CN100462711C

CN100462711C - 纳米材料相转移侦测装置及方法

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Publication number: CN100462711C
Application number: CNB2005100352919A
Authority: CN
Inventors: 陈升熙
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: CN1877302A

Abstract

本发明涉及一种纳米材料相转移侦测装置，其包括一真空腔，用于盛装一待测纳米流体；一加热装置，以供该纳米流体加热；一衰减全反射晶体，其包括一第一端面及一第二端面，及位于该第一端面与第二端面之间的多个侧面，该多个侧面形成有一高分子薄膜，该衰减全反射晶体位于该真空腔内及该纳米流体上方，且该第一端面及第二端面均位于该真空腔外；一光源，用于提供一光束经由该第一端面以全反射入射角入射到该衰减全反射晶体内；一光谱侦测器，用于接收由该第二端面出射的光束以侦测该纳米材料的特征吸收峰。本发明还提供一纳米材料相转移侦测方法。

Description

纳米材料相转移侦测装置及方法

【技术领域】

本发明涉及可用于侦测纳米流体的一种纳米材料相转移侦测装置及方法。

【背景技术】

纳米流体是由一液体(Base Liquid)与添加于该液体的纳米材料组成的一种悬浮液。其中，液体包括纯水、甲醇、丙酮及庚烷等；纳米材料包括纳米粉体(Nanoparticles)(如，金属纳米粉体及其氧化物)、纳米碳球、单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、及表面改质的纳米粉体及纳米碳球等。

目前的研究表明，在液体中以不同方式及不同比例添加纳米材料，可显著增加液体的导热系数；其显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。

纳米流体强化传热的主要原因除了在液体中添加纳米材料，增加了液体的热容量、导热系数外，纳米材料的粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，使得液体截面温度分布平坦，减小了层流底层，增强了流动湍流强度，强化了纳米流体内部的能量传递过程，进而提高了纳米流体的传热性能。

作为一种新型的强化传热工质，将纳米流体应用于工业实际，研究纳米流体中纳米材料的具体工作状态就显得十分重要。因此，需解决以下两个问题：

(1)纳米流体中的纳米材料是否可随着流体一起挥发作相转移，以达到液体循环散热；

(2)纳米材料是否会因加热挥发碰撞机率增加而纠结在一起。

目前，对于纳米流体中纳米材料工作状态的研究；一般是取样出来照SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)照片。但是，该种方法仅限于对纳米流体中纳米材料的静态分析；难以实现纳米流体中纳米材料可发生相转移与否的侦测。

有鉴于此，提供一种纳米材料相转移侦测装置及方法实为必要。

【发明内容】

下面将以具体实施例说明一种纳米材料相转移侦测装置及方法，其可实现纳米材料可发生相转移与否的侦测。

为实现上述内容，提供一种纳米材料相转移侦测装置，其包括：

一真空腔，用于盛装一待测纳米流体；

一加热装置，以供该纳米流体加热；

一衰减全反射晶体(Attenuate Total Reflection，ATR)，其包括一第一端面及与该第一端面相对的第二端面，及位于该第一端面与第二端面之间并与该第一端面和第二端面相邻的多个侧面，该多个侧面形成有一高分子薄膜，该衰减全反射晶体位于该真空腔内及该纳米流体上方，且该第一端面及第二端面均位于该真空腔外；

一光源，用于提供一光束经由该第一端面以一全反射入射角入射到该衰减全反射晶体内；

一光谱侦测器，用于接收经由该第二端面出射的光束以侦测该纳米流体中纳米材料的特征吸收峰。

优选的，所述衰减全反射晶体为硒化锌(ZnSe)、硅树脂(Silicone)或KRS-5(Thallium Bromide-thallium Iodide，溴化铊-碘化铊)。

优选的，所述高分子薄膜的材质为聚乙烯或聚苯乙烯。

优选的，所述加热装置包括一环绕该真空腔的可控温加热线圈。

所述纳米材料相转移侦测装置还包括一底座，用以固定该真空腔。

所述光源为红外辐射(Infrared Radiation)光源。

所述纳米材料为表面改质的纳米粉体或纳米碳球。

可选的，所述光源为拉曼辐射(Raman Radiation)光源。

所述纳米材料为纳米碳球、单壁纳米碳管或多壁纳米碳管。

所述光源的位置设置为其可提供一光束经由该第一端面以一全反射入射角入射至该衰减全反射晶体内。

所述光谱侦测器的位置设置为其可接收经由该第二端面出射的光束。

以及，提供一种纳米材料相转移侦测方法，其包括以下步骤：

提供一盛有一纳米流体的真空腔，其具有一预定真空度，该纳米流体包括一液体及一添加于该液体中的纳米材料；

提供一衰减全反射晶体，其位于该真空腔内及纳米流体上方，该衰减全反射晶体包括一第一端面及与该第一端面相对的第二端面，及位于该第一端面与第二端面之间并与之相邻的多个侧面，该多个侧面形成有一具有吸附能力的高分子薄膜，该第一及第二端面均位于该真空腔外；

加热该纳米流体至一预定温度使该纳米材料发生相转移，若该纳米材料发生相转移，其将被该高分子薄膜吸附；

提供一光源，其产生一光束经由该第一端面以一全反射入射角入射到该衰减全反射晶体内；

提供一光谱侦测器，以接收经由该第二端面出射的光束并检测其光谱；

检查该光谱中的该纳米材料的特征吸收峰存在与否，进而获知该纳米材料是否发生相转移。

所述光源为红外辐射光源。

所述纳米材料为表面改质的纳米粉体或纳米碳球。

可选的，所述光源为拉曼辐射光源。

所述纳米材料为纳米碳球、单壁纳米碳管或多壁纳米碳管。

所述纳米材料可吸收所述光束在衰减全反射晶体内全反射传播时在衰减全反射晶体侧面产生的渗透波。

相对于现有技术，本技术方案所提供的纳米材料相转移侦测装置，其使用一光束经由第一端面以一全反射入射角入射至衰减全反射晶体内；利用光束于衰减全反射晶体内部发生多次反射，每次反射时均会在衰减全反射晶体侧表面产生微小的渗透波进入高分子薄膜，若该渗透波被高分子薄膜吸附的纳米材料吸收，则在吸收谱带的相应波长处调减之工作原理；通过光谱侦测器接收从衰减全反射晶体第二端面出射的光束，并检测其光谱，以得知纳米材料的特征吸收峰是否存在，进而获知该纳米材料是否发生相转移。因此，该纳米材料相转移侦测装置可实现纳米材料的相转移状况之侦测。另外，可通过扫描电子显微镜扫描吸附有纳米材料的敷有高分子薄膜的衰减全反射晶体，获知该纳米材料是否会因加热挥发碰撞机率增加而纠结在一起。

【附图说明】

图1是本发明第一实施例的纳米材料相转移侦测装置示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图将对本发明实施例作进一步的详细说明。

参见图1，本发明第一实施例所提供的纳米材料相转移侦测装置10，其包括一光源20；一真空腔30；一加热装置；一衰减全反射晶体40；及一光谱侦测器50。

其中，该真空腔30置于一耐热固定底座36上，该底座36可为耐热金属或电木。该真空腔30的侧壁材质可选用铝或铜等导热金属，其用于盛装一待测纳米流体，该纳米流体由一液体(如，水)及添加于该液体内的纳米材料组成；该纳米材料可选用表面改质的纳米粉体或纳米碳球；所谓表面改质是指通过有机合成反应等方法使纳米粉体或纳米碳球表面上接上其它官能基。

该光源20选用红外辐射光源，其可提供一红外光束22；该红外光束22以全反射入射角入射到衰减全反射晶体40内；该全反射入射角大于等于该红外光束22在该衰减全反射晶体40内发生全反射的临界角。为更方便于光路的调整，设置一反射镜62及64；光源20及反射镜62及64的位置设置为可以使红外光束22以全反射入射角入射至衰减全反射晶体40内。

该衰减全反射晶体40通常为一高折射率材料的棱柱；常用材料有硒化锌(折射率为2.42)、硅树脂(折射率为3.42)、KRS-5(折射率为2.35)等等。该衰减全反射晶体40位于真空腔30内部及该纳米流体的液面38上方；并且，其第一端部及与该第一端部相对的第二端部均位于真空腔30外，也即该衰减全反射晶体40贯穿真空腔30。该第一端部的一第一端面42用于接收红外光束22，该红外光束22在衰减全反射晶体内传播；该第二端部的一第二端面44用于出射红外光束22经衰减全反射晶体40传递后的一红外光束24。

该衰减全反射晶体40的位于第一端面42与第二端面44之间的多个侧面46形成有一高分子薄膜48，该高分子薄膜48的厚度以不大于10μm为佳。高分子薄膜48材质的选择以红外光束吸收峰较少的碳氢链型高分子薄膜为佳，以减少高分子薄膜背景光谱对待测纳米流体中纳米材料的红外光谱吸收峰的干扰，进而提高待测纳米流体中的纳米材料红外吸收峰在光谱中之分辨率。本实施例中高分子薄膜48选用会吸附表面改质的纳米粉体或纳米碳球的疏水性高分子薄膜，如聚乙烯(Polyethylene，PE)、低密度聚乙烯(LowDensity Polyethylene，LDPE)、聚苯乙烯(Polystylene，PS)等；且其应当因待测纳米流体中的纳米材料的不同而作适当变更。利用高分子薄膜48的疏水性质，隔离水汽，以防止水强吸收峰对最终测试结果的干扰。优选的，仅该衰减全反射晶体40的位于真空腔30内的侧面部分具有高分子薄膜。该衰减全反射晶体40上的高分子薄膜48的形成方法可为：提供所需的高分子溶液，将衰减全反射晶体浸泡至上述高分子溶液；之后取出该敷有高分子薄膜的衰减全反射晶体，并将其第一端面与第二端面擦拭干净以去除该处的高分子薄膜。

真空腔30中的纳米流体可通过一可控温的加热装置对其加热至一预定温度以使其内的液体挥发。该真空腔30可进一步设置一真空阀门32，用以对其进行抽真空，以使其达到一预定的真空度。真空腔30的真空度大小可依其所盛装纳米流体的应用领域的不同而不同；例如，该待测纳米流体将用于热管，该真空度大小则为热管内的真空度大小。当可控温加热线圈34将真空腔30内的纳米流体加热至预定温度时，该纳米流体中的液体产生相转移，若该纳米流体中的纳米材料随液体一起挥发作相转移(即纳米材料从液相挥发)，则挥发的纳米材料与高分子薄膜48表面接触，该高分子薄膜48将吸附至少部分挥发的纳米材料在其内部，该挥发的纳米材料是借着表面改质的官能基与高分子薄膜48的官能基相互间的吸引力及高分子薄膜48内的孔洞结构(如原子间的间隙)而慢慢扩散到高分子薄膜48内。

光谱侦测器50，用于接收由衰减全反射晶体40出射的红外光束24；为更方便于调整光路，设置一反射镜66及反射镜68，光谱侦测器50及反射镜66及68的位置设置为可将红外光束24传递至光谱侦测器50的接收端口(图中未示出)。另外，可依光源20的种类，选择适当的光谱侦测器。

上述纳米材料相转移侦测装置10的侦测过程说明：光源20发出一红外光束22，该红外光束22经导光元件反射镜62及64传递至衰减全反射晶体40的第一端面42，并以全反射入射角入射；该红外光束22在衰减全反射晶体40内产生多次反射并向其侧面46产生微小渗透波，若位于真空腔30内的纳米流体中的纳米材料在预定温度及真空条件下发生了相转移，其将被吸附在高分子薄膜48内，且吸收上述渗透波，致使在吸收谱带的相应波长处调减，进而导致该纳米材料的特征吸收峰的形成；若未发生相转移，则无该纳米材料的特征吸收峰形成。之后，在第二端面44出射一红外光束24；该红外光束24经导光元件反射镜66及68传递至光谱侦测器50，通过光谱侦测器50获取红外光束24的光谱；然后，通过该光谱可得知是否存在纳米材料的特征吸收峰；进而可获知则该纳米材料在预定温度及真空条件下是否发生了相转移。

另外，可直接将吸附有纳米材料的敷有高分子薄膜48的衰减全反射晶体40以扫描电子显微镜扫描，其可检测该纳米流体中的纳米材料是否因加热挥发碰撞机率增加而纠结在一起，进而获知该纳米流体中的纳米材料的稳定性。若纳米材料的颗粒增大，则可确认该纳米流体中的纳米材料在加热挥发过程中纠结在一起。

本发明第二实施例所提供的纳米材料相转移侦测装置与第一实施例的纳米材料相转移侦测装置基本相似，其包括一光源；一真空腔；一加热装置；一衰减全反射晶体；及一光谱侦测器。其不同点在于所采用的光源为拉曼辐射光源；相应的，该纳米材料相转移侦测装置所侦测的纳米材料包括纳米碳球、单壁纳米碳管及多壁纳米碳管；该纳米材料受热挥发可通过衰减全反射晶体表面高分子薄膜的孔洞结构慢慢扩散到该高分子薄膜内。高分子薄膜材质的选择以拉曼辐射吸收峰较少的高分子薄膜为佳，以减少高分子薄膜背景光谱对待测纳米流体中纳米材料的拉曼光谱吸收峰的干扰，进而提高待测纳米流体中的纳米材料拉曼吸收峰在光谱中之分辨率。本实施例中选用会吸附纳米碳球、单壁纳米碳管及多壁纳米碳管的高分子薄膜，如聚乙烯、低密度聚乙烯、聚苯乙烯等；且其应当因待测纳米流体中的纳米材料的不同而作适当变更。对于本实施例中的纳米材料，其在Raman光谱具有特殊的吸收峰位置，如单壁纳米碳管的拉曼辐射特征吸收峰位置在Raman Shift 180cm^-1，1592cm^-1；多壁纳米碳管的拉曼辐射特征吸收峰位置在Raman Shift 156cm^-1，185cm^-1，1354cm^-1，1583cm^-1。

另外，本领域技术人员还可于本发明精神内做其它变化，如适当变更导光元件的种类，或采用其它可控温加热装置替换可控温加热线圈对纳米流体加热等设计以用于本发明；只要其不偏离本发明的技术效果均可。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims

1.一种纳米材料相转移侦测装置，其包括：一真空腔，用于盛装一待测纳米流体；一加热装置，以供该纳米流体加热；一衰减全反射晶体，其包括一第一端面及与该第一端面相对的第二端面，及位于该第一端面与第二端面之间并与该第一端面和第二端面相邻的多个侧面，该多个侧面形成有一高分子薄膜，该衰减全反射晶体位于该真空腔内及该纳米流体上方，且该第一端面及第二端面均位于该真空腔外；一光源，用于提供一光束经由该第一端面以一全反射入射角入射到该衰减全反射晶体内；一光谱侦测器，用于接收经由该第二端面出射的光束以侦测该纳米流体中纳米材料的特征吸收峰。

2.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述衰减全反射晶体为硒化锌、硅树脂或KRS-5。

3.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述高分子薄膜的材质为聚乙烯或聚苯乙烯。

4.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述加热装置包括一环绕该真空腔的可控温加热线圈。

5.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述纳米材料相转移侦测装置还包括一底座，用以固定该真空腔。

6.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述光源为红外辐射光源。

7.如权利要求6所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述纳米材料为表面改质的纳米粉体或纳米碳球。

8.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述光源为拉曼辐射光源。

9.如权利要求8所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述纳米材料为纳米碳球、单壁纳米碳管或多壁纳米碳管。

10.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述光源的位置设置为其可提供一光束经由该第一端面以一全反射入射角入射至该衰减全反射晶体内。

11.如权利要求1所述的纳米材料相转移侦测装置，其特征在于所述光谱侦测器的位置设置为其可接收经由该第二端面出射的光束。

12.一种纳米材料相转移侦测方法，其包括以下步骤：

提供一衰减全反射晶体，其位于该真空腔内及纳米流体上方，该衰减全反射晶体包括一第一端面及与该第一端面相对的第二端面，及位于该第一端面与第二端面间并与该第一端面和第二端面相邻的多个侧面，该多个侧面形成有一具有吸附能力的高分子薄膜，该第一及第二端面均位于该真空腔外；

13.如权利要求12所述的纳米材料相转移侦测方法，其特征在于所述光源为红外辐射光源。

14.如权利要求13所述的纳米材料相转移侦测方法，其特征在于所述纳米材料为表面改质的纳米粉体或纳米碳球。

15.如权利要求12所述的纳米材料相转移侦测方法，其特征在于所述光源为拉曼辐射光源。

16.如权利要求15所述的纳米材料相转移侦测方法，其特征在于所述纳米材料为纳米碳球、单壁纳米碳管或多壁纳米碳管。

17.如权利要求12所述的纳米材料相转移侦测方法，其特征在于所述纳米材料可吸收所述光束在衰减全反射晶体内全反射传播时在该衰减全反射晶体侧面产生的渗透波。