纳米冷却技术

技术应用 ・
不同的理 论。 ｅ ｌｎ ｋ 、 ａ ｔ ａ 及Ｘ ｅ Ｋ ｂｉｓｉ Ｅ ｓｍ ｎ ｉ 等认为影响纳米 流体 导热系数的主要 因素Ｎ４ 个：
２１２１纳米粒子的非限域传递 ．｜． 在沸腾换热 研究 中， 为达到 在小温 差下传 递最大热量 ， 一 些 学者 开始探 索将纳米 流体应用 于强化 换热 。 赵言冰等人“
微 观粒 子具有 贯 穿势垒能力 的效应称 为隧道 效应 。 人们
发现一些宏观量 ， 如微 粒的磁化 强度、 量子相干器件 中的磁通
量等也具有 隧道 效应， 它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变
化， 故称之为宏观的量子隧道效应 。 以上 四种效应是纳米 粒子 与纳米固体的基本特性 ， 它使纳米粒子和固体呈现许 多奇异的
化学性质 ， 出现一些 “ 反常现象” 除 以上基本性质 。 加， 而且纳米 粒子 的比表面积、 表面能 都会 迅速 增加。 主要 物理性质、 这 纳米粒子还具有光学性质、 电磁性质、 化学和催化性能和热 是因为处 于表面的原子数较多， 表面原子 的晶场环境和结合能 外， 与内部原子不 同所引起的。固体材 料的表面原子与 内部原子所 性质等一系列特性 ， 正是由于纳米粒子的这些特 性才使纳米粒
体材料 的激 子， 由于 空间的强烈束 缚导致激子吸收峰蓝移 ， 边 带以及导带中更高激发态均相应 蓝移 ， 并且其 电子一空穴对 的
电子和空穴受到 的影 响越 明显 ， 吸收值就越 向 是一种长度度量单位 ， ｎ 相当于一根头发丝直径 的１３ ０ 。 ｌｍ ／ ０ ０ 纳 有效质量 越小， 更高光子能量偏移， 量子尺寸效应越显著。 米 材料是指由０１ Ｏ ｎ 的超细微粒组成 的材料 。 ．￣ｌＯ ｍ 纳米 材料具
有小尺寸效应 、 子尺寸效应、表面 效应和宏观量 子隧道效 应 量 四种基本特 性。 纳米冷却技术即是以纳米流体为换热工质 的一 种微尺度下的电子冷却技术 。 ２１１纳米流体的性质 ．．
２１１１表面效应 ．．． 粒子直径减 小到 纳米 级 ， 不仅引起表面 原子数 的迅速 增
２１１４宏观量子隧道效应 ．．．
促进 了气泡 从加热 射， 使传统 的傅 里叶定律 不再满足 ， 流的传递是 跳跃式 和非 颗粒 之 间相互碰 撞，以及与加热面的碰撞 ， 热
限域 的， 应采用Ｂ ｌｚ ａ ｎ ｏｔ ｍ ｎ 方程来描述热传导。 ２１２２纳米粒子的布朗运 动 ．｜．
面上 的脱离 ； ３纳米 颗粒 改变 了工质 的物性 ， （） 如导热系数、 表
这一效应 “ 宏观量 子隧道效应 ”， 行为接近于 液体分 子， 其 不会 像毫米 由连 续能级变 为分立能级的现象 称为量子尺寸效应 。 可使纳米粒子具有 高的光学非线性、 异催化性和光催化性质 特 或微 米级粒子易产 生磨损或堵塞等不 良结果。因此 ， 与在液体
中添加毫米或微米级粒子相 比， 纳米流体更适用于实际应用。
ｕ一 米颗 粒 富集 区域 。 在这 些区域 内， 如果 纳米颗 粒间距ｄ ￣ ｌ ｍ 发现其导热 系数远大 于Ｃ Ｏ 乙二醇及纯 乙二醇 的导热系数 ， ， Ｕｎ 以下， 个颗粒表面 附着 的液膜 层就会接触 甚至部分重叠， ２ 这样 再次验 证了纳米 粒子 的属 性是影 响纳米流体导热 系数的一个 ２ 个纳米颗粒 就相当于直接接 触， 出现热短路， 极大地 降低 了热 重要因素。 ａ ￥ Ｃ ｏ 分别测试 了Ｙ Ａ ２ ３ Ｐ ｋ Ｈｈ ｉ ＿ １ ｏ 一水（ 粒径 １ ｎ ） ３ ｍ
讨论了纳米粒子种类 对纳米 流体 导热 系数 的影响。 ０ １ ２ ０年 纳米颗粒 问的范德瓦耳斯力是长程 吸引力， 电力是排斥 数 ， 静
力， 以在悬浮液中存在颗粒 间距很小但彼此分散且稳定 的纳 Ｅ ｓｍ ｎ 所 ａ ｔ ａ 等人 。 又采用气相沉积法制备了Ｃ ＿ ｕ 乙二醇纳米流体，
．．． 已很难满足一些特 殊条件下 的传热与冷却要求， 提高换热工质 ２１１２ 体 积 效 应 当物质体 积减小时， 将会出现 两种情况： 一是物质本身的 的传 热性能已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。
而只有那 些与体积 密切相 关的性 质发 生变 提高液体 传热性 能 的一种 有效 方式 是在液体 中添 加金属 、 非 性 质不发 生变化 ， 化； 另一种是物质 本身的性 质也发生了变化 ， 因为纳米 粒子是 金属或聚合物 固体颗粒 ， 以往 的研究都局限于用毫 米或微米级
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技 术 应 用
纳米冷却技术
陈小雁
（ 苏州建设交通高等职业技术学校， 江苏 苏州 ２５０ ） １１４
摘 要： 随着电子集成技术的迅速发展， 电子器件的热流密度不断增加， 对微尺度下电子冷却技术的要求也在不断提 高。 微电子领域是最
早 提 出微 尺 度 流动和传 热 问题 的工 程领域 。 在具有微 尺 度 的微 电子领 域中， 当空间和 时间尺 度微 细化 后， 出现 了 多与常规 尺度 下不同的物 很
只将其讨论范围限制 在稳态纳米流体， 某种程度 削弱 了其理论 完成了对纳米流体物性参数的实验测 量。 ０ ２ ， ｅ ｌｎ ｋ与 ２０年 Ｋｂｉｓ ｉ 的说服力。
Ｃ ｏ 等 分析了纳米 颗粒在 基液 中的布 朗运动 、 ｈｉ 纳米颗 粒表 面 吸附 的薄 液层 、 米颗粒 内部热载子 弹性散 射以及纳米 颗 纳
阻， 增大了悬浮液 的有效热导率。
和Ｔ０ 一 （ 径２ ｎ ） ｉ２ 水 粒 ７ ｍ 两种纳米流体在管 内湍流状态下 的对流
研 此外， 其他研究者也提 出了一些理论 来解 释纳米流体热导 换热 系数 和阻力系数 ， 究了纳米流体在流动状态下 的传热性 得出结论： 相同的雷诺数下， 在 纳米 流体的管内对流换热系 率增 加的机理 。 李强等的研 究认为， 纳米粒子微运 动是纳米流 能。 但 两种纳米流体的粘度增 体强化导热系数 的主要机 理。 ｒ ｓ ｅ 、 ｈ ｎ Ｋ ｏ Ｐ ａ ｈ ｒ Ｃ ａ 、 ｏ 等 的研 数 明显 比纯水的大很 多； 应该指 出， 究表 明， 纳米粒子 的布 朗运动是控制纳 米流体热导率 的主要机 加 的比例远大于对 流换热系数 增加的比例 ， 可以选 用高导热系 美国普渡 理。 然而Ｅ ａ ｓ ｖ ｎ 等 却认 为布朗运动对 纳米流体热 导率 的影响 数 且粒径 相对 大的纳米 粒子 来减 少粘度增加的比例。
处的环境是不同的。 当材料粒径远大于原子直径时， 表面原子可 子和纳米 固体具有奇异的特 性。 ２１２纳米流体的强化传 热机理 ．． 忽略 ： 当粒径逐 渐接 近于分 子直径时， 但 表面原子的数 目 及其作 用就 不能忽略， 而且这 时晶粒 的表面积、 面能和表面结合能 表
为解释 纳米流体热 导率异 常增 加的现象， 人们提 出了一些
的研 究表 明， 纳米 流体 显著增强 了沸 腾换热 。 主要机理可 以 其
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当纳米颗粒 的尺度接近或小于晶体材料 的声子平均自由程 从 以下三方面来解 释： １由于悬浮颗粒在沸腾过程 中的运 动， （）
改善气泡 成长条件；（ ２ ） 时， 界起 了重 要作用， 边 品格振 动波受纳 米颗粒 界面 的强 烈散 强化了加热面附近 的热边界层的扰动 ，
ｕ Ｗｈ ｉ 采 ｕ 、Ｙ 很小， 不能用于解释 纳米流体特殊 的热 输运特 性。 他们应用分 大 学的Ｘ ￥ Ｃ ｏ 合作 ， 用稳态平板法测量了纳米Ｃ ０ —
子动力学 模拟和有 效介质理论来支 持 自己的观点 。 是， 但 他们 Ａ ２ ３ １０ 的水基、 乙二醇基 以及油基纳米流体的导热系数和粘度 ，
改变了原来 由无数个原子或分子组 的固体颗粒 悬浮于液体 中， 由于毫米或微米级颗 粒在 实际应用 由有 限个原子或分 子组成， 成的集体属性 。 当纳米材料 的尺寸与传导电子的德布罗意波长 中容 易引起热 交换设备磨损 及堵塞等不 良结果 ， 大大限制 了其
周期性的边界条件将被破坏， 磁性、内压、 光吸 在工 业实际 中的应 用。 ０ ２ 世纪９ 年代 以来， 究人员开始探索 相当或更小时， ０ 研
ｕ机 Ａ ２ ３ 水等几种纳米 流体 ， 完成 了纳米 流体制备。 纳米流体 中， 在固一 液界面上由于表面 吸附作用会形成—层 Ｃ 一 油 、 １ ０ 一
ａ ｔ ａ 等 采 用瞬 态热线 法侧 量了上述 纳米流体 的导热 系 厚度 为几个原子距离 的液膜 层， 液膜层 内液体分 子受纳米颗粒 Ｅ ｓ ｍ ｎ 表面原子排列的影响， 向固相 ， 趋 其导热系数远大于液体本身，
热 化 催化性及熔点等与普通 晶粒相比都有很大 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 收、 阻、 学活 性、 的变化， 这就是纳米 材料 的体积效应， 又称为小尺寸效应 。 却技 术。 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 ， 成 一 类 新 的传 热 冷 却 工 质 。 形 由于 ２１１３ 量 子尺寸 效 应 纳米粒子尺寸下降到一定值时， 费米能级附近 的电子能级 纳米 材料 的 “ 小尺寸效应 ”、“ 界面效应 ” 量子尺寸效应 ” 、“ 和
等。 子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米材料 吸收光谱 的 量
２ 纳米冷却技术
２１纳米冷却技术的换热原理 ．
纳米流体是以一定的方式和比例在液体 中添加纳米粒子而 形成 的一种均匀、 稳定、 高导热系数 的新型换热工质 。“ 纳米”
边界蓝移。 这是 由于在半导体纳米晶粒中， 照产生的电子和空 光 穴不再 自由， 即存在库仑 作用 ， 电子一空穴 对类似于宏观 晶 此
这相 当于增加了固相 的体积含量。
２１２４ 纳米 颗 粒 聚集 ．．．
数， 实验 结果表 明： 纳米 流体 的导热系数 随纳米粒子 的体积份 额的增加而增大。 随后， ｒ ｏ ｎ 国家实验室的研究小组 又 Ａ ｇｎ ｅ “
测量了几种悬 浮有金 属氧化物 纳米 粒子的纳米 流体 的导热系
面张力、 粘度等， 从而强化了沸腾换热。 这些机 理定性解释 了 纳
当颗粒尺度较 大时， 布朗运动速度很小， 可以忽略不计； 当 米颗粒 对沸腾换热 的强化作用， 但对其 定量 的分析还需要做很
颗 粒尺度 较小时， 朗运动就 不可忽略。 朗运 动增大了粒子 多的研 究工作 。 布 布 与粒子之 间的碰撞 频率 ， 引起颗 粒聚集 ， 同时使 粒子与液体 间 ２２纳米冷却技术的现状及应用 ． ．． 产生微 对流现 象 ， 因此 纳米流体 的导热 系数 是 由固一 液两 相的 ２２１国外纳米流体的研 究状况 有效热扩散和颗粒 迁移共同作用的结果 。 ２１２３ 固一 ．．． 液界面液膜层 在 Ｃ ｏ 提 出了纳米 流体 的新概 念后， ｒ ｏ ｎ 国家 实验 ｈｉ Ａ ｇｎ ｅ 室的研究 小组中Ｅ ｓｍ ｎ ａ ｔ ａ 等人采用气相沉积法制备了Ｃ Ｏ 水 ， ｕ一
理现象。 而随着微电子技术的发展， 电子器件的热流密度不断增加， 这势必对电子器件有更高的散热要求， 因此有效地解决散热ｆ题已成为 ｑ
电 设备 必 须解决 的关键 技 术 子 鉴于纳 米冷 却技 术的先 进性 和优越 性 ， 文从 微 尺度 下电子冷却技 术 的发展 背景出发 ， 本 重点介 绍了纳米冷
却技 术的应用、 现状 及 发展 前景。 关键词 ： 尺度 ； 微 纳米冷 却技 术 ： 现状 及 发展 前景
１ 引言
等都发生了很大的变化， 人们把 由此 引起 的种种特异效应 统称
纳 表面能 随着科学技 术的飞速发展和 能源 问题的日益突出， 热交换 为表面效 应。随着 粒径的减 小， 米材料 的比表面积 、 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 及 表 面 结合 能 都 迅 速 增 大 。