工業(yè)應(yīng)用和科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域涉及熱量傳遞過程，強(qiáng)化傳熱可以提高系統(tǒng)或設(shè)備的傳熱效率，一般如果從換熱設(shè)備著手，則往往需要增加系統(tǒng)的尺寸，不符合但如今系統(tǒng)輕量化、微型化的發(fā)展趨勢，因此對換熱導(dǎo)熱介質(zhì)提出更高要求。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱介質(zhì)如水、乙二醇、導(dǎo)熱油等的導(dǎo)熱系數(shù)偏低，近年來，突破傳統(tǒng)導(dǎo)熱介質(zhì)的限制成為高效換熱技術(shù)的研究重點(diǎn)。

冷卻塔就是典型的換熱設(shè)備

什么是納米流體？

在早期時候，研究人員就開始在液體中加入固體顆粒，以提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)。但大多數(shù)研究所用固體顆粒局限于毫米或微米級別，由于粒徑過大，易于沉降，往往難以實(shí)現(xiàn)長期分散穩(wěn)定，且容易造成設(shè)備磨損與堵塞，未能得到廣泛應(yīng)用。

 1995年，美國Argonne實(shí)驗(yàn)室的Choi等率先提出了“納米流體”的概念，是指以一定的方式和比例，在常規(guī)液體中添加高導(dǎo)熱系數(shù)的納米級固體顆粒形成的一類新型傳熱介質(zhì)。固體顆粒一般包括金屬（Cu、Ag等），金屬氧化物、氮化物、碳化物（Al₂O₃、CuO、ZnO、AlN、SiC等）以及碳材料（碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯等），這類物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)一般較大，往往是傳統(tǒng)導(dǎo)熱介質(zhì)的成百上千倍，因此其加入在理論上可以使基液的傳熱能力大幅提升，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。而且相比早期添加毫米、微米級粒子的研究，納米級尺寸不易引起管道堵塞問題，推進(jìn)了各種換熱設(shè)備的小型化進(jìn)程。

幾種導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)

雖然納米粒子的引入能夠大幅提高傳統(tǒng)導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。但水基、乙二醇基及水-乙二醇混合基的各類納米流體幾乎都存在長期分散穩(wěn)定性差的問題。

納米粒子在重力、范德華力等作用力下發(fā)生沉降、團(tuán)聚，甚至分層，進(jìn)而影響強(qiáng)化傳熱效果。顯然，納米流體長期分散穩(wěn)定是其換熱能力提升的前提，而制備兼具導(dǎo)熱系數(shù)高和穩(wěn)定性強(qiáng)的納米流體已成為使其應(yīng)用普遍化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

納米顆粒在流體中的聚集狀態(tài)

納米流體的制備

目前，納米流體的制備方法分為兩種，即單步法和兩步法。

一、單步法

單步法是指在制備納米粒子的同時直接將納米粒子分散到基液中得到納米流體，如通過物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)液相法等直接制備納米粒子。

單步法制備的納米流體一般分散性好、懸浮穩(wěn)定性高，這是因?yàn)?/span>避免了額外的分散步驟從而減少納米粒子團(tuán)聚。然而單步法制備納米流體也存在成本過高、設(shè)備復(fù)雜、無法規(guī)模化生產(chǎn)等問題，并且此法一般難以控制納米粒子的尺寸分布和純度，只適用于低蒸氣壓基液納米流體的制備。

二、兩步法

兩步法是指先制備出納米粒子，再將納米粒子以某種方式分散到基液中得到納米流體。兩步法制備納米流體具有工藝簡單、成本低等優(yōu)勢，幾乎適用于所有納米流體的制備，如不同基液的Al₂O₃、TiO₂、ZnO、CNTs等納米流體。

雖然此法制備的納米流體穩(wěn)定性一般不及單步法，往往在一段時間后發(fā)生團(tuán)聚、沉降等現(xiàn)象，但通過超聲處理、添加表面活性劑和調(diào)節(jié)PH等手段，已經(jīng)可以制備出保持相對穩(wěn)定的納米流體。考慮到經(jīng)濟(jì)因素和產(chǎn)品需求量，目前制備納米流體大多采用兩步法。

納米流體的兩步法制備路線

納米流體的應(yīng)用

因?yàn)閮?yōu)異的傳熱性能，納米流體已發(fā)展成一種新型導(dǎo)熱介質(zhì)來滿足熱系統(tǒng)高負(fù)荷的傳熱冷卻要求，甚至微尺度條件下的強(qiáng)化傳熱要求。目前已有將納米流體應(yīng)用于汽車行業(yè)、化工工業(yè)、空調(diào)制冷、太陽能集熱和微通道散熱器等不同領(lǐng)域。

一、汽車行業(yè)應(yīng)用

近年來，納米流體在殼管式、雙管式、平板式等不同類型換熱器中的傳熱研究受到越來越多的關(guān)注。相比于不含納米顆粒的冷卻液，納米流體用作發(fā)動機(jī)冷卻液可實(shí)現(xiàn)更高的換熱增強(qiáng)，這種強(qiáng)化傳熱的方法有望使汽車散熱器更小、更輕，從而使汽車能有更多空間提高綜合性能，實(shí)現(xiàn)輕量化。

板式換熱器工作原理

二、微通道散熱器應(yīng)用

電子系統(tǒng)中散發(fā)的大量熱量必須有效地消除以防止過熱和芯片故障，使用微通道液冷是替代笨重的鋁散熱器的一種有吸引力的方法。與傳統(tǒng)散熱器需要大的表面積來增加散熱率不同，這些通道可以直接集成到芯片中，而使用納米流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)的冷卻介質(zhì)可以進(jìn)一步增強(qiáng)冷卻效果。

微通道散熱器

三、太陽能集熱器應(yīng)用

太陽能集熱器是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為傳輸介質(zhì)內(nèi)能的一種特殊的熱交換器，其強(qiáng)化傳熱是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵問題之一。目前已有將各種納米流體應(yīng)用于太陽能集熱器的研究工作，研究發(fā)現(xiàn)，使用納米流體為介質(zhì)的太陽能集熱器相對于常規(guī)平板器，工作效率大幅提高。

太陽能集熱器

總結(jié)

納米流體將納米技術(shù)與熱能工程這一傳統(tǒng)領(lǐng)域創(chuàng)新性地結(jié)合起來，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的前景巨大，但目前無論實(shí)驗(yàn)還是理論研究都受到一定的限制。實(shí)驗(yàn)工作的限制，主要是顆粒的團(tuán)聚與穩(wěn)定性問題；而理論研究中，數(shù)值模擬需要更精確的模型。未來研究的重點(diǎn)一是實(shí)現(xiàn)納米流體的長期分散穩(wěn)定和高換熱特性，以實(shí)現(xiàn)其規(guī)模化應(yīng)用；二是建立合適的模型，用于納米流體的性能預(yù)測與理論解釋。

參考來源：

納米流體導(dǎo)熱介質(zhì)研究進(jìn)展，賈東、蔡淑紅、李獻(xiàn)強(qiáng)、郝文靜、劉波濤、譚凱鋒、王峰（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一八研究所）。

粉體圈小吉

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