專利名稱：納米材料相轉移偵測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及可用于偵測納米流體的一種納米材料相轉移偵測裝置及方法。
背景技術：
納米流體是由一液體(Base Liquid)與添加于該液體的納米材料組成的一種懸浮液。其中，液體包括純水、甲醇、丙酮及庚烷等；納米材料包括納米粉體(Nanoparticles)(如，金屬納米粉體及其氧化物)、納米碳球、單壁納米碳管、多壁納米碳管、及表面改質的納米粉體及納米碳球等。
目前的研究表明，在液體中以不同方式及不同比例添加納米材料，可顯著增加液體的導熱系數；其顯示了納米流體在強化傳熱領域具有廣闊的應用前景。
納米流體強化傳熱的主要原因除了在液體中添加納米材料，增加了液體的熱容量、導熱系數外，納米材料的粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面間的相互作用及碰撞，使得液體截面溫度分布平坦，減小了層流底層，增強了流動湍流強度，強化了納米流體內部的能量傳遞過程，進而提高了納米流體的傳熱性能。
作為一種新型的強化傳熱工質，將納米流體應用于工業實際，研究納米流體中納米材料的具體工作狀態就顯得十分重要。因此，需解決以下兩個問題(1)納米流體中的納米材料是否可隨著流體一起揮發作相轉移，以達到液體循環散熱；(2)納米材料是否會因加熱揮發碰撞機率增加而糾結在一起。
目前，對于納米流體中納米材料工作狀態的研究；一般是取樣出來照SEM(Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡)照片。但是，該種方法僅限于對納米流體中納米材料的靜態分析；難以實現納米流體中納米材料可發生相轉移與否的偵測。
有鑒于此，提供一種納米材料相轉移偵測裝置及方法實為必要。
發明內容下面將以具體實施例說明一種納米材料相轉移偵測裝置及方法，其可實現納米材料可發生相轉移與否的偵測。
為實現上述內容，提供一種納米材料相轉移偵測裝置，其包括一真空腔，用于盛裝一待測納米流體；一加熱裝置，以供該納米流體加熱；一衰減全反射晶體(Attenuate Total Reflection，ATR)，其包括一第一端面及與該第一端面相對的第二端面，及位于該第一端面與第二端面之間并與之相鄰的多個側面，該側面形成有一高分子薄膜，該衰減全反射晶體位于該真空腔內及該納米流體上方，且該第一端面及第二端面均位于該真空腔外；一光源，用于提供一光束經由該第一端面以一全反射入射角入射到該衰減全反射晶體內；一光譜偵測器，用于接收經由該第二端面出射的光束以偵測該納米流體中納米材料的特征吸收峰。
優選的，所述衰減全反射晶體包括硒化鋅(ZnSe)、硅樹脂(Silicone)、KRS-5(Thallium Bromide-thallium Iodide，溴化鉈-碘化鉈)。
優選的，所述高分子薄膜的材質包括聚乙烯、低密度聚乙烯及聚苯乙烯。
優選的，所述加熱裝置包括一環繞該真空腔的可控溫加熱線圈。
所述納米材料相轉移偵測裝置還包括一底座，用以固定該真空腔。
所述光源為紅外輻射(Infrared Radiation)光源。
所述納米材料包括表面改質的納米粉體及納米碳球。
可選的，所述光源為拉曼輻射(Raman Radiation)光源。
所述納米材料包括納米碳球、單壁納米碳管及多壁納米碳管。
所述光源的位置設置為其可提供一光束經由該第一端面以一全反射入射角入射至該衰減全反射晶體內。
所述光譜偵測器的位置設置為其可接收經由該第二端面出射的光束。
以及，提供一種納米材料相轉移偵測方法，其包括以下步驟提供一盛有一納米流體的真空腔，其具有一預定真空度，該納米流體包括一液體及一添加于該液體中的納米材料；
提供一衰減全反射晶體，其位于該真空腔內及納米流體上方，該衰減全反射晶體包括一第一端面及與該第一端面相對的第二端面，及位于該第一端面與第二端面之間并與之相鄰的多個側面，該側面形成有一具有吸附能力的高分子薄膜，該第一及第二端面均位于該真空腔外；加熱該納米流體至一預定溫度使該液體發生相轉移，若該納米材料發生相轉移，其將被該高分子薄膜吸附；提供一光源，其產生一光束經由該第一端面以一全反射入射角入射到該衰減全反射晶體內；提供一光譜偵測器，以接收經由該第二端面出射的光束并檢測其光譜；檢查該光譜中的該納米材料的特征吸收峰存在與否，進而獲知該納米材料是否發生相轉移。
所述光源為紅外輻射光源。
所述納米材料包括表面改質的納米粉體及納米碳球。
可選的，所述光源為拉曼輻射光源。
所述納米材料包括納米碳球、單壁納米碳管及多壁納米碳管。所述納米材料可吸收所述光束在衰減全反射晶體內全反射傳播時在其側面產生的滲透波。
相對于現有技術，本技術方案所提供的納米材料相轉移偵測裝置，其使用一光束經由第一端面以一全反射入射角入射至衰減全反射晶體內；利用光束于衰減全反射晶體內部發生多次反射，每次反射時均會在衰減全反射晶體側表面產生微小的滲透波進入高分子薄膜，若該滲透波被高分子薄膜吸附的納米材料吸收，則在吸收譜帶的相應波長處調減之工作原理；通過光譜偵測器接收從衰減全反射晶體第二端面出射的光束，并檢測其光譜，以得知納米材料的特征吸收峰是否存在，進而獲知該納米材料是否發生相轉移。因此，該納米材料相轉移偵測裝置可實現納米材料的相轉移狀況之偵測。另外，可通過掃描電子顯微鏡掃描吸附有納米材料的敷有高分子薄膜的衰減全反射晶體，獲知該納米材料是否會因加熱揮發碰撞機率增加而糾結在一起。
圖1是本發明第一實施例的納米材料相轉移偵測裝置示意圖。
具體實施方式下面結合附圖將對本發明實施例作進一步的詳細說明。
參見圖1，本發明第一實施例所提供的納米材料相轉移偵測裝置10，其包括一光源20；一真空腔30；一加熱裝置；一衰減全反射晶體40；及一光譜偵測器50。
其中，該真空腔30置于一耐熱固定底座36上，該底座36可為耐熱金屬或電木。該真空腔30的側壁材質可選用鋁或銅等導熱金屬，其用于盛裝一待測納米流體，該納米流體由一液體(如，水)及添加于該液體內的納米材料組成；該納米材料可選用表面改質的納米粉體或納米碳球；所謂表面改質是指通過有機合成反應等方法使納米粉體或納米碳球表面上接上其它官能基。
該光源20選用紅外輻射光源，其可提供一紅外光束22；該紅外光束22以全反射入射角入射到衰減全反射晶體40內；該全反射入射角大于等于該紅外光束22在該衰減全反射晶體40內發生全反射的臨界角。為更方便于光路的調整，設置一反射鏡62及64；光源20及反射鏡62及64的位置設置為可以使紅外光束22以全反射入射角入射至衰減全反射晶體40內。
該衰減全反射晶體40通常為一高折射率材料的棱柱；常用材料有硒化鋅(折射率為2.42)、硅樹脂(折射率為3.42)、KRS-5(折射率為2.35)等等。該衰減全反射晶體40位于真空腔30內部及該納米流體的液面38上方；并且，其第一端部及與該第一端部相對的第二端部均位于真空腔30外，也即該衰減全反射晶體40貫穿真空腔30。該第一端部的一第一端面42用于接收紅外光束22，該紅外光束22在衰減全反射晶體內傳播；該第二端部的一第二端面44用于出射紅外光束22經衰減全反射晶體40傳遞后的一紅外光束24。
該衰減全反射晶體40的位于第一端面42與第二端面44之間的多個側面46形成有一高分子薄膜48，該高分子薄膜48的厚度以不大于10μm為佳。高分子薄膜48材質的選擇以紅外光束吸收峰較少的碳氫鏈型高分子薄膜為佳，以減少高分子薄膜背景光譜對待測納米流體中納米材料的紅外光譜吸收峰的干擾，進而提高待測納米流體中的納米材料紅外吸收峰在光譜中之分辨率。本實施例中高分子薄膜48選用會吸附表面改質的納米粉體或納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；且其應當因待測納米流體中的納米材料的不同而作適當變更。利用高分子薄膜48的疏水性質，隔離水汽，以防止水強吸收峰對最終測試結果的干擾。優選的，僅該衰減全反射晶體40的位于真空腔30內的側面部分具有高分子薄膜。該衰減全反射晶體40上的高分子薄膜48的形成方法可為提供所需的高分子溶液，將衰減全反射晶體浸泡至上述高分子溶液；之后取出該敷有高分子薄膜的衰減全反射晶體，并將其第一端面與第二端面擦拭干凈以去除該處的高分子薄膜。
真空腔30中的納米流體可通過一可控溫的加熱裝置對其加熱至一預定溫度以使其內的液體揮發。該真空腔30可進一步設置一真空閥門32，用以對其進行抽真空，以使其達到一預定的真空度。真空腔30的真空度大小可依其所盛裝納米流體的應用領域的不同而不同；例如，該待測納米流體將用于熱管，該真空度大小則為熱管內的真空度大小。當可控溫加熱線圈34將真空腔30內的納米流體加熱至預定溫度時，該納米流體中的液體產生相轉移，若該納米流體中的納米材料隨液體一起揮發作相轉移(即納米材料從液相揮發)，則揮發的納米材料與高分子薄膜48表面接觸，該高分子薄膜48將吸附至少部分揮發的納米材料在其內部，該揮發的納米材料是借著表面改質的官能基與高分子薄膜48的官能基相互間的吸引力及高分子薄膜48內的孔洞結構(如原子間的間隙)而慢慢擴散到高分子薄膜48內。
光譜偵測器50，用于接收由衰減全反射晶體40出射的紅外光束24；為更方便于調整光路，設置一反射鏡66及反射鏡68，光譜偵測器50及反射鏡66及68的位置設置為可將紅外光束24傳遞至光譜偵測器50的接收端口(圖中未示出)。另外，可依光源20的種類，選擇適當的光譜偵測器。
上述納米材料相轉移偵測裝置10的偵測過程說明光源20發出一紅外光束22，該紅外光束22經導光元件反射鏡62及64傳遞至衰減全反射晶體40的第一端面42，并以全反射入射角入射；該紅外光束22在衰減全反射晶體40內產生多次反射并向其側面46產生微小滲透波，若位于真空腔30內的納米流體中的納米材料在預定溫度及真空條件下發生了相轉移，其將被吸附在高分子薄膜48內，且吸收上述滲透波，致使在吸收譜帶的相應波長處調減，進而導致該納米材料的特征吸收峰的形成；若未發生相轉移，則無該納米材料的特征吸收峰形成。之后，在第二端面44出射一紅外光束24；該紅外光束24經導光元件反射鏡66及68傳遞至光譜偵測器50，通過光譜偵測器50獲取紅外光束24的光譜；然后，通過該光譜可得知是否存在納米材料的特征吸收峰；進而可獲知則該納米材料在預定溫度及真空條件下是否發生了相轉移。
另外，可直接將吸附有納米材料的敷有高分子薄膜48的衰減全反射晶體40以掃描電子顯微鏡掃描，其可檢測該納米流體中的納米材料是否因加熱揮發碰撞機率增加而糾結在一起，進而獲知該納米流體中的納米材料的穩定性。若納米材料的顆粒增大，則可確認該納米流體中的納米材料在加熱揮發過程中糾結在一起。
本發明第二實施例所提供的納米材料相轉移偵測裝置與第一實施例的納米材料相轉移偵測裝置基本相似，其包括一光源；一真空腔；一加熱裝置；一衰減全反射晶體；及一光譜偵測器。其不同點在于所采用的光源為拉曼輻射光源；相應的，該納米材料相轉移偵測裝置所偵測的納米材料包括納米碳球、單壁納米碳管及多壁納米碳管；該納米材料受熱揮發可通過衰減全反射晶體表面高分子薄膜的孔洞結構慢慢擴散到該高分子薄膜內。高分子薄膜材質的選擇以拉曼輻射吸收峰較少的高分子薄膜為佳，以減少高分子薄膜背景光譜對待測納米流體中納米材料的拉曼光譜吸收峰的干擾，進而提高待測納米流體中的納米材料拉曼吸收峰在光譜中之分辨率。本實施例中選用會吸附納米碳球、單壁納米碳管及多壁納米碳管的高分子薄膜，如聚乙烯、低密度聚乙烯、聚苯乙烯等；且其應當因待測納米流體中的納米材料的不同而作適當變更。對于本實施例中的納米材料，其在Raman光譜具有特殊的吸收峰位置，如單壁納米碳管的拉曼輻射特征吸收峰位置在Raman Shift 180cm-1，1592cm-1；多壁納米碳管的拉曼輻射特征吸收峰位置在Raman Shift 156cm-1，185cm-1，1354cm-1，1583cm-1。
另外，本領域技術人員還可于本發明精神內做其它變化，如適當變更導光元件的種類，或采用其它可控溫加熱裝置替換可控溫加熱線圈對納米流體加熱等設計以用于本發明；只要其不偏離本發明的技術效果均可。這些依據本發明精神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種納米材料相轉移偵測裝置，其包括一真空腔，用于盛裝一待測納米流體；一加熱裝置，以供該納米流體加熱；一衰減全反射晶體，其包括一第一端面及與該第一端面相對的第二端面，及位于該第一端面與第二端面之間并與之相鄰的多個側面，該側面形成有一高分子薄膜，該衰減全反射晶體位于該真空腔內及該納米流體上方，且該第一端面及第二端面均位于該真空腔外；一光源，用于提供一光束經由該第一端面以一全反射入射角入射到該衰減全反射晶體內；一光譜偵測器，用于接收經由該第二端面出射的光束以偵測該納米流體中納米材料的特征吸收峰。
2.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述衰減全反射晶體包括硒化鋅、硅樹脂、KRS-5。
3.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述高分子薄膜的材質包括聚乙烯、低密度聚乙烯及聚苯乙烯。
4.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述加熱裝置包括一環繞該真空腔的可控溫加熱線圈。
5.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述納米材料相轉移偵測裝置還包括一底座，用以固定該真空腔。
6.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述光源為紅外輻射光源。
7.如權利要求6所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述納米材料包括表面改質的納米粉體及納米碳球。
8.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述光源為拉曼輻射光源。
9.如權利要求8所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述納米材料包括納米碳球、單壁納米碳管及多壁納米碳管。
10.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述光源的位置設置為其可提供一光束經由該第一端面以一全反射入射角入射至該衰減全反射晶體內。
11.如權利要求1所述的納米材料相轉移偵測裝置，其特征在于所述光譜偵測器的位置設置為其可接收經由該第二端面出射的光束。
12.一種納米材料相轉移偵測方法，其包括以下步驟提供一盛有一納米流體的真空腔，其具有一預定真空度，該納米流體包括一液體及一添加于該液體中的納米材料；提供一衰減全反射晶體，其位于該真空腔內及納米流體上方，該衰減全反射晶體包括一第一端面及與該第一端面相對的第二端面，及位于該第一端面與第二端面間并與之相鄰的多個側面，該側面形成有一具有吸附能力的高分子薄膜，該第一及第二端面均位于該真空腔外；加熱該納米流體至一預定溫度使該液體發生相轉移，若該納米材料發生相轉移，其將被該高分子薄膜吸附；提供一光源，其產生一光束經由該第一端面以一全反射入射角入射到該衰減全反射晶體內；提供一光譜偵測器，以接收經由該第二端面出射的光束并檢測其光譜；檢查該光譜中的該納米材料的特征吸收峰存在與否，進而獲知該納米材料是否發生相轉移。
13.如權利要求12所述的納米材料相轉移偵測方法，其特征在于所述光源為紅外輻射光源。
14.如權利要求13所述的納米材料相轉移偵測方法，其特征在于所述納米材料包括表面改質的納米粉體及納米碳球。
15.如權利要求12所述的納米材料相轉移偵測方法，其特征在于所述光源為拉曼輻射光源。
16.如權利要求15所述的納米材料相轉移偵測方法，其特征在于所述納米材料包括納米碳球、單壁納米碳管及多壁納米碳管。
17.如權利要求12所述的納米材料相轉移偵測方法，其特征在于所述納米材料可吸收所述光束在衰減全反射晶體內全反射傳播時在其側面產生的滲透波。
全文摘要
本發明涉及一種納米材料相轉移偵測裝置，其包括一真空腔，用于盛裝一待測納米流體；一加熱裝置，以供該納米流體加熱；一衰減全反射晶體，其包括一第一端面及一第二端面，及位于該第一端面與第二端面之間的多個側面，該側面形成有一高分子薄膜，該衰減全反射晶體位于該真空腔內及該納米流體上方，且該第一端面及第二端面均位于該真空腔外；一光源，用于提供一光束經由該第一端面以全反射入射角入射到該衰減全反射晶體內；一光譜偵測器，用于接收由該第二端面出射的光束以偵測該納米材料的特征吸收峰。本發明還提供一納米材料相轉移偵測方法。
文檔編號G01N21/31GK1877302SQ20051003529
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月10日 優先權日2005年6月10日
發明者陳升熙 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
