нанотрубок оказало заметный эффект, их необходимо подбирать так, чтобы их плазмонная

частота находилась в той области электромагнитного спектра, в которой немодифицированное покрытие плохо поглощает электромагнитные волны.

1.5. Факторы, влияющие на эффективность светопоглощения наномодифицированным покрытием

На эффективность оптического поглощения модифицированных покрытий с наноматериалами влияют многие факторы, такие как размер наночастиц, используемых в модификации, а также размер частиц покрытия (которые составляют полимерную матрицу), поскольку этот фактор влияет на морфологию поверхности слоя покрытия, тоже влияет на поглощение, так и на рассеяние света в слое покрытие. Кроме того, природа и свойства наноматериалов, используемых для модификации покрытий, играют решающую роль в определении эффективности оптического поглощения этих покрытий.

Геометрия наноматериала также является одним из факторов, влияющих на оптическое поглощение покрытий, модифицированных наноматериалами, поскольку в зависимости от геометрии этого материала дисперсия света различается. Также стоит отметить, что температура играет важную роль в эффективности оптического поглощения этих покрытий, а это означает, что одно и то же покрытие будет давать разные характеристики при работе в разных тепловых условиях.

В этой части работы будут подробно обсуждаться различные факторы, влияющие на оптическое поглощение модифицированных покрытий с наноматериалами, и будут определены основные параметры для выбора наноматериалов для достижения желаемой цели.

1.5.1. Влияние размера частиц

Как мы упоминали в предыдущей главе, поглощение и рассеяние света связаны друг с другом, поскольку вместе они вносят вклад в процесс

ослабления света, проходящего через материал, в так называемом процессе «экстинкция света ».

Для наноматериалов было замечено, что длина волны поглощения наночастицами имеет красный сдвиг (сдвиг в сторону более длинных волн) с увеличением размера наночастиц. Для наночастиц, размер которых меньше определенного предела (в зависимости от типа наночастиц), поглощение является преобладающим, в то время как для размера наночастиц, превышающего указанный размер, рассеяние становится больше, чем поглощение [64].

Заметно, что с уменьшением размера частиц пики поглощения будут сдвигаться в сторону синего цвета (синий сдвиг), а пик поглощения станет узким, в то время как с увеличением размера частиц ширина пика поглощения увеличивается и происходит сдвиг в сторону красного цвета (красный сдвиг), кроме того, размер наночастицы влияет на ее резонансное поглощение, поскольку поверхностный плазмонный резонанс в наночастице тесно связан с размером этой молекулы (частота плазмонов изменяется с изменением размера) [65]. Увеличение размера наночастиц влияет на их диэлектрическую функцию, что, в свою очередь, приводит к красному смещению энергии поверхностного резонанса плазмона в наночастице [65,66].

В покрытиях, модифицированных наноматериалами, как частицы краски, так и наночастицы подпадают под действие вышеизложенного, поэтому при разработке смеси красок необходимо учитывать размеры частиц, составляющих смесь, чтобы получить покрытие, которое достигает своей предполагаемой цели (поглощение или реверсирование электромагнитного излучения).

1.5.2. Влияние геометрии частицы Форма наночастиц влияет на форму облака свободных электронов в нем и форму границы раздела между диэлектрической средой (представленной матрицей покрытия) и проводниковой средой (представленной наночастицами) и, таким образом, на форму поверхности, через которую поверхностный

плазмон распространяется. Это влияет на частоту поверхностного плазмонного резонанса. Например, для двух наночастиц одинакового размера, одной сферической, а другой цилиндрической, путь диффузии поверхностных плазмонов в цилиндрической молекуле длиннее, чем путь диффузии поверхностных плазмонов в сферической молекуле.

Наночастицы меньшего размера и большего соотношения являются лучшими светопоглотителями, в то время как наночастицы большего размера и более высокого соотношения сторон представляют собой лучшие дисперсионные контрастные вещества [67].

Кроме того, геометрическая форма частиц сильно влияет на морфологию поверхности, поскольку она влияет на степень гладкости поверхности, а это, в свою очередь, влияет на интенсивность отраженного излучения и, следовательно, на интенсивность излучения, проникающего в материал, что играет ключевую роль в определении глубины проникновения света в материал и влияет на количество поглощаемого света.

1.5.3. Влияние концентрации наночастиц в покрытиях Концентрация наночастиц в покрытии является фактором, влияющим на оптическое поглощение модифицированного покрытия с наноматериалами, поскольку увеличение концентрации наночастиц в покрытии означает увеличение объемной доли наноматериалов, что, в свою очередь, означает увеличение количества фотонов, проходящих через нано-среду и влияет на количество поглощенной энергии.

Увеличение концентрации наночастиц в покрытии увеличивает значение показателя преломления в среде, через которую проходит свет, а поскольку ослабление света связано с показателем преломления, это означает, что ослабление света будет увеличиваться с увеличением в концентрации наночастиц в слое покрытии. Увеличение оптического поглощения продолжается с увеличением концентрации наночастиц [68].

Кроме того, повышение концентрации наночастиц в покрытии увеличивает возможность столкновения фотона, проходящего через слой покрытия, с наночастицами и возникновение поверхностных плазмонов в нем. Это означает увеличение оптического поглощения покрытия, но после определенного предела концентрации наночастицы начинают агломерировать, что отрицательно влияет как на оптическое поглощение, так и на теплопроводность покрытия.

1.5.4. Влияние температуры на оптическое поглощение в нанопокрытии Известно, что с повышением температуры материала он начинает расширяться из-за расхождения его частиц в результате увеличения колебательного движения этих частиц, что позволяет фотону, падающему на этот материал, достигать большей глубины проникновения в него, и, таким образом, возможность поглощения этого фотона увеличивается.

С другой стороны, увеличение расстояния между частицами может привести к тому, что некоторые фотоны, рассеянные внутри материала, могут выйти через поверхность материала.

Повышение температуры означает увеличение колебательного движения в связях частиц, что влияет на энергию фотона, необходимую для того чтобы вызвать колебательное возбуждение в материале.

Повышение температуры приводит к уменьшению рассеяния Стокса-Рамана [69], а это приводит к уменьшению оптического поглощения материалов.

1.5.5. Модификация поверхности наноматериалов Изменение поверхности наночастиц влияет на их оптические свойства, поскольку изменение поверхности этих частиц влияет на их электронную структуру [70]. Кроме того, модификация поверхности наночастиц приводит к присоединению определенных поглощенных групп, что влияет на их оптические свойства наноматериала [71].

Следовательно, мы можем сказать, что причина влияния модификации поверхности наночастиц на их оптические свойства, такие как поглощение света, заключается в изменении молекулярных связей внутри поглощающей среды, где энергия, необходимая для возбуждения связей образующийся после модификации отличается от того, который требуется для возбуждения связей до модификации. Модификация также влияет на электронную структуру наночастиц, а это, в свою очередь, влияет на появление в них поверхностных плазмонов.

1.5.6. Ориентация углеродных нанотрубок в матрицу покрытия

Электромагнитные волны взаимодействуют с углеродными нанотрубками в соответствии с классической антенной теорией [72], в результаты эти взаимодействии трубки выполняют процесс фототермического преобразования. Поглощение электромагнитных волн углеродными нанотрубками зависит от интенсивности потока этих волн через поперечное сечение нанотрубки и длины нанотрубки и наибольшее поглощение электромагнитных волн достигается, когда падающая электромагнитная волна перпендикулярна оси УНТ, так что электромагнитная составляющая этой волны параллельна оси углеродной нанотрубки.

Учитывая тот факт, что углеродные нанотрубки действуют как антенны, они проявляют эффект поляризации, где взаимодействуют с электромагнитными волнами и поглощают линейно поляризованные электромагнитные волны, когда плоскость поляризации параллельна оси углеродной нанотрубки. Если плоскость поляризации перпендикулярна оси нанотрубки (т.е. ось углеродной нанотрубки параллельна падающему электромагнитному излучению), то поглощение очень слабое, но если уровень поляризации параллелен оси нанотрубки поглощение является максимальном [72].

Увеличение угла падения электромагнитного излучения на поверхность наноуглеродной трубки у которой отношение длины к ширине очень большое

снижает резонансное оптическое поглощение, где этот угол влияет на взаимодействие между электронами в трубке и электромагнитными волнами. Это объясняет уменьшение поглощения поверхности нити накала таких резонаторов при увеличении угла падения и означает, что модуляция угла падения является эффективным методом управления сечением поглощения каждого отдельного резонатора [73].

1.6. Факторы, влияющие на теплопроводность нанопокрытий

Полимеры обычно имеют низкую теплопроводность из-за сложной физической структуры полимерных цепей [74], где колебательные структуры в полимере имеют тенденцию быть локализованными, что приводит к низкой теплопроводности [75].

Изменение теплопроводности наномодифицированного покрытия зависит от теплопроводности наноматериала, добавленного в качестве наполнителя, в случае, если теплопроводность добавленных наночастиц больше, чем теплопроводность частиц покрытия. Эти наночастицы в матрице покрытия улучшают теплопроводность этой матрицы.

Наноматериалы с высокой теплопроводностью являются идеальным кандидатом для добавления в качестве наполнителя в полимерные покрытия, чтобы улучшить теплопроводность этих покрытий, поскольку присутствие этих наноматериалов усиливает колебательное движение молекул в слое покрытия. где добавление этих наноматериалов создает пути внутри полимерной матрицы которые помогают передаче колебательного движения молекул и, следовательно, теплопередачи через полимерную матрицу. На теплопроводность модифицированных покрытий влияет множество факторов. Ниже мы обсудим наиболее важные из них.

1.6.1. Влияние размера наночастиц

Улучшение теплопроводности в слое покрытия зависит от площади поверхности контакта между наночастицами и окружающими частицами

полимера. Чем больше площадь поверхности контакта, тем больше улучшение теплопроводности. Как известно, с уменьшением размера наночастиц отношение площади ее поверхности к объему увеличивается, и поэтому для одного объема наночастиц, площадь поверхности контакта между наночастицами и частицами полимера увеличивается с уменьшением размера наночастиц.

С уменьшением размера наночастиц их количество увеличивается в единице объема, поэтому при определенной массовой концентрации этих наночастиц в слое покрытия количество наночастиц в единице объема модифицированного покрытия увеличивается с уменьшение размера этих наночастиц. Увеличение количества наночастиц приводит к увеличению количества путей теплопроводности в слое покрытия, что увеличивает общую теплопроводность слоя покрытия [76].

С другой стороны, увеличение размера наночастиц приводит к увеличению деформаций в полимерной матрице, что приводит к уменьшению площади поверхности контакта между частицами, а это, в свою очередь, приводит к снижению теплопроводности модифицированного покрытия.

1.6.2. Эффект агломерации наночастиц

Как мы упоминали в предыдущем абзаце, теплопроводность зависит от площади поверхности контакта между частицами покрытия и наночастицами. Увеличение поверхности контакта означает, что площадь, через которую передаются молекулярные колебания, становится больше, и это означает более быструю передачу тепла, что увеличивает теплопроводность покрытия. Агломерация происходит в наночастицах в результате действия сил Ван-дер-Ваальса [77] в процессе производства наночастиц или при их включении в покрытие.

Агломерация наночастиц приводит к увеличению деформации матрицы покрытия и уменьшению площади поверхности контакта между наноматериалами и частицами, что означает уменьшение количества

молекулярных колебаний, передаваемых от наночастиц к частицам покрытия , поэтому теплопроводность в зонах деформации бывает очень низкой. что, в свою очередь, снижает теплопроводность слоя покрытия. Эти объясняются основные причины ухудшения теплопроводности покрытия при добавлении к нему агломерированных наноматериалов.

Отсюда следует важность обработки наночастиц, поскольку такая обработка серьезно влияет на физические свойства наночастиц и вызывает изменение отношения поверхности к объему наночастиц в матрице [77].

1.6.3. Влияние формы наночастиц Фактор формы (а) определяется как отношение площади поверхности несферической наночастицы (Б ') к сферической наночастице (Б), в которой обе наночастицы имеют одинаковый объем [78]:

9'

а = 7 (113)

Значение коэффициента формы составляет 4,8; 3,7 и 3,0 для наночастиц цилиндрической, кубической и сферической формы соответственно [79]. Это означает, что поверхность контакта между наночастицами и окружающими частицами больше в случае цилиндрических наночастиц, чем в случае кубических и сферических наночастиц, а в случае кубических наночастиц больше, чем в случае сферических наночастиц. Следовательно, улучшение теплопроводности лучше в случае цилиндрических наночастиц, чем в случае кубических и сферических наночастиц, и в случае кубических наночастиц лучше, чем в случае сферических наночастиц.

1.6.4. Эффект ориентации наночастиц Формы наночастиц различаются, но в целом их можно разделить на две основные группы: центрально-симметричные и осесимметричные. Для центрально-симметричных наночастиц ориентация не влияет на теплопроводность модифицированного полимерного композита, в то время как для осесимметричных наночастиц ориентация наночастицы оказывает

значительное влияние на определение теплопроводности модифицированного полимерного соединения [80]. Теплопроводность максимальна, когда ось наночастицы параллельна направлению теплового потока, и теплопроводность минимальна, когда ось наночастицы перпендикулярна направлению теплового потока.

Для углеродных нанотрубок теплопроводность в осевом направлении происходит в пределах одного слоя графена через связи Бр2, а в радиальном направлении - через связи Ван-дер-Ваальса, которые слабее и меньше, чем связи Бр2, поэтому теплопроводность в углеродных нанотрубок в осевом направлении намного выше, чем в радиальном направлении [81].

1.6.5. Влияние структурных дефектов наночастиц

Теплопроводность наночастиц связана с колебаниями в молекулярных связях, которые существуют между атомами, составляющими эти частицы, поэтому наличие структурных дефектов в наночастице представляет собой препятствие для передачи вибрации через наночастицу, другими словами наличие структурных дефектов уменьшает длину свободного пробега фононов [82], где индуцированное дефектами рассеяние фононов доминирует над тепловыми свойствами наночастицы [83].

Уменьшение теплопроводности наночастицы влияет на эффективную теплопроводность модифицированного покрытия, поскольку улучшение теплопроводности модифицированного покрытия связано с высокой теплопроводностью наночастицы, поэтому наличие структурных дефектов в наночастицах снижает теплопроводность модифицированного покрытия.

1.6.6. Влияние концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия

Поскольку высокая теплопроводность наночастиц является причиной выбора улучшения теплопроводности полимеров, естественно, что увеличение концентрации наночастиц в модифицированном полимерном соединении (модифицированном покрытии в нашем случае) увеличит теплопроводность

полученного соединения [84]. Но при постоянном увеличении концентрации трубок становится трудно избежать агломерации наночастиц, которая увеличивает деформации в полимерной матрице, а это отрицательно влияет на теплопроводность слоя покрытия.

Выводы по 1 главе.

Взаимодействие вещества с электромагнитным излучением для наноматериалов отличается от аналогичного взаимодействия для объемных материалов. Взаимодействие электромагнитных волн с объемными материалами ограничивается электронным возбуждением (стоксовым и антистоксовым) в видимом и ультрафиолетовом диапазонах и колебательным возбуждением электронов в межатомных связях в инфракрасном диапазоне.

При наличии углеродных нанотрубок дополнительно наблюдается антенный эффект, при котором поляризованные электромагнитные волны, перпендикулярные оси углеродной нанотрубки, вызывают коллективное возбуждение свободных электронов вдоль стенки углеродной нанотрубки или так называемые поверхностные плазмоны. Эти поверхностные плазмоны встречаются в углеродных нанотрубках в полосе пи-электронного перехода. В зависимости от длины нанотрубки может возникнуть несколько вариантов взаимодействия. Первый - если длина углеродной нанотрубки кратна половине длины волны. Тогда поверхностные плазмоны резонируют, и поглощение является резонансным. Если длина углеродной нанотрубки меньше, чем длина диффузии поверхностных плазмонов, происходит так называемая локализация поверхностных плазмонов, где вся энергия электромагнитной волны концентрируется в определенном диапазоне. При еще меньшей длине нанотрубки диффузия поверхностных плазмонов происходит вдоль стенки трубки. Во всех этих случаях энергия электромагнитной волны поглощается ингибированием поверхностных плазмонов, а колебательная кинетическая энергия электронов преобразуется в джоулево тепло.

Углеродные нанотрубки также поглощают энергию фотонов в результате квантового ограничения. На этот фактор сильно влияет радиус углеродной нанотрубки, где энергия, необходимая для возбуждения электронного возбуждения в атомах углерода, увеличивается с уменьшением радиуса углеродной нанотрубки.

Оптическое поглощение в наномодифицированном покрытии складывается из двух типов поглощения (поглощение объемными материалами и наноматериалами).

Таким образом, разработка методов улучшения оптических и термических свойств светопоглощающих покрытий гелиотермальных устройств за счет использования углеродных нанотрубок в качестве светосорбирующей и теплопроводящей добавки представляет собой актуальную тему данного исследования.

Глава 2. Математическая модель температурных полей в наномодифицированных покрытиях

Теплопроводность покрытий, модифицированных углеродными нанотрубками (используемых в качестве светопоглощающего слоя для солнечных коллекторов), отличается от теплопроводности немодифицированных покрытий. Это различие связано с двумя основными причинами: первая причина заключается в том, что углеродные нанотрубки образуют перколяционные контуры, по которым молекулярные колебания передаются интенсивнее, чем в полимерной матрице, а вторая причина заключается в том, что нанотрубки представляют собой наноисточники тепла при взаимодействии с электромагнитным излучением.

Наличие объемных источников тепла в слое модифицированного покрытия приводит к необходимости их учета при математическом моделировании температурных полей слоя покрытия.

2.1. Математическая модель нестационарного температурного поля плоской неограниченной пластины.

В связи с тем, что тепло, излучаемое углеродными нанотрубками, является результатом их взаимодействия с электромагнитными волнами, количество излучаемого в них тепла изменяется в зависимости от глубины, на которой эти трубки расположены от слоя покрытия, поскольку изменяется интенсивность освещения. в зависимости от глубины, а также в зависимости от длины волны, с которой они взаимодействуют. Сначала со временем температура слоя покрытия увеличивается, и когда достигается пик солнечного излучения, температура слоя покрытия достигает максимума, а затем начинает снижаться по мере уменьшения солнечного излучения.

Для определения распределения температуры в слое покрытия-модификатора будем исходить из закона Фурье, используемого для решения этой задачи [85].

На рисунке 16 ниже показаны слой покрытия, коэффициенты теплопотерь (а1, а2) и температура среды с обеих сторон слоя покрытия (¿с1, Ьс2).

Рисунок 16 — Коэффициенты теплопотерь и температура среды с обеих

сторон слоя покрытия

Решение задачи нестационарной теплопроводности для однослойной неограниченной пластины с функциональным источником.

д г (х, т) д2г (х, т) д (х )

дт д х 2

г(х ,0^ (х);

О <х < Я, т> 0;

с р

X

д г (0, г)

X

д х дг (я , т)

д х

а, (г(0,г)-гс1 )=0;

+

а2 (г(Я, т)-гс2 )= 0;

(2.1) (2.2)

(2.3)

(2.4)

При такой записи граничных условий численное значение коэффициента теплоотдачи а1 отрицательно для учета направления теплового потока.

г (х , т)=5 (х )+Р (х , т), (2.5)

где 5(х) - решение стационарной задачи с неоднородными граничными условиями, Р (х, т) - решение нестационарной задачи с однородными граничными условиями:

а 25 (х)

dx

= 0;

(2.6)

2

где

Л(5 (0)-с )=0;

ах

X ^ +а(8 (Я)-гс 2 )=0; ах

Решение стационарной задачи (2.6) - (2.8) имеет вид:

5 (х) = Ах + В,

А =

Iс 2 ^Л

Г 1 Я 1Л

X

в=tл+-А

X у

X

а

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

(2.11)

д Р (х, т) д2 Р (х, т) д (х)

дт

д х

с Р

Р(х ,0)=/ (х )-5 (х );

X

X

Р(0,т)= 0;

д х

д Р (Я, т)

д х

+

а2 Р(Я, т) = 0;

0 < х < Я, т > 0;

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

Решение задачи (2.12) - (2.15) получено методом конечных интегральных преобразований. Для исключения координаты х, вдоль которой свойства тела изменяются ступенчато, используется формула перехода к изображениям:

т

и(ц, т)= |Р(х, т)Ж (х, ц)ах.

(2.16)

(Весовая функция, равная 1, опущена) Обратный переход осуществляется по формуле:

Р (х, т)=!

и (ц„, т) Ж (х, ц„)

2,

(2.17)

где

Я

2п = | Ж2(х,ц)йх =±--(яц - &п(цпЯ + уп)Св8(цпЯ+уп)+ Бп(ра)Саз(ра)) (2.18)

0 2 цп

0

п

а ядро интегрального преобразования V (х, ц) является решением вспомогательной задачи (здесь ц - параметр):

+ (х,ц)=0, 0<х <Я; (2.19)

о; (2.20)

dx dw (r,p)

X -+ a2 W (R, |u) = 0; (2.21)

d x

Подставляя решение задачи (2.19) (с точностью до постоянного множителя)

W (x, | „ ) = Sin (| „х +ф „) (2.22) в граничные условия (2.20) - (2.21), находим числа фп, |и:

р, = arctg

V а1 J

(2.23)

у п - w-ный положительный корень уравнения

^LCos(yRN+pN)+ Sin(juRN р )=0. (2.24)

a2

Применяя преобразование (2.19) к задаче (2.14) - (2.18), переходим к изображениям: dU (ц п, т)

d т

R

+a ц2 U(цп, т) -Q = 0; (2.25)

U(цn ,0)= J(r (x)-S (x ))W (x, цn )dx, (2.26)

0

Q =f^W (x, ц„ )dx. (2.27) 0 c P

Решением задачи (2.25) - (2.26) является функция

U(ц„ ,x)=fu(ц„ ,0)-QlExp(-aц2n t)+-qj-. (2.28) I a Цп J a Цп

Полученное решение позволяет выполнять расчеты температурных полей

и тепловых потоков в слое светопоглощающего покрытия в процессе

проектирования и эксплуатации гелиотермических систем.

2.2. Сравнение расчетных и экспериментальных данных.

Расчет температурного поля наномодифицированного слоя светопоглощающего покрытия в процессе воздействия солнечного излучения был выполнен для восьмого образца, показавшего наилучшие светопоглощающие свойства, в условиях, соответствующих условиям проведения экспериментальных исследований. Текст компьютерной программы, реализующей решение (2.5) - (2.28) задачи (2.1) - (2.4) приведены в Приложении 1. Там же приводится пример расчетной таблицы, содержащей граничные, центральную и среднеобъемную расчетные температуры слоя покрытия во времени.

На рис. 17 показаны экспериментальные и расчетные значения средних температур в слое покрытия для восьмого образца в процессе нагрева под воздействием солнечного излучения.

Время, мин

Рисунок 1 7 - Расчетные и экспериментальные значения средних температур в слое покрытия для восьмого образца при солнечном облучении

Выводы по 2 главе.

Разработана математическая модель нестационарного температурного поля слоя светопоглощающего покрытия гелиотермической системы. Адекватность разработанной модели подтверждается хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных.

Глава 3. Методика эксперимента: подготовка образцов, измерения и

обсуждение результатов

В этой главе мы поговорим о материалах, используемых для получения наномодифицированного покрытия из наночастицах и полимерах, о методах обработки материалов, используемых в изготовлении нанокрасок, методах, доказывающих эффективность добавления углеродных нанотрубок к акриловой эмали покрытия с точки зрения улучшения коэффициента светопоглощения и коэффициента теплопроводности покрытия, а также о необходимых измерениях, порядке и методах обработки результатов этих измерений.

Экспериментальная работа, представленная в этой главе, направлена на определение влияния размера углеродных нанотрубок (диаметра и длины) и окисления на коэффициент оптического поглощения и фототермической конверсии в них, а также на определение влияния массовой концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия на коэффициенты оптического поглощения и теплопроводности и силы адгезии слоя покрытия.

3.1. Подготовка наноматериалов и модифицированного нанопокрытия

Приготовленное нанопокрытие состоят из смеси акриловой эмали покрытия и многослойных углеродных нанотрубок . Далее мы объясним способ обработки и приготовления компонентов этого покрытия.

3.1.1. Подготовка суспензии углеродных нанотрубок (разбавителя)

Нанотрубки являются идеальным кандидатом для добавления в покрытия для улучшения коэффициента теплопроводности, так как эти трубки имеют высокий коэффициент теплопроводности, и улучшения коэффициента оптического поглощения, поскольку углеродные нанотрубки обладают высокой способностью взаимодействовать с фотонами и фононами и преобразовывать их в тепло с так называемым фототермическим эффектом. Однако из-за присутствия оставшихся гидроксильных групп на поверхности нанотрубок, эти трубки слипаются под влиянием сил Ван-Дер-Ваальса [86], что отрицательно

влияет на коэффициент оптического поглощения и коэффициент теплопроводности покрытия.

Для достижения хорошего диспергирования нанотрубок в полимерной матрице и предотвращения образования кластеров их обрабатывают одним из следующих двух методов. Первый метод - это ковалентная активация, при которой нанотрубки подвергаются либо химической обработке для модификации поверхности путем окисления [87], а затем они диспергируются в воде (в случае высокой концентрации добавляются к ней диспергатор также потому, что практически невозможно удалить все гидроксильные группы, связанные с углеродными нанотрубками). Второй метод - это нековалентная активация с добавлением поверхностно-активных веществ для уменьшения влияния сил Ван-дер-Ваальса на эти трубки [87]. Одним из них является соевый додецилбензолсульфонат натрия.

С целью приготовления коллоидной суспензии, состоящей из воды, углеродных нанотрубок и диспергатора, мы использовали окисленный «Таунит», «Таунит-М» и окисленный «Таунит-М» в отдельности, выполняли следующие операции: сначала поставлено 0,6 г МУНТ (порошок) помещали в стеклянный контейнер, затем 3 г диспергирующего агента (додецилбензолсульфонат натрия «SDBS»), после этого добавляли 96,4 г дистиллированной воды. во вторых, смеси перемешиванием с помощью механического миксера со скоростью 1000 об/мин, процесс смешивания продолжался в течение двух минут. Смесь обрабатывали ультразвуком в течение 60 минут на бане с холодной водой, используя ультразвуковой генератор И10 (Санкт-Петербург, Россия). На рисунке 18 показан процесс приготовления коллоидной суспензии.

Рисунок 18 — Процесс приготовления коллоидной суспензии

Для точного расчета массовой концентрации углеродных нанотрубок в полученной коллоидной суспензии после завершения процесса обработки ультразвуком образец оставляли в покое на неделю. Этого времени достаточно для осаждения не диспергированных углеродных нанотрубок на дно контейнера, так как наличие кластеров углеродных нанотрубок в коллоидной суспензии приводит к красному сдвигу в спектрах оптического поглощения образцов [88]. После этого жидкость медленно отбирали шприцем, чтобы не вызывать турбулентность жидкости внутри стеклянного контейнера, а после удаления коллоидной суспензии стеклянный сосуд помещали в сушильный шкаф (SANYO CONVECTION OVEN MOV 210F, Осака, Япония) и в течение трех часов высушивали углеродные нанотрубки. После этого взвешивали осадки в контейнере и вычитая их массы из массы углеродных нанотрубок, которые были добавлены вначале, определяли массу углеродных нанотрубок, взвешенных в коллоидной суспензии.

3.1.2. Подготовка нанопокрытия Акриловая эмаль - один из видов полимерных покрытий на водной основе. Эта покрытие состоит из акриловых смол и эмали, который обеспечить твердый, термостойкий и устойчивый к атмосферным воздействиям верхний слой. Эта покрытия можно наносить кистью, валиком или распылителем. Эта

покрытия обладает многими важными свойствами, в том числе хорошей адгезией к поверхности, на которую она нанесена, быстротой высыхания и т. Д. [89]. Использованная покрытия эмаль акриловая для радиаторов отопления "эксперт" является готовой к использованию, но из-за ее высокой вязкости ее необходимо разбавлять водой для получения желаемой консистенции покрытии.

Для приготовления модифицированного покрытия с нанотрубками воспользуемся методом смешивания растворов [90]. где неразбавленная акриловая эмалевая краска смешивается с коллоидной суспензией, содержащей углеродные нанотрубки с наилучшим соотношением оптического поглощения 9:1 (9 частей покрытия и 1 часть коллоидной суспензии), и для получения различных концентраций углеродных нанотрубок в слое покрытия, коллоидная суспензия разбавляется дистиллированной водой.

Для получения желаемой черной окраски покрытии 85 г неразбавленной акриловой эмалевой краски смешивают с 5 г черного пигмента, а при разбавлении покрытий, модифицированных углеродными нанотрубками, используют 10 г коллоидной суспензии.

Массовая концентрация УНТ в коллоидной суспензии С1 определяется формулой:

£ _ Мнут __Мнут ^ Л

1 М М +М +М ^ ' '

Мкс Мвода+Мдисп+Мнут

где: Мкс — масса коллоидной суспензии, г;

Мнут — масса УНТ в коллоидной суспензии, г;

Мвода — масса воде, г ;

Мдтсп — масса диспергатора, г.

Массовая концентрация УНТ во влажном покрытии С2 определяется формулой:

С2 = С1*Мкс (3.2)

Мпок+Мкс

где: Мпок — масса неразбавленного покрытия, г;

МКс — масса коллоидной суспензии, использованной для приготовления модифицированного покрытия.

Массовая концентрация УНТ в сухом слое покрытия определяют, зная массы углеродных нанотрубок во влажном слое покрытия.

Масса УНТ во влажного слое покрытия Мнутвмпок может быть определена путем умножения массовой концентрации УНТ в модифицированном покрытии на массу слоя влажного покрытия:

Мнут.с.м.пок * Мв.м.пок (3.3)

Процесс сушки покрытия не влияет на массу УНТ в слое покрытия, а только на его массовую концентрацию. Таким образом, массовую концентрацию углеродных нанотрубок в сухом слое покрытии можно рассчитать по следующей формуле:

р _ Мнут.в.м.п0к д \

Снут.с.м.пок Л (3.4)

Мс.м.пок

где Мсмпок — масса слоя покрытия на подложке после высыхания, определяется по весу, г.

Масса слоя сухого покрытия определяется разницей между весом подложки перед нанесением покрытия, и после нанесения покрытия и сушки (Значения массовой концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия для разных образцов приведены в приложении 3).

3.2. Методика экспериментальных исследований

Методика экспериментальных исследований сосредоточена на двух основных этапах: первый - это выбор углеродных нанотрубок (определение наиболее подходящего типа для использования при модификации прикрытия), и этот этап выполняется путем выявления и сравнения спектра поглощения коллоидных суспензий, содержащих углеродные нанотрубки (каждый тип отдельно) с использованием фотоспектрометра «Lambda 35, Waltham, Massachusetts», USA. На этом этапе определяется тип углеродных нанотрубок с наибольшим оптическим поглощением и обсуждается влияние размеров

углеродных нанотрубок и химии поверхности на их оптические свойства. Что касается процесса измерения спектра поглощения, он помогает определить тип углеродных нанотрубок, достигающих наибольшее поглощение в ближнем УФ и видимом диапазоне, в котором сосредоточены высокие уровни энергии фотонов. Влияние химии поверхности изучается с помощью спектроскопии Рамановского рассеяния «DXR Raman Microscope Thermo Scientific», Madison, WI USA для определения структурных дефектов в углеродных нанотрубках и их влияния на оптическое поглощение этих трубок. Для определения спектра поглощения в средней и дальней инфракрасной области используется инфракрасный спектрометр с преобразованием Фурье «JASCO FT/IR-6700, Sennincho Hachioji», Japan. Чтобы определить способность различных типов углеродных нанотрубок к фототермической конверсии, было измерено изменение температуры коллоидной суспензии, содержащей углеродные нанотрубки, при воздействии света солнца. Это измерение производилось цифровым термометром «Digital Thermometer TP-101», Москва, Россия.

Второй шаг - определение оптимальной концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия, и это делается на основе нескольких факторов: оптического поглощения, теплопроводности покрытия, адгезии краски и тепловыделения. Влияние массовой концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия на оптическое поглощение слоя покрытия изучается путем определения изменений температуры с изменением концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия. Температура измерялась на непокрываемой стороне подложки с помощью инфракрасного термометра (WH380, Анахайм, Калифорния, США). С помощью этого метода определялось максимальное содержание наноматериалов в слое покрытия, так как после определенного предела увеличение содержания углеродных нанотрубок приводит к увеличению теплового излучения, исходящего от слоя покрытия, что означает увеличение тепловых потерь и снижение температуры неосвещенной стороны подложки. Увеличение концентрации нанотрубок в слое покрытия начинает искажать полимерную матрицу покрытия, что приводит к ухудшению его

теплопроводности. Эффект деформации в матрице покрытия в результате добавления к ней углеродных нанотрубок не ограничивается увеличением ее термического сопротивления, но также отражается на прочности ее адгезии к поверхности подложки, и для определения этого эффекта, образцы покрытий с различным содержанием углеродных нанотрубок были испытаны по стандарту «ASTM D3359».

При изучении влияния массовой концентрации углеродных нанотрубок в слое покрытия на теплопроводность этого слоя, то значение коэффициента теплопроводности рассчитывается исходя из температур с обеих сторон образца, нагреваемого с помощью постоянного источника тепла, зная толщину металлической подложки и слоя покрытия и коэффициент теплопроводности подложки. Стоит отметить, что из-за высокой теплопроводности углеродных нанотрубок с увеличением их массовой концентрации в слое покрытия теплопроводность этого слоя увеличивается, но после определенного предела углеродные нанотрубки начинают агломерироваться, вызывая деформации в матрице покрытия и уменьшение площади поверхности контакта между УНТ и частицами покрытия, что снижает теплопроводность слоя покрытия.

Тепловые потери излучения из слоя покрытия изменяются в зависимости от содержания углеродных нанотрубок в слое покрытия. При получении оптимального концентрации УНТ в слое покрытия достигается наибольшее оптическое поглощение с наименьшим тепловыделением. Испытание на термоэмиттанс образцов проводится с помощью устройства Портативный-D-S-эмиссометр-модель-АЕ1-эмиссометр, Virgo Ln., Даллас. Для проверки диаметра и длины углеродных нанотрубок, равномерного распределения углеродных нанотрубок в матрице покрытия и отсутствия агломерации, влияющей на оптические, термические и механические свойства модифицированного покрытия. необходимо сделать изображение с помощью электронного сканирующего микроскопа,

Для проверки устойчивости покрытия к высоким температурам образцы нагревают в сушильном шкафу (SANYO CONVECTION OVEN MOV 210F,

Осака, Япония) в течение двух часов при 100°C. При наличии любых изменений в слое покрытия они фиксируются.

3.3. Планирование экспериментальных работ

Экспериментальная работа была направлена на определение концентрации углеродных нанотрубок в модифицированном покрытии, определении длин и диаметров углеродных нанотрубок, наиболее подходящих для поглощения целевого электромагнитного спектра.

Эксперимент включал следующие этапы:

1) Коллоидные суспензии «Таунит», «Таунит-М» и «Таунит-М» окисленные готовили в соответствии с п. 3.1.1.

Спектр оптического поглощения трех образцов был определен с использованием спектрофотометра «Lambda 35, Waltham, Massachusetts, USA» для идентификации видов с самым высоким оптическим поглощением.

Рамановская спектроскопия выполняется с использованием рамановской спектроскопии (DXR Raman Microscope Thermo Scientific, Madison, WI USA) для выявления структурных дефектов в структуре углеродных нанотрубок до и после окисления, а также для анализа влияния структурных изменений на оптическое поглощение.

Анализ инфракрасного сдвига Фурье выполняется с использованием инфракрасного спектрометра (JASCO FT/IR-6700, Sennincho Hachioji, Japan) для определения спектра поглощения в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне. Способность различных типов углеродных нанотрубок к фототермической конверсии проверяется путем измерения изменения температуры коллоидной суспензии, содержащей углеродные нанотрубки, при воздействии солнечного света. Это измерение производится с помощью цифрового термометра (цифровой термометр TP-101, г. Москва, Россия).

2) Модифицированное покрытие готовили в соответствии с п. 3.1.2. Покрытие наносится на поверхности подложки (нержавеющая сталь AISI Type 303 Se, холоднотянутая) по рекомендации производителя . Покрытие наносится

на металлическую подложку с помощью аэрографа (Nasedal N1-19, Гонконг, Китай). На рисунке 19 показаны образцы покрытий после нанесения на подложки.

Рисунок 19 — Образцы покрытий после нанесения на подложки

Испытание на термоэмиттанс образцов проводится с помощью устройства (Портативный-В-8-эмиссометр-модель-АЕ1-эмиссометр, Virgo Ln., Даллас) для определения коэффициент теплового излучения образца, изменения этого коэффициент влияет на величину тепловых потерь за счет излучения. На рисунке 20 показан термоэмиссионный измеритель с образцами.

Рисунок 20 — Термоэмиссионный измеритель с образцами

Испытание оптического поглощения проводят, подвергая образцы воздействию солнечного света 1007.6 Вт/м2 (31 июля 12:30-13:00), и измеряют

температуру инфракрасным термометром (WH380, Анахайм, Калифорния, США) на непокрытой стороне подложек.

1. Определение температуры освещенной поверхности образца путем нагревания образца проводят на нагревательном устройстве (Witeg MHS-20D, Вертхайм, Германия), таким образом, чтобы покрытая сторона контактировала с поверхностью нагрева, так что средняя температура на непокрытой стороны была равна средней температуре непокрытой стороны тот же образец в случае испытания оптического поглощения при солнечном освещении. Измеряя температуру поверхности нагрева, определяют температуру освещенной поверхности образца.

2. Расчет среднелогарифмической разности температур для слоя

покрытия и металлической подложки ¿под; при достижении стационарного состояния.

3. Определение теплоемкости покрытия в каждом образце на основе параллельных смесей рассчитывают по теплоемкости и массовой доли его компонентов.

^с.м.пок = ^ * ^НУТ + (1 — ^)Сс.нм.пок (3.5)

где Сс.м.пок - удельная теплоемкость сухого модифицированного покрытия Дж/г.К;

СНУТ - удельная теплоемкость углеродных нанотрубок Дж/г.К; Сс.нм.пок - удельная теплоемкость сухого немодифицированного покрытия Дж/г.К;

^ - объемная доля углеродных нанотрубок в сухом слое покрытия.

ШУНТ

„ = ^УНТ = РНУТ (3 6)

Т ч ^с.м.пок (3.6)

"с.м.пок „

Ис.м.пок

где КУНТ, шУНТ - объём и масса УНТ в сухом слое покрытия;

^с.м.пок, шс.м.пок - объём и масса сухого слоя модифицированного покрытия;

РНУТ - плотность углеродных нанотрубок г/см3 ;

Рс.м.пок - плотность сухого слоя модифицированного покрытия.

Рс .м.пок

[ТВх рв

.м.пок хРразб ] / [100 х рразб - (100-ТВ) хд, .м.пок

(3.7)

где ТВ = процент твердых веществ;

^в.м.пок

Рв.м.пок - плотность влажной покрытии, измеренная по ———, и рраств :

плотность растворителя (в нашем случае равна 1г/см3 ).

4. Количество тепла, поглощенного образцом @пог:

Фпог ^подл * ^р.подл * (^под,2 ^подлд} + ^с.м.пок * ^р.с.м.пок. * (^пок,2 ^nOK,l) (3.8)

где шподл - масса металлической подложки;

Сподл - удельная теплоемкость подложки Дж/(кгК).

5. Тепловые потери по излучение и конвекцию

Qn = а * £ * А * (Г4 - 7;4) + * А * (t - üb) (3.9)

где а — постоянная Стефана -Больцмана равна 5,67*10-8 Вт / (м2 ■ К4);

£ — коэффициент теплового излучения;

А — площадь поверхности образца м2;

Г, t — абсолютная температура (K) и температура по Цельсию поверхности (C ) образца;

7В, tB — абсолютная температура (K) и температура по Цельсию (C) окружающей сред;

— коэффициент конвективной теплоотдачи W/(m2.K).

Следует отметить, что потери рассчитываются как для покрытой, так и для непокрытой стороны образца.

6. Коэффициент оптического поглощения определяют по формуле:

Qin = / *а*Тс*Л (3.10)

где коэффициент стеклования тс =0,91; интенсивность падающего излучения /=1007,6 Вт/м2; значения коэффициента оптического поглощения слоя покрытия а для различных образцов приведены в приложении 3.

Испытание на термостойкость слоя покрытия проводят путем нагревания подложек после полного высыхания покрытии (21 день) в сушильном шкафу (SANYO CONVECTION OVEN MOV 210F, Осака, Япония) в течение двух

часов при температуре 100°С, затем образцы оставляют охлаждаться до комнатной температуры. Цикл нагрева-охлаждения повторяется десять раз.

С целью определения значения коэффициента теплопроводности слоя покрытия в различных образцах необходимо определить величину проходящего через него теплового тока. Для этого выполняются следующие действия:

1. Включают электрический нагреватель (Witeg MHS-20D, Вертхайм, Германия), и устанавливают температуру поверхности 100 °С или чуть ниже.

2. Образец с покрытием помещают покрытой стороной вниз (в контакте с поверхностью нагрева, так чтобы температура стороны покрытия, контактирующей с нагревателем, была равна температуре поверхности нагрева).

3. После достижения термической стабильности измеряется температура верхней стороны образца (сторона без покрытия).

4. Образец с покрытием удаляют и заменяют металлической подложкой без покрытия, идентичной подложке, использованной при приготовлении образца. Температура электрического нагревателя регулируется для получения температуры верхней стороны пластины, равной температуре верхней стороны исследуемого образца (Средняя температура с учетом стандартной ошибки).

5. Зная толщину металлической подложки и температуру верхней и нижней сторон (контактирующих с поверхностью нагревателя и имеющих ту же температуру, что и поверхность нагревателя), значение теплового тока, проходящего через образец, можем определить по первому закону Фурье [91].

6. Зная толщину металлической подложки, использованной в образце, и ее коэффициент теплопроводности, толщину слоя покрытия и величину теплового тока, проходящего через образец (который равен значению теплового потока, проходящего через непокрытую сторону подложки), можно определить значение коэффициента теплопроводности покрытия [91]. (Значения теплопроводности слоя покрытия для разных образцов приведены в приложении 3).

Толщина сухого покрытия проверяется на всех образцах с помощью толщиномера (толщиномер АЛТ-1м, Москва, Россия) для определения толщины

покрытия для каждого образца (Результаты измерений приведены в приложении

3).

Испытание на адгезию проводится для определения прочности сцепления краски во всех образцах с использованием стандарта ASTM D3359 Model A (Результаты испытаний на адгезию приведены в приложении 3.).