纳米流体的研究进展
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 纳米流体的制备与稳定性
2. 1 纳米流体的制备
纳米流体的制备 是纳 米流 体应 用于 强化 传 热过 程中 关键
* 美国通用汽车公司资金支持( 20070311) 李艳娇: 女, 1976 年生, 博士研究生, 讲师, 从事金属及纳米 材料的研究 T el: 029- 82663190 E- mail: lyj. x jtu@ yahoo . com. cn
2. 2 纳米流体的稳定性
纳米流体悬浮液中, 由于纳米 颗粒的 高表面活 性使其 很容 易团聚而造成沉淀, 从而 使微管堵塞、热导率降低。因此纳米流 体的稳定性问题是解决纳米流体应用的关键问题。
彭小飞等[24] 研究了 影响纳 米流 体稳定 性的 因素。他 们的 实验结果表明: 影响纳米 流体稳定 性最重 要的因素 是纳米 粒子 浓度、分散剂、基液粘度和 pH 值。Y. H wang [ 25] 利用紫外分光 光度计研究了纳米流体的稳定 性, 认为纳 米颗粒和 基液的 特性 如粒子形态、基液化学结 构等是影 响纳米 流体稳定 性的关 键因 素, 添加分散剂可以改变 纳米流体的稳定性。
研究者 们 采 用 了 许 多 方 法 来 提 高 纳 米 流 体 的 稳 定 性。 Ho ng 等[ 21] 通过超声分散的 方法 来提 高 F e/ EG 纳米 流体 的稳 定性。Xuan 和 L i [ 4] 分 别以 盐 和油 酸为 分 散剂 来提 高 Cu/ oil 和 Cu/ H 2 O 纳 米 流 体的 稳 定性。 M urshed 等[9] 用 油酸 ( O leic acid) 和 CT A B( Cetyl trimet hy l ammo nium bro mide) 为分散剂来 提高纳米流体的稳定性。Xie[ 15] 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 CN T s/ D W ( 去离 子 水) 、 CNT s/ EG( 乙 二醇) 、CN T s/ DE ( 癸烯) 纳米 流体。 Yu 等[26] 通 过改变金刚石纳米 粒子 表面特 性的 方法 使金 刚 石纳 米粒 子获 得更强的亲水性, 从而得 到了更稳定的纳米流体。
文献报道的纳米 流体 热导 率和 基液 相比 多 数得 到显 著改 善, 但是这些流体都很难 保持长期稳定性。最近, 文献[ 16] 报道 了一种新的纳米 流体 体系。这 种纳 米流 体以 纳 米液 滴为 添加 物, 具有长期的稳定性, 为纳米流体的研究提供了新的途径。马 坤全等[17] 也提出将纳米粒子 添加 到液态 金属 中形成 液态 金属 基纳米流体这样一个新的体系。
Ho ng [7, 21] 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 F e/ EG 纳米流体。Xuan [ 4, 22, 23] 通过 两步法 制 备了 Cu/ H 2 O、Cu/ o il 纳米流体。M ur shed[ 9] 采用两步法制备了
T iO 2 / H 2 O 纳 米 流 体。 Xie [ 10] 采 用 两 步 法 制 备 了 A l2 O 3 / H2 O 、A l2 O 3 / EG 、A l2 O3 / P O 纳 米流 体。L iu [ 13] 和 Choi[14] 用 两步法制备了以碳纳米管为添加物的纳米流体。
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。
纳米流体的研究进展/ 李艳娇等
# 87 #
纳米流体的研究进展*
李艳娇1, 2 , 赵 凯1, 罗志峰1 , 周敬恩1
( 1 西安交通大学材料科学与工程 学院, 金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049; 2 第二炮 兵工程学院, 西安 710025)
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, 从而引 起了许多 研究者 的关注。从稳态纳米流体的制备及稳定性、热 导率及 强化传热 机理、粘度 研究等 方面总 结了纳米 流体技 术的研 究进 展, 指出纳米流体研究还处在起步阶段 , 研究方法和相关仪器设备还不成熟, 许多问题还需要更全面和深入的研究。
1 纳米流体体系的选择
理论上讲, 几乎所有 导热系数 高的固 体粒子都 可以作 为纳 米流体的添加物。文献中经常报道的纳米流体的添加物有以下 几类[2 ) 15] : ( 1) 金属 纳米 粒子 ( Cu、Al、Fe、A u、Ag ) ; ( 2) 非 金属 纳米粒子( A l2 O 3 、CuO、F e3 O4 、T iO2 、SiC) ; ( 3) 碳纳米管; ( 4) 纳 米液滴。常用的基液有水、机油、甲苯、丙酮 、乙二醇等。常用添 加物和基液的热导率如表 1 所示。
~ 3000( M W CNT s) 260~ 600 0. 613 0. 256 0. 145
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。
Key words nano fluids, thermal conductiv ity, stability, mechanism, v isco sity
0 引言
随着热科学和技 术的发展, 在冶 金、能 源、运 输、微 电子、化 学工程、航天器热控制、制造业中, 对 换热系 统的效率 提出了 更 高的要求。提高液体 换热 效率 的一 种有 效方 法是 在基 液中 添 加金属、非金属或聚合物固 体粒子。 由于固 体粒子的 导热系 数 比液体大几个数量级, 这种添 加了固 体粒子 的两相流 体的导 热 系数比纯液体大许多。但实际应 用存在 许多问 题, 主 要是粒 子 颗粒大, 易沉降, 易产生堵塞和磨损等不良现象。
Cho i[2] 采用一步物理方法制备了 Cu/ EG 纳米 流体。Cu 蒸 气和流动的低 蒸 气压 液体 乙 二 醇接 触 直接 凝 聚成 纳 米 粒子。 Liu[ 3] 首次应用化学还原 法合成了 Cu/ 水纳米流体。Chih- H ung Lo 等[18, 19] 采用埋弧纳米粒子 合成系 统( SA NSS) 制备 了 CuO/ 去离子水纳米流体。这种方法有 效避免 了纳米 粒子聚 集, 形 成 了均匀分布且尺寸可控的 CuO / 去离子 水纳米流体。Zhu [ 20] 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( N aH2 P O2 # H2 O ) 为还 原剂 在乙二 醇中 还原 五水 硫 酸铜( CuSO 4 # 5H 2 O) 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。
# 88 #
材料导报
2008 年 11 月第 22 卷第 11 期
的一步。纳米流体的制备方法可分为两种: 一步法和两 步法。
表 1 纳米流体常用添加 物和基液的热导率 T able 1 T herma l conductiv ity o f addit ives and base fluids
usually used in nanofluids
关键词 纳米流体 热导率 稳定性 机理 粘度 中图分类号: T B383
A Review on Research Development of Nanofluids
LI Yanjiao1, 2 , ZH AO Kai1, L U O Zhif eng1 , ZH OU Jing. en1
( 1 State Key Labo rator y fo r M echanical Behav ior of M ater ials, Schoo l o f M aterial Science and Eng ineer ing, Xi. an Jiao tong U niv ersity , X i. an 710049; 2 T he Seco nd A rtiller y Eng ineer ing Colleg e, Xi. an 710025)
1995 年美国 A rg onne 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 体概 念 的提出给强化传热 技术 的研 究带 来了 新的 希望。 纳米 流体 在 提高流体换热能力的 同时 , 由于 小尺 寸效 应和 布朗 运动, 与 传 统添加微米或毫米固体粒子的流体相比, 悬浮 稳定性更好。
添加物 基液
材料 Cu Al Ag Au Fe Al2 O3 Cu O Si S iC CNT s BN N T s H2O Ethy lene glycol( EG) Eng ine oil ( EO )
热导率/ ( W/ ( m # K ) ) 40 1 23 7 42 8 31 8 83. 5 40 76. 5 14 8 27 0
近些年来, 国内 外 学 者对 纳 米流 体 技 术进 行 了大 量 的 研 究, 主要集中在以下几个方 面: 纳 米流体 体系的 选择、纳米流 体 的制备及稳定性研 究、纳米 流体 热导 率影 响因 素及 模型 研究、 纳米流体强化传热机理研究、纳米流 体粘度 测量及影 响因素 研 究。
本文主要针对纳 米流 体稳 态情 况下 的实 验 及理 论研 究进 展进行评述。
Abstract Nanof luids a re a new kind o f heat t ransfer liquids, which ar e com posed o f nano- sized additiv es and base fluids. A s an inno vativ e nano- mater ial, nanofluids attract g reat attent ion of investig ator s fo r exhibit ing ano malo us heat tr ansfer pro per ties and g oo d stability. In this paper recent developments of nanofluids investig atio n are summar ized fro m sever al aspects suchห้องสมุดไป่ตู้as the sy nthesis method and stability, the facto rs influencing ther mal conductivity, the model of thermal conductivity, the mechanism o f enhanced ther mal conductivity and the measurement o f v iscosity . Fo r the inv est igat ion on nano fluids is in its initial stag e, research method and r elevant a pparatus ar e immaturity, it is pro po sed that many pr oblems about nano fluids need to be fur ther investig ated.
2. 1 纳米流体的制备
纳米流体的制备 是纳 米流 体应 用于 强化 传 热过 程中 关键
* 美国通用汽车公司资金支持( 20070311) 李艳娇: 女, 1976 年生, 博士研究生, 讲师, 从事金属及纳米 材料的研究 T el: 029- 82663190 E- mail: lyj. x jtu@ yahoo . com. cn
2. 2 纳米流体的稳定性
纳米流体悬浮液中, 由于纳米 颗粒的 高表面活 性使其 很容 易团聚而造成沉淀, 从而 使微管堵塞、热导率降低。因此纳米流 体的稳定性问题是解决纳米流体应用的关键问题。
彭小飞等[24] 研究了 影响纳 米流 体稳定 性的 因素。他 们的 实验结果表明: 影响纳米 流体稳定 性最重 要的因素 是纳米 粒子 浓度、分散剂、基液粘度和 pH 值。Y. H wang [ 25] 利用紫外分光 光度计研究了纳米流体的稳定 性, 认为纳 米颗粒和 基液的 特性 如粒子形态、基液化学结 构等是影 响纳米 流体稳定 性的关 键因 素, 添加分散剂可以改变 纳米流体的稳定性。
研究者 们 采 用 了 许 多 方 法 来 提 高 纳 米 流 体 的 稳 定 性。 Ho ng 等[ 21] 通过超声分散的 方法 来提 高 F e/ EG 纳米 流体 的稳 定性。Xuan 和 L i [ 4] 分 别以 盐 和油 酸为 分 散剂 来提 高 Cu/ oil 和 Cu/ H 2 O 纳 米 流 体的 稳 定性。 M urshed 等[9] 用 油酸 ( O leic acid) 和 CT A B( Cetyl trimet hy l ammo nium bro mide) 为分散剂来 提高纳米流体的稳定性。Xie[ 15] 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 CN T s/ D W ( 去离 子 水) 、 CNT s/ EG( 乙 二醇) 、CN T s/ DE ( 癸烯) 纳米 流体。 Yu 等[26] 通 过改变金刚石纳米 粒子 表面特 性的 方法 使金 刚 石纳 米粒 子获 得更强的亲水性, 从而得 到了更稳定的纳米流体。
文献报道的纳米 流体 热导 率和 基液 相比 多 数得 到显 著改 善, 但是这些流体都很难 保持长期稳定性。最近, 文献[ 16] 报道 了一种新的纳米 流体 体系。这 种纳 米流 体以 纳 米液 滴为 添加 物, 具有长期的稳定性, 为纳米流体的研究提供了新的途径。马 坤全等[17] 也提出将纳米粒子 添加 到液态 金属 中形成 液态 金属 基纳米流体这样一个新的体系。
Ho ng [7, 21] 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 F e/ EG 纳米流体。Xuan [ 4, 22, 23] 通过 两步法 制 备了 Cu/ H 2 O、Cu/ o il 纳米流体。M ur shed[ 9] 采用两步法制备了
T iO 2 / H 2 O 纳 米 流 体。 Xie [ 10] 采 用 两 步 法 制 备 了 A l2 O 3 / H2 O 、A l2 O 3 / EG 、A l2 O3 / P O 纳 米流 体。L iu [ 13] 和 Choi[14] 用 两步法制备了以碳纳米管为添加物的纳米流体。
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。
纳米流体的研究进展/ 李艳娇等
# 87 #
纳米流体的研究进展*
李艳娇1, 2 , 赵 凯1, 罗志峰1 , 周敬恩1
( 1 西安交通大学材料科学与工程 学院, 金属材料强度国家重点实验室, 西安 710049; 2 第二炮 兵工程学院, 西安 710025)
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, 从而引 起了许多 研究者 的关注。从稳态纳米流体的制备及稳定性、热 导率及 强化传热 机理、粘度 研究等 方面总 结了纳米 流体技 术的研 究进 展, 指出纳米流体研究还处在起步阶段 , 研究方法和相关仪器设备还不成熟, 许多问题还需要更全面和深入的研究。
1 纳米流体体系的选择
理论上讲, 几乎所有 导热系数 高的固 体粒子都 可以作 为纳 米流体的添加物。文献中经常报道的纳米流体的添加物有以下 几类[2 ) 15] : ( 1) 金属 纳米 粒子 ( Cu、Al、Fe、A u、Ag ) ; ( 2) 非 金属 纳米粒子( A l2 O 3 、CuO、F e3 O4 、T iO2 、SiC) ; ( 3) 碳纳米管; ( 4) 纳 米液滴。常用的基液有水、机油、甲苯、丙酮 、乙二醇等。常用添 加物和基液的热导率如表 1 所示。
~ 3000( M W CNT s) 260~ 600 0. 613 0. 256 0. 145
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。
Key words nano fluids, thermal conductiv ity, stability, mechanism, v isco sity
0 引言
随着热科学和技 术的发展, 在冶 金、能 源、运 输、微 电子、化 学工程、航天器热控制、制造业中, 对 换热系 统的效率 提出了 更 高的要求。提高液体 换热 效率 的一 种有 效方 法是 在基 液中 添 加金属、非金属或聚合物固 体粒子。 由于固 体粒子的 导热系 数 比液体大几个数量级, 这种添 加了固 体粒子 的两相流 体的导 热 系数比纯液体大许多。但实际应 用存在 许多问 题, 主 要是粒 子 颗粒大, 易沉降, 易产生堵塞和磨损等不良现象。
Cho i[2] 采用一步物理方法制备了 Cu/ EG 纳米 流体。Cu 蒸 气和流动的低 蒸 气压 液体 乙 二 醇接 触 直接 凝 聚成 纳 米 粒子。 Liu[ 3] 首次应用化学还原 法合成了 Cu/ 水纳米流体。Chih- H ung Lo 等[18, 19] 采用埋弧纳米粒子 合成系 统( SA NSS) 制备 了 CuO/ 去离子水纳米流体。这种方法有 效避免 了纳米 粒子聚 集, 形 成 了均匀分布且尺寸可控的 CuO / 去离子 水纳米流体。Zhu [ 20] 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( N aH2 P O2 # H2 O ) 为还 原剂 在乙二 醇中 还原 五水 硫 酸铜( CuSO 4 # 5H 2 O) 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。
# 88 #
材料导报
2008 年 11 月第 22 卷第 11 期
的一步。纳米流体的制备方法可分为两种: 一步法和两 步法。
表 1 纳米流体常用添加 物和基液的热导率 T able 1 T herma l conductiv ity o f addit ives and base fluids
usually used in nanofluids
关键词 纳米流体 热导率 稳定性 机理 粘度 中图分类号: T B383
A Review on Research Development of Nanofluids
LI Yanjiao1, 2 , ZH AO Kai1, L U O Zhif eng1 , ZH OU Jing. en1
( 1 State Key Labo rator y fo r M echanical Behav ior of M ater ials, Schoo l o f M aterial Science and Eng ineer ing, Xi. an Jiao tong U niv ersity , X i. an 710049; 2 T he Seco nd A rtiller y Eng ineer ing Colleg e, Xi. an 710025)
1995 年美国 A rg onne 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 体概 念 的提出给强化传热 技术 的研 究带 来了 新的 希望。 纳米 流体 在 提高流体换热能力的 同时 , 由于 小尺 寸效 应和 布朗 运动, 与 传 统添加微米或毫米固体粒子的流体相比, 悬浮 稳定性更好。
添加物 基液
材料 Cu Al Ag Au Fe Al2 O3 Cu O Si S iC CNT s BN N T s H2O Ethy lene glycol( EG) Eng ine oil ( EO )
热导率/ ( W/ ( m # K ) ) 40 1 23 7 42 8 31 8 83. 5 40 76. 5 14 8 27 0
近些年来, 国内 外 学 者对 纳 米流 体 技 术进 行 了大 量 的 研 究, 主要集中在以下几个方 面: 纳 米流体 体系的 选择、纳米流 体 的制备及稳定性研 究、纳米 流体 热导 率影 响因 素及 模型 研究、 纳米流体强化传热机理研究、纳米流 体粘度 测量及影 响因素 研 究。
本文主要针对纳 米流 体稳 态情 况下 的实 验 及理 论研 究进 展进行评述。
Abstract Nanof luids a re a new kind o f heat t ransfer liquids, which ar e com posed o f nano- sized additiv es and base fluids. A s an inno vativ e nano- mater ial, nanofluids attract g reat attent ion of investig ator s fo r exhibit ing ano malo us heat tr ansfer pro per ties and g oo d stability. In this paper recent developments of nanofluids investig atio n are summar ized fro m sever al aspects suchห้องสมุดไป่ตู้as the sy nthesis method and stability, the facto rs influencing ther mal conductivity, the model of thermal conductivity, the mechanism o f enhanced ther mal conductivity and the measurement o f v iscosity . Fo r the inv est igat ion on nano fluids is in its initial stag e, research method and r elevant a pparatus ar e immaturity, it is pro po sed that many pr oblems about nano fluids need to be fur ther investig ated.