纳米流体研究进展

纳米流体研究进展

摘要：纳米流体作为一种新型换热工质展现出异常良好的换热性能和良好的稳定性目前，人们对于纳米流体的研究还不够深入，纳米流体各种特性的机理尚不清楚。进一步开展纳米流体各种特性的机理研究，有助于加深人们对纳米流体的认知，能够促进纳米流体的工程应用，是非常有意义的工作。本文综述了纳米流体制备、纳米流体的稳定性、传热特性、导热系数研究进展。并对其在应用上作出了展望。

关键词：纳米流体；稳定新；传热特性；导热系数

1引言：

随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出，热交换设备的传热负荷和传热强度日益增大，传统的纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，低传热性能的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。随着纳米科学与技术的进步，纳米尺度材料和技术越来越多地进入强化传热工作者的视野。1995年美国Argonne国家实验室的Choi等[1]率先提出了纳米流体的概念。所谓纳米流体，是指以一定的方式在液体介质中添加纳米粒子或纳米管而形成的悬浮液。纳米流体与传统换热介质相比，在增强传热方面有着优良的特性。研究表明：纳米流体能显著提高传统换热介质的导热系数[2]。此外纳米流体在氨水鼓泡吸收实验中也表现出了很好的强化氨气吸收效果。制备导热系数高、换热性能好、传质效果强的纳米流体也必定会促进其在能源、化工、微电子、信息等领域的发展[3]。纳米流体概念的提出给强化传热技术的研究带来了新的希望。开展纳米流体强化传热机理研究，搞清楚影响纳米流体强化传热的主要因素，对于促进纳米流体在传热领域的应用有重要的意义。基于此，本文主要从纳米流体制备、纳米流体的稳定性、传热特性、导热系数等方面的最新进展及存在的问题进行叙述。

2纳米流体的制备

关于纳米流体的制备，己有许多相关综述可以参考，文献中采用的制备方法主要有两步法和一步法[4, 5]：

两步法是最为便利、经济的制备方法。纳米粉体工业已经较为成熟，可以通过物理或化学方法制备出金属或非金属的纳米颗粒、纳米管等纳米材料。两步法是指直接将纳米粒子分散到基液中的方法。首先，通过气相沉积法、化学还原法、机械球磨法或其它方法制备出纳米粒子、纳米纤维或纳米管，然后通过超声波振动、添加活性剂或分散剂、改变溶液pH值的方法，使纳米颗粒均匀地分散到基

液中。由于两步法将纳米粒子的制备和纳米流体的制备分离开来，造成纳米粒子在两步操作过程中容易聚集，尤其是在纳米粒子干燥、储存、运输过程中。纳米颗粒的聚集容易造成微管堵塞、热导率降低。由于纳米粉体合成技术日益完善，已经达到工业化生产水平，两步法在工业化合成纳米流体发展方向上具有明显优势，但是，如何使悬浮液获得长期稳定性却是一个尚未得到很好解决的问题。

宣益民等[6]将Al，Cu纳米颗粒，通过超声分并利用分散剂分散到机油传热液中得到浮到纳米流体。Hong等[7]通过两步法将Fe纳米晶粉末直接分散于EG(乙二醇)中制备了Fe/EG纳米流体。谢华清等[6]将碳纳米管，SiC纳米颗粒经超声振动和磁力搅拌添加到水，泵油中得到纳米流体。

一步法就是在颗粒制备的同时将颗粒分散到基液中去。在这种方法中，纳米粒子通过物理气相沉积法或化学气相沉积法制备出来并直接混溶于基液中。由于这种方法避免了纳米粒子的干燥、储存、运输和分散过程，纳米粒子不易团聚，制备出来的纳米流体稳定性较好。但该法仅适合在低蒸气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。

Zhu[8]提出了一步湿化学还原法制备纳米流体，在微波辐射条件下以次亚磷酸钠(NaH2PO2·H2O)为还原剂在乙二醇中还原五水硫酸铜(CuSO4·5H2O)来制备Cu/乙二醇纳米流体。这种方法得到了悬浮稳定无团聚的Cu/EG纳米流体。朱海涛[9]将纳颗粒湿化学法与纳米流体制备相结合(一步湿化学法)，制备出石墨一水，Cu0一水等纳米流体。

3纳米流体的稳定性

纳米流体的稳定性好坏是制备成功与否的关键。由于纳米粒子间具有相互连接面，其表面能的趋势、体系的稳定与否取决于颗粒间的排斥力和吸引力。前者是稳定的主要因素，后者是聚沉的主要因素。所以在纳米流体的制备过程中要尽可能地增加纳米颗粒间的排斥力、降低吸引力，使纳米流体处于稳定状态。而在纳米流体中起降低纳米粒子间引力作用的主要是溶液的pH值和分散剂，因此两者也就成为了影响纳米流体稳定性的主要因素。

3.1pH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[10]。

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[11]。3.2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。因此向液体系中添加分散剂能够增强纳米流体稳定性。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。且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[12]。

3.3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。

研究者们采用了许多方法来提高纳米流体的稳定性。Hong等[13]通过超声分散的方法来提高Fe/EG纳米流体的稳定性。Xuan和Li[14]分别以盐和油酸为分散剂来提高Cu/oil和Cu/H2O纳米流体的稳定性。Murshed等[15]用油酸(Oleicacid)和CTAB(Cetyltrimethylammoniumbromide)为分散剂来提高纳米流体的稳定性。Xie[16]利用浓硝酸来分散缠绕的碳纳米管聚集，得到了稳定和分散均匀的CNTs/DW(去离子水)、CNTs/EG(乙二醇)、CNTs/DE(癸烯)纳米流体。

综上所述，影响纳米流体热导率的因素很多，包括添加物的尺寸、形态、体积分数、热导率，基液的粘度、温度、热导率以及纳米颗粒与基液之间的固-液界面层的性质。研究者们在这方面做了大量工作。

4纳米流体的传热特性

研究纳米流体最终的目的便是将其应用于工业产生中，而在实际应用中人们所最关心的便是其对流换热系数、沸腾换热系数等传热性能。

目前关于纳米流体对流换热的实验研究主要集中在水平细长圆管内的对流换热特性。研究了颗粒体积分数、纳米颗粒属性、管径、温度、纳米流体的流动状态(层流、湍流)、Re数等对纳米流体对流换热的影响[17-19]。由于所采用的纳米流体不同、实验条件不同，所获得的影响规律也存在不少分歧。此外，纳米流体在自然对流、微孔道中的换热研究也有报道，但存在传热恶化与强化的分歧[17, 19]。纳米流体对流换热的实验研究还较少，研究结果也不一致。在纳米流体对流换热机理方面，人们采用均相模型、分散模型、颗粒迁移模型、非均相热平衡模型、格子-波尔兹曼等方法进行了研究[17]。由于对纳米颗粒的运动规律缺乏深入了解，