بخشی از مقاله
چکیده-
کند و سوز لیزری در محی مایع یکی از روش های پاک برای تولید نانوذرات با ویژگی های مختلف است. در این مقاله فرایند کندوسوز لیزری و پارامترهای موثر بر ویژگیهای نانوذرات تولیدی از دوعنصر تیتانیم و روی در محی آب مقطر به ارتفاع یک سانتی متر از سطح فلز بررسی شده است.
بدین منظور از لیزر نئودمیم-یاگ با پهنای پالس 10 نانو ثانیه، طول موج 1064 نانومتر و قطر کانونی 200 میکرومتر استفاده شده است. محاسبات با در نظر گرفتن تاثیر محی آب مقطر و اثر تعداد مختلف پالس لیزر در نرخ کندگی مورد بررسی قرار گرفته است. توزیع دما روی سطح فلز، میزان کندگی و شار آستانه کندگی به روش المان محدود و توس نرم افزار کامسول مولتی فیزیک به دست آمده است.
-1 مقدمه
تا کنون روش های متعددی برای تولید نانو مواد صورت گرفته است که اغلب نیازمند دمای بالا، زمان بر و غیرپاک هستند. یکی از روش های متداول و پاک در زمان محدود برای تولید نانو ذرات کند و سوز لیزر پالسی است.با کانونی کردن تابش کانونی لیزر با چگالی بالای انرژی بر روی هدف فلزی هاله پلاسما ایجاد میشود و گسیل گرمایونی بر اساس مکانیزم تابش ترمزی معکوس اتفاق می افتد.
موج ضربه ای به علت تغییر ناگهانی در ویژگی های دمایی و فشار محیط ایجاد می شود. ذرات ایجاد شده در اثر تابش لیزر در مایع پراکنده می شوند. ذرات کنده شده فلزی در محیط آب مقطر با اکسیژن ترکیب شده و اکسید فلزی به عنوان فراورده واکنش ایجاد می شود که پارامترهای لیزر، ویژگی های هدف و مشخصات محیط مایع در ویژگی های ساختاری نانوذرات تولیدی اثر گذارند. ویژگی مهم روش کند و سوز لیزری پالسی فراهم کردن نانو ذرات خالص و فارغ از محصولات جانبی است
کندو سوز لیزری در محیط مایع از دیدگاه کاربردی وتجهیزات مورد نیاز روشی مناسب تر وکم هزینه تر نسبت به تولید نانو ذرات در محیط گازی و خلا می باشد و یک روش ایمن، مستقیم وسریع برای تولید نانو ذرات کنترل شده و از پیش تعریف شده است.
پیچیده بودن ساز و کاردر محیط مایع و دشواری جمع آوری داده های آزمایشگاهی در مراحل آغازین کند وسوز در محیط مایع دست به دست هم داده و پیشنهاد سازوکارهای کمی مناسب را دور از دسترس ساخته است. خاموشی سریع گدازه در محیط مایع، محصور شدن آن و اثر حفره زایی از عوامل مؤثر برعدم درک دقیق ساز و کارهای موجود به شمار میرود
لذا به دلایل اهمیت موضوع و جدید بودن روش تولید نانوذرات، ارائه یک مدل جامع تئوری که بتواند بر محدودیتهای امکانات تجربی نیزغلبه کند ضروریست. لذا در این کار تلاش شده است با ارائه یک مدل دقیقتر همراه با ملاحظه تاثیر محیط آب، عوامل موثر در نرخ کندگی از دو عنصر تیتانیم و روی مورد بررسی قرار گیرد. نانوذرات تولیدی از دو عنصر تیتانیم و روی نیز به عنوان ذرات پراکنده در محیط رنگینه برای تولید لیزر کاتوره ای گزینه بسیار مناسبی هستند.
شبیه سازی مذکور با کمک نرم افزار کامسول و به روش مدل المان محدود و استفاده از مشخصات لیزر نئودمیوم یاگ با پهنای پالس 10 نانو ثانیه ، طول موج 1064 نانومتر با قطر کانونی 200 میکرومتر در محیط آب مقطر انجام شده است. توزیع دما روی سطح فلز ، عمق و شعاع کندگی برای تعداد شات های 1، 2، 3و 10محاسبه شده و نیز با تغییر در شار ورودی لیزر شار آستانه کندگی برای این دو فلز مورد توجه محاسبه و مقایسه شده است.
-2 مدل مسئله:
در این مقاله برای مدل سازی از مدل انتقال حرارت دو سیالی استفاده شده است. یکی از جنبه های اصلی این مدل، بررسی پویایی نرخ تولید گرما توسط پارامترهای پالس لیزر است. معادلات انتقال حرارت در یک مختصات استوانه ای دو بعدی بر اساس روش المان محدود حل شده است.
فرآیند انتشار گرما برای دو فلز تیتانیوم و روی بر اساس معادله هدایت گرمایی شبیه سازی شده است:
که ρ چگالی ماده، Cp ظرفیت گرمایی ویژه،T دما، K هدایت حرارتی و Q منبع گرما است. با توجه به قانون بیر لامبرت منبع گرما به صورت زیر بیان می شود:
I - t - شدت لیزر، ω شعاع لیزر در نقطه کانونی، α ضریب جذب و R ضریب بازتاب است. محاسبات معادله انتقال حرارت با در نظر گرفتن اندازه قطعه فلزی با شعاع 1 میلیمتر و ارتفاع آب 10 میلیمتر و محصورسازی نمونه باشعاع 1.2 میلیمتر انجام شده است.که با توجه به اندازه قطر لکه لیزر برابر 200 میکرومتر، ابعاد مناسبی انتخاب شده است .مش بندی با دقت 0.2 میکرومترصورت گرفته است و معادلات با مراتب زمانی 1 نانو ثانیه حل شده است.همچنین باریکه لیزر به صورت کاملا گاوسی فرض شده است و فواصل زمانی بین پالس های لیزر 1000 نانو ثانیه است.
-3 نتایج شبیه سازی
در شکل 1 تغییرات دمایی برای دو فلز تیتانیوم و روی در راستای Z برای تعداد پالس 1، 2، 3و 10 با انرژی 285 میلی ژول در زمانی که دمای سطح به ازای هر پالس به حد اکثر مقدار خود رسیده است نمایش داده شده است. حد اکثر دما 31 نانو ثانیه پس از شروع هر پالس لیزر حاصل می شود .
جدول :2شعاع کندگی برای دو عنصر تیتانیوم و روی در تعداد پالس های 1 ،2 ،3و10
تحول زمانی توزیع دما در ساختار دو بعدی در شکل2 و3برای فلز تیتانیوم و روی نمایش داده شده است و تصویری دو بعدی از شکل حفره کندگی در تعداد پالس های مختلف لیزر نمایش می دهد. دمای سطح فلز تیتانیوم در شرایط یکسان تابش لیزر به صورت قابل توجی بالاتر از سطح فلز روی است . حد اکثر دما در تابش 10 پالس لیزر و در زمان 9031 نانو ثانیه در نزدیکی سطح تیتانیوم و درنقطه کانونی پالس لیزر تا 526139 درجه کلوین و در سطح روی تا 272011 درجه کلوین افزایش می یابد .
شکل :1 تغییرات دمایی برای دو فلز الف - تیتانیوم، ب - روی، در راستای Z برای تعداد پالس 1، 2، 3و 10 در زمانی که دمای سطح به ازای هر پالس به حد اکثر مقدار خود رسیده است.
