Thermal, electrical and rheological properties of MWCNT/Glycerol as semiconductor nanofluid

Abstract

Les nanoparticules représentent aujourd'hui un enjeu technologique et économique majeur. Ils permettent des innovations très prometteuses dans de nombreux domaines fondamentaux tels que : la santé, l'énergie ou l'industrie. Dans ce travail, nous nous intéressons à la contribution potentielle des MWCNT dans le domaine des transferts thermiques et électriques. Une exploitation plus systématique des sources d'énergie inépuisables (solaire, éolienne, géothermique, etc.) ne suffit pas pour relever le défi énergétique des générations futures. Toutes les solutions doivent être explorées et la voie des économies d'énergie est une contribution importante à développer. Les transferts thermiques, très courants dans le monde industriel et technologique (liquide de refroidissement moteur, huiles lubrifiantes, fluides caloporteurs des panneaux solaires et des échangeurs de chaleur, ...) utilisent souvent des liquides très peu conducteurs de la chaleur, par contre, les NTC présentent les plus grandes conductivités thermiques mais ne permettent pas des contacts thermiques aisés. L'état de surface des nanoparticules au sein du fluide hôte est un autre paramètre important à prendre en compte afin d'identifier l'influence réelle des nanoparticules sur les propriétés physiques du nanofluide. Nous avons donc choisi le système MWCNT / Glycérol qui ne nécessite aucun traitement chimique de surface et permet de produire des suspensions homogènes et stables sans utilisation d'additifs chimiques perturbateurs. Il est donc à espérer que les MWCNT donneront au Glycérol une fraction de son importante conductivité thermique et électrique. La suspension des NTC s'accompagne généralement de procédés mécaniques qui consistent à appliquer une forte action mécanique à l'aide d'un agitateur rotatif ou ultrasonique, permettant de briser les agglomérats et d'assurer la dispersion des particules dans la solution. Ainsi, il est important de maîtriser ces actions mécaniques afin d'assurer une bonne dispersion des NTC sans réduire et / ou modifier leurs structures et donc leurs propriétés thermiques. L’objectif de l'étude était de proposer un nanofluide innovant MWCNT/Glycérol potentiellement intéressant en termes d'amélioration de la conductivité thermique et électrique et également anticorrosif pour les applications industrielles. L'étude des propriétés thermiques des nanofluides pose le problème délicat de l'influence de la convection sur la détermination de la conductivité thermique effective du liquide. Afin de déterminer les propriétés réelles du système, nous avons adapté la méthode de caractérisation thermique 3ω fréquemment utilisée avec les solides isolants. Cette méthode présente l'intérêt de permettre des excitations thermiques suffisamment faibles pour rendre l'influence de la convection presque négligeable. La description détaillée de cette méthode et l'évaluation de ses principales limites font l'objet du chapitre 2. Dans ce chapitre qui illustre les résultats de l'étude numérique qui consiste à déterminer la conductivité thermique de notre fluide de base par la méthode du fil chaud et la comparer à celles obtenues expérimentalement par la méthode 3ω, la conductivité électrique et la conductivité thermique des nanofluides MWCNT / Glycérol ont été mesurés à différentes fractions de volumes (0,0025% ≤Ф ≤ 0,01%) et températures (20 ° C ≤Ɵ ≤ 40 ° C), les résultats obtenus sont comparés et discutés face à des modèles classiques existants. Une expérience approfondie de la conductivité électrique et de la résistivité du Glycérol contenant des particules d'erbium et de MWCNT avec diverses concentrations dans le régime dilué a été évaluée. La conductivité électrique et la résistivité du MWCNT / Er2P4O13 / Glycérol en fonction de la température ont été étudiées. La surface des échantillons a été observée au microscope électronique à balayage (MEB) et la caractérisation par FT-IR a été réalisée pour déterminer la bande d'absorption. Le Glycérol présente d'excellentes propriétés anticorrosives. Enfin, l'objectif du dernier chapitre est d'obtenir un matériau semi-conducteur à base de nanofluide de Glycérol préparé par différentes fractions volumétriques Ф = 0,004%, 0,005% et 0,01% de MWCNT. Les matériaux ont été caractérisés par spectroscopie UV-visible portée dans la gamme 200-1000 cm-1. Nous rapportons les résultats du FTIR dans l’intervalle 400–4000 cm-1. Les résultats expérimentaux montrent clairement que l'énergie de gap ≤ 3,5 eV. La conductivité électrique et la résistivité du MWCNT / Glycérol en fonction de la température ont été étudiées.