纳米技术在传热中的应用

纳米技术在传热中的应用

摘要：随着半导体技术的飞速发展，器件的尺寸已进入到微/ 纳米尺度。由于量子

效应、表面及界面效应，使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观传热领域的特点，发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力学等方法，取得了一定的成果，但仍存在不少问题。本文综述了当前研究的现状，以及目前所面临的挑战和问题。

关键字：纳米技术强化传热导热对流辐射

前言：

随着科学技术的发展和能源问题的日益突出，热交换系统的传热负荷和热强度日益增大，这就对强化传热技术提出了更高的要求。而传统的纯液体换热工质(如水、油、醇等)已很难满足一些特殊条件下的传热和冷却要求，因此，研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质是当前强化传热技术的重点。

纳米技术是在前沿科学的基础上发展起来的高新技术，其研究与开发还处于起步阶段。纳米材料由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应等，使纳米材料在力学性能、电学性能、磁学性能、热学性能等方面与传统的固体材料有着不同的特殊性质，使其成为了近十年来材料科学与工程的新兴领域，被誉为21世纪最有前途的材料，有着极为广泛的市场应用前景。如何充分利用纳米材料已知和仍然未知的特殊性能以拓展其应用领域是目前摆在国内外科研工作者面前急需解决的问题。

国内外研究现状：

1995年，美国Argonne国家实验室的Choi[1]等人首次提出了一个崭新的概念———纳米流体：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。Choi和Eastman[2]等人分别测试了Cu-水、Cu-机油、Al2O3、SiO2-水、TiO2-水等纳米流体导热系数。实验结果表明，以不到5%的体积比在水中添加氧化铜纳米粒子，形成的纳米流体导热系数比水提高60%以上。

Eastman 等[3]采用气相沉积法制备了CuO/ 水、Cu/ 机油、A12O3/ 水等几种纳米流体，通过电镜观察及静置实验发现，纳米流体悬浮液中粒子分散性较好、悬浮稳定性较高。Wilson 等[4]通过浓缩金属盐制备金属纳米粒子，用该方法制备了AuPd合金胶状颗粒，其TEM 照片表明纳米粒子分散均匀且具有非常窄的尺度分布。可见，单步法把纳米粒子的制备与纳米流体的制备结合在一起，所制得的纳米颗粒粒径小，纳米颗粒在流体中分散好，无需加入分散剂或改性处理就能得到稳定悬浮的纳米流体。但是该方法适合在低蒸汽压的流体中制备含金属粒子的纳米流体，并且对设备要求较高，费用高，产量小，不易于工业化生产。

Liu[5]等人研究了悬浮液内固体颗粒的体积含量和颗粒尺寸对其在流动中引起的压力降带来的影响，结果表明当悬浮液的固相体积含量小于20%时，与单项流体相比，悬浮液流动引起的压力降并无明显增加。根据这一结果，Choi认为使用纳米流体作为传热介质，在提高传热系数时，可显著节约泵动力，这将导致开发高效热流体重大的技术突破，把纳米流体应用于新型换热器，可减少尺寸和重量、降低运行成本、提高总体性能。

谢华清[6]等把纳米Al2O3、SiC 粉体，在分散剂的作用下，通过超声、磁力搅拌分散到水、乙二醇、泵油中制得纳米流体;宣益民[7]等把金属Al、Cu 纳米粉体，在分散剂的作

用下，通过超声分散到水、机油、航天传热液等介质中制得纳米流体。显然，两步法制备工艺简单、工序少、花费少，易于批量化生产，几乎是用于所有的流体介质，因而在纳米颗粒制备的基础上采用两步法合成纳米流体存在潜在的经济优势。

Lee 等[8]实验研究了悬浮液中纳米颗粒表面电荷对热传导率的影响，表明纳米流体的pH 值很大程度上影响了流体的热性能。pH 值越偏离颗粒的零电位，悬浮液中纳米颗粒就越稳定。Vadasz[9]认为纳米流体瞬间热传导过程可以为导热系数增加提供一个合理的解释。

Keblinski 和Choi[10]等定性研究了纳米流体中导热强化的可能机制，分析了纳米颗粒在基液中的布朗运动、纳米颗粒表面吸附的薄液层、纳米颗粒内部热载子弹性散射以及纳米颗粒团聚等四个方面因素对纳米流体导热系数强化的作用机理。随后，清华大学王补宣等在Keblinski 与Choi的纳米流体强化导热系数分析观点的基础上，运用分形理论和考虑纳米粒子表面颗粒吸附液体效应，建立了有效导热系数模型，分析了低浓度非金属纳米颗粒悬浮液导热系数增强的机理。宣益民等根据布朗运动理论模拟纳米粒子的无规则运动及其在流体中的聚集过程，运用分形理论描述纳米粒子团的聚集结构，并考虑纳米粒子的运动传热，建立了纳米流体的导热系数模型。用其模型预测Cu －水纳米流体的导热系数，理论值与其实验结果较一致，而考虑纳米粒子聚集结构时，获得导热系数理论值与实验值更为吻合。他们还通过引入纳米粒子的相互作用势及流体分子对纳米粒子的布朗力的影响，建立了纳米流体的格子Boltzmann 模型，模拟了静止及流动状态下纳米粒子的分布。结果说明纳米流体中纳米粒子的形态受布朗运动和粒子间作用势的影响，纳米流体的布朗运动可以有效地抑制粒子的聚集和沉降，使粒子分布更均匀，有利于纳米流体的能量传输

纳米技术在传热领域的应用原理：

1）纳米技术在导热中应用的机理

自Borom提出AlN是良好的声子热导体后，人们对AlN的研究产生了浓厚的兴趣[9]。绝缘非磁性陶瓷，热传导主要是晶格间非谐振作用产生的声

子传导。导热率K为：

式中c—单位体积声子的热容;

v—声子运动的速度(即晶体内传播的声速);

l—声子的平均自由程;

ω—声子振动频率;

ωD—德拜(Debye)振动频率。

对于一定物质，v为常数，在低温下(即10K以下)热容c随温度T3趋于零，在超过德拜温度QD(AlN为950K)的高温下，c接近于恒量3NKB(KB—波尔兹曼常数;N—阿佛加德罗常数)。因而，导热率K在低温下取决于热容，而在德拜温度以上的高温下，则受与温度成反比的声子平均自由程支配。在10K~德拜温度之间，温度是影响导热率的重要因素。由此可见，影响导热率的因素除温度外，主要由声子平均自由程决定;自由程的大小由声子的碰撞或散射决定。影响热传导性质的声子散射主要有以下两类结构：第一类是晶格本身的缺陷;第二类是位于连续多晶体处的晶界缺陷。晶格本身的缺陷主要是由于原料中的杂质引入的。氧杂质是AlN中的主要杂质，该杂质进入晶格后，使晶格发生局部畸变，由此产生应力作用，引起位错、层错等缺陷。这些缺陷引起声子散射，降低了AlN的导热率。晶界缺