纳米流体研究进展_李云翔

doi ：10.3969/j.issn.2095-4468.2013.04.111

纳米流体研究进展

李云翔，解国珍*，安龙，田泽辉

（北京建筑大学，北京 100044）

[摘 要] 本文综述了纳米流体的研究进展。1995年美国Argonne 国家实验室的 Choi 等提出将纳米级金属或非金属氧化物颗粒添加到换热工质中制备出新型换热工质“纳米流体”的方法，而且指出纳米流体的稳定性是纳米流体能否进行科学研究和实际应用的关键问题。纳米流体的导热系数、粘度等物性是反映介质流动与换热的关键因素。为使纳米流体成功地应用于工业实际，必须对其传热特性做深入研究。研究发现，目前诸多文献对纳米流体强化沸腾传热存在争议，部分研究成果证明纳米流体能强化传热，而另外的研究成果则认为纳米颗粒的添加非但不能强化传热甚至出现恶化现象。 [关键词] 纳米流体；导热系数；粘度；分散稳定性

Review on Research of Nanofluid

LI Yun-xiang, XIE Guo-zhen *, AN Long, TIAN Zei-hui

(Beijing University of Civil Engineering and Arthitecture, Beijing 100044, China)

[Abstract] The research status of nanofluid was reviewed in the present study. Nanofluid was firstly proposed by Choi et al. of U.S. Argonne National Laboratory in 1995, and it was prepared by adding nanoscale metal or nonmetal oxide into heat transfer fluid. Choi et al. also pointed out that, the stability of nanofluids is the key factor for scientific research and practical application. The thermal conductivity coefficient, viscosity and other physical properties of nano-fluids are the key factors reflecting the flow and heat transfer characteristics. In order to successfully apply nanofluids in industrial practice, the heat transfer chacteristics of nanofluids should be investigated deeply. The existing researches show that, the enhancement effect of nano-fluids is controversial; some research results show that nanofluids may enhance the heat transfer, while some other research results show that there is deterioration effect rather than enhancement effect due to the presence of nano particles. [Keywords] Nanofluid; Thermal conductivity; Viscosity; Dispersivity and stability

*解国珍（1954-），男，教授，博士。主要研究方向：制冷与空调设备关键节能新技术研究、CFCs 和HFCs 替代技术研究、纳米微粒对空调制冷系统流体特性影响研究等。联系地址：北京市西城区展览馆路一号北京建筑大学，邮编；100044。 基金项目：国家自然科学基金项目（编号：51176007）；北京供热、供燃气、通风与空调工程重点实验室资助。

0 前言

20世纪90 年代以来，随着能源、化工、汽车、建筑、微电子、信息等领域的飞速发展，使得传统的传热介质在传热性能等方面受到严重的挑战。研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。

1995年美国Argonne 国家实验室的Choi 等[1]提出将纳米级金属或非金属氧化物颗粒添加到换热工质中制备出新型换热工质“纳米流体”。由于金属及其氧化物的导热系数远大于液体，而且由于纳米颗粒的小尺度和强表面效应使得其在液体中能够稳定地分散，所以既使得传热工质的换热性能大大提高，也避免了传统微米级材料添加剂沉降造成管路阻塞等不良后果。

本文对目前国内外有关纳米流体研究的几个主要方向进行了概括，包括：纳米流体稳定性的研究、纳米流体物性的研究、纳米流体传热特性的研究，其中既包括实验方面的研究进展也对纳米流体物性以及传热特性的理论研究进行了系统的总结。一方面，这对纳米流体在工业生产中的应用起到参考和提示的作用；也对分析相关实验现象及数据给出合理的解释具有指导意义，对探寻纳米流体传热的物理机制及建立相关模型给出借鉴。另一方面，通过综合考虑目前的研究进展可看出这个领域存在的缺点和不足，以便于对后续的研究提供一定的指导作用。

1 纳米流体的稳定性

为了制备热物理性优良的纳米流体，首先要研究纳米流体的稳定性。美国Argonne 国家实验室KeblinskI 等人[2]指出纳米流体的稳定性是纳米流体

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能否进行科学研究和实际应用的关键问题。研究表明溶液PH值、分散剂的添加、纳米颗粒粒径、基液黏度、温度等因素对纳米流体稳定性起关键作用。

1）pH值的影响

pH值影响纳米流体稳定性的理论基础是金属氧化物和氢氧化物的电位与H+和OH－的吸附密切相关，从而能够对分散性产生一定影响。通过调节溶液的pH值能增加或抑制颗粒表面酸碱基团的解离，也就是改变了颗粒表面的电荷量，从而能起到影响体系分散性的作用[3]。

随后，诸多研究人员分别采用不同的纳米流体进行实验并通过调节流体PH值的方法证实了上述观点。例如：He等[4]在未使用分散剂的基础上，通过调节纳米流体的pH值来观测流体稳定性，结果证明，适当的pH值对纳米流体稳定性有促进作用。

针对不同的纳米流体，pH值都能对纳米流体的稳定性产生重要影响，但是不同的制备条件和纳米流体的不同所需要的最佳的PH值各不相同，且目前并未找到一定的影响规律，因此配制纳米流体时需根据纳米颗粒的种类、粒径、分散剂的种类、含量与基液的性质等诸多因素，调节pH值从而改善其稳定性。

2）分散剂的影响

分散剂能够降低纳米颗粒的表面张力，优化颗粒表面的润湿特性，减弱颗粒间的吸引力，在颗粒间形成有效空间位阻以提高排斥力等等[5]。因此向液体系中添加分散剂能够增强纳米流体稳定性。

实验结果显示，纳米流体采用不同分散剂时稳定效果各不相同，同样，不同纳米流体所对应的最佳分散剂也不同。李新芳等[6]采用Cu/H2O 和FeO/H2O纳米流体进行实验研究，结果表明，添加了分散剂后，稳定性显著提高。此外进一步发现在FeO/H2O纳米流体分别添加：ACT、SDBS、乳化剂OP、CTAB、PEG时，添加ACT的FeO/H2O纳米流体稳定性最好。宋晓岚等[7]也认为混合表面活性剂对改善CeO2/H2O纳米颗粒的分散稳定性有十分显著的效果。

通过上述分析可发现在分散剂的添加能够改进纳米流体稳定性方面较为一致，但分散剂的种类及浓度同样是纳米流体稳定性的重要影响因素。且不同的纳米流体所对应的最佳分散剂种类和含量也不同，故为确定合适的分散剂种类及浓度只能运用实验手段来探寻最合适的分散剂种类和所对应的浓度。

3）其他

除了前面提到的PH值和分散剂以外还有诸多因素影响纳米流体的稳定性，包括纳米流体中各项组分的含量、纳米颗粒粒径、基液黏度、温度等。

综上所述，影响纳米流体分散稳定性的影响因素除了普遍关注的pH值和分散剂种类和含量以外还有纳米流体中各项组分的含量、纳米颗粒粒径、基液黏度、温度、颗粒形状等。而且其中各个因素相互包含相互制约，因此纳米流体的最佳配比是分散稳定性研究的一个重要方向。

2 纳米流体的物性

纳米流体的物性众多，但在传热领域导热系数和粘度较为重要，而且研究相对比较成熟，因此本文主要讨论导热系数与粘度的研究成果。

2.1 导热系数

2.1.1 导热系数的实验研究

导热系数是反映介质换热能力的重要参数之一，因此纳米流体的导热系数的研究尤为重要。研究人员采用瞬态热线法、稳态平板法以及温度振荡法三种纳米流体导热系数的测量方法测量了含不同大小、形状及种类、浓度纳米颗粒导热系数。

早在1993年，Masuda等[8]运用瞬态热线法测试了γ-A12O3/H2O纳米流体的导热系数，发现导热系数比纯水提高了30%；此后，Patel等[9]多位学者均观察到纳米流体的导热系数随纳米颗粒的体积分数的增加而上升的现象。并且纳米颗粒与基液的种类都对纳米流体导热系数有较大的影响，Eastman等[10]通过实验证明了这个观点。此外Kabelac、Masuda、Lee、Chopkar等[11-14]通过研究表明纳米流体的温度、形状和大小也是影响纳米流体导热系数的关键因素。

上述文献的研究成果较为一致，大致有如下几个方面：1）在基液中添加纳米材料可一定程度上提高流体的导热系数，且纳米流体的导热系数随温度的升高、颗粒体积分数的增加而增大；2）碳纳米管配制的纳米流体，导热系数较球形纳米颗粒配制的纳米流体高；3）在相同体积比下纳米颗粒粒径越小，颗粒与液体间具有的界面面积越大，其热传递越快越有效，即导热系数越高；4）纳米流体的分散性、悬浮稳定性也影响了纳米流体的能量传递过程。

2.1.2 纳米流体的导热机理

随着实验成果的积累，研究人员发现纳米流体的导热系数明显不同于普通固液混合物的导热系数，于是开始了对纳米颗粒提高流体导热系数的微观机理的研究，其中较为著名的理论有布朗运动、颗粒对液体的吸附、颗粒聚集的影响、非限域的热传导特性。

由于纳米颗粒的尺寸远远小于宏观物体，其布朗运动效应便是一个不能忽略的因素，对此诸多学

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