高光吸收率阳极氧化铝的光热加热与传热分析.docx

《高光吸收率阳极氧化铝的光热加热与传热分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高光吸收率阳极氧化铝的光热加热与传热分析.docx（7页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、高光吸收率阳极氧化铝的光热加热与传热分析目录1 .研究背景12 .研究内容13 .结论与展望6L研究背景光热加热是通过吸收光能转化为热能的现象，在光热加热的研究中，无论 是高吸收材料还是高光吸收纳米结构，主要的焦点都是增强光吸收来产生热 量。在高吸收纳米材料中，具有等离子体特性的纳米材料或纳米颗粒引起了人 们的极大关注。最近的研究报道了氮化钛(TiN)是一种光热性能优良的等离子体 材料，TiN纳米颗粒表现出更宽、更高的吸收光谱，使其成为更好的宽带太阳 能吸收剂。对于传统的光吸收结构，中间层和衬底的热导率会影响表面温度的 升高，虽然可以选用导热系数较低的材料，但与样品制造相关的限制所造成的 困境

2、始终存在，解决这一问题的办法就是设计一种具有高光吸收和低热导率的 纳米结构。目前考虑较多的就是多孔结构，阳极氧化铝(AAO)是周期性排列多孔 材料中最著名的结构之一，其制备简单、可控，虽然AAo已被用于光热研究， 但对温度升高和热传导的定量分析研究仍处于起步阶段。2 ,研究内容本文采用电化学阳极氧化法制备了 AAO样品，将阳极氧化时间从1小时改 为8小时，扩孔时间从1小时改为2小时，系统地控制了 AAO的孔径大小。图 1(a)为AAo孔隙扩大Ih的SEM图像，在图1(b)中，通过平均主轴和小轴定义 的孔径表明，在大约161-239 nm的范围内，随着较长的阳极氧化时间，孔径呈 线性增加。Ano

3、dization time (h)AAO TiN-AAOAnodization time (h)AAOTiN-AAO() ZSOJ Od20864208655444443312345678Anodization time （h）图1扩孔Ih后的AAo和TiN-AAo的形貌（a）不同阳极氧化时间的SEM图像。（b）阳极氧化随时间变化的孔径大小（正方形）和孔隙率（圆形）。作者利用紫外可见吸收光谱法，通过Io0%减去漫射反射率来计算光学吸 收率，其中透光率为0%是因为AAO底部的厚铝（Al）板，较高的光学吸收率对应 较好的光热转换。如图2所示，在AAo上镀一层TiN之后可以观察到更高的吸 收率，这表

4、明TiN的加入显著提高了吸收率。TiN由于其等离子体性质可以提高 吸收率，在宽光谱中充当光吸收剂。此外，孔隙越大，吸收率越高，值得注意 的是，不含TiN的AAC）具有较高的吸光度（超过60%）。AAOTiN-AAO1.1 cm（b100908070605040() SUEmOSqV,A-. *i*.*.,二*Pore size239 nm189 nm 177 nm- 161nm500600700800Wavelength （nm）图2 AAO和TiN-AAo样品的光学图像和吸光度。（a） AAO和TiN-AAC）样品的照片。两个样品 都阳极氧化1 h,并进行了 1 h的扩孔。（b）可见范围的吸

5、收光谱。图3介绍了由氧化铝和空气组成的AAoS的有效导热系数。在AAo上的 TiN层对热传导的贡献很小，因此不能模拟有效导热系数。在数值传热模拟 中，有效热导率的使用降低了计算激光功率相关温度的计算成本。由图3可 知，各向异性的平行分量（KX和Ky）和垂直分量（KZ）的有效导热系数分别为在不同 的范围内。各向异性的起源是垂直排列的孔隙，它们主导着AAO的热传导，从 图3中可以推断出的另一件事是，高多孔材料的有效热导率较低。1.2Porosity (%)图3有限元方法模拟不同孔隙率下AAo的有效导热系数。接下来作者利用拉曼光谱测量了激光功率相关的温度升高。从图4(a)中可 以观察到实验结果、数值

6、结果和分析结果之间的良好一致性，表明有效热导率 可以用来估计激光照射下TiN-AAo样品的温升，因此，各向异性的有效导热系 数是导致表面温度升高的原因。此外，通过实验、数值和分析计算，可以将随 温度变化的激光功率的斜率作为每个样品除吸光度后的热效率。从图4(b)、可 以看出，只要厚度大于40m,就可以获得更高的加热效率，而不是由较大的 多孔结构决定。基于这些结果，可以得出结论：将AAO与等离子体纳米TiN结 合，可以通过调节阳极氧化和扩孔次数，系统地控制AAO的孔径和厚度，从而 制备出具有较高热效率的材料。本文系统研究表明，由于长时间的孔隙不连 接，较大的孔隙具有较高的加热效率。目前的结果和分

7、析方法可以应用于提高 多孔结构的光热效率，用于各种应用，如使用AAO基材料的太阳能海水淡化和 热光伏收集能量。O42 2345Laser power (mW)O 40Ooooo 8 6 4 2 03 3 3 3 3 (上)mediu一0 5 0 5 0 5 06 5 5 4 4 3 3 b)(MEx) A。U ofc9 6u- q P N-euJON ./ Analytical Experiment SimulationLinearfittingI.I.I.I180200220240Pore size (nm)图4光热加热TiN-AAo样品的温度测量和热传递分析。3.结论与展望综上所述，本文对TiN-AAO样品进行了定量传热分析，以系统地提高光热 加热效率。特别是，通过电化学阳极氧化增加AAc）的孔径可以增加其光吸收， 同时降低其有效热导率。在优化了 AAO的几何结构后，TiN-AAc）具有很高的加 热效率。此外，实验、数值模拟和分析结果吻合较好，表明有效的各向异性导 热系数是光热加热引起温度升高的原因。本研究为提高多孔材料的光热加热效 率提供了潜在的指导，这将有利于各种应用，如太阳能海水淡化和热光伏。