（凝聚态物理专业论文）磁性纳米流体的制备及强化传热性能的研究.pdf

d i s s e r t a t i o no fm a s t e r sd e 伊e ei n2 010 u n i v e r s i t yc o d e ：10 2 6 9 s t u d e n ti d ：510 7 0 6 0 2 0 15 e a s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y s t u d y o nt h ep r e p a r a t i o na n dh e a t t r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c eo f m a g n e t i c n a n o f l u i d s 郑重声明 是在华东师范 华东师范大学学位论文原创性声明 文磁性纳米流体的制备及强化传热性能的研究， ( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确说明并表示谢意。 作者签轹豇v i 当- 移， 日期：2 年。5 月3 ，同 华东师范大学学位论文著作权使用声明 磁性纳米流体的制备 位期间在导师指导下完成的 性能的研究系本人在华东师范大学攻读学 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华 东师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并 向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电 子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将 学位 题和 鄞宣挂硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 成荣明教授华东师范大学主席 徐学诚副教授华东师范大学委员 蒋冬梅副教授华东师范大学委员 华东师范大学2 0 1 0 届硕1 ：论文 论文摘要 纳米流体作为一种新型的传热介质，近年受到了广泛而深入的研究。所谓纳 米流体是指将纳米粒子分散到液相( 如：水、乙二醇、机油等) 中形成的均一、 稳定的悬浮液。纳米流体因其强化了液相的传热性能，在光热太阳能换热、发动 机的冷却以及电子芯片的散热等传热应用领域有着很好的应用前景，含磁性纳米 粒子的磁性纳米流体，不仅具有较好的强化传热性能，还具备磁场响应能力。 纳米粒子较以前的微米级粒子作为分散相分散到液相中更加稳定，但是由于 粒子表面电荷、基团以及团聚等因素，还是不利于长时间的静置。制备均一、稳 定的纳米流体是其强化传热实际应用的前提，纳米粒子的加入，改善了液相的导 热系数及对流换热系数，改变了液相的流变行为。本文就磁性纳米流体的制备， 磁性纳米流体的导热系数、对流换热系数以及其流变行为进行了较为深入的研 究，结果如下： l 、含丫f e 2 0 3 纳米颗粒的磁性纳米流体的制备及导热系数的研究 乙二醇( e g ) 体系、去离子水( d w ) 体系及混合液( 4 5 v 0 1 e g + 5 5 v 0 1 d w ) 体系下，当固相体系分数在2 0v 0 1 时，纳米流体导热系数较基液提高值分别 为3 1 、8 、3 7 ，e g 体系的纳米流体，在1 ，f e 2 0 3 的体积份额为5 0v 0 1 时， 其导热系数较基液提高约1 2 ；另外，实验研究表明温度对纳米流体导热系数基 本上没有影响。 磁场对磁性纳米流体的导热系数的影响非常明显，结果表明，对于2 0v 0 1 的1 - f e 2 0 3 d w 体系，不加磁场时导热系数较基液提高仅3 7 ，而同样的体积 分数下，当外加磁场强度为5 5 0g a u s s 时，导热系数提高2 3 3 。 2 、含核壳结构磁性纳米粒子的纳米流体的制备及导热系数研究 将聚合物p m m a ，成功包裹在纳米粒子的表面，包裹层的厚度约为5 n m ， 包裹后的纳米粒子，能在汽车发动机冷却液3 g s 油中形成较好的分散。磁性纳 米流体的导热系数测试表明，随着纳米粒子的加入，纳米流体的导热系数随之增 加，在2 0v 0 1 时，纳米流体的导热系数增加7 ；在夕i - d h 磁场的条件下，磁 性纳米流体的导热系数有了明显的增加：2 0v 0 1 的纳米流体，在磁场为7 7 0 g a u s s 下，导热系数较基液增加2 1 8 。 华东师范人学2 0 1 0 届硕i j 论文 3 、磁性纳米流体热输运性质研究 研究了混合液以及e g 为基液的磁性纳米流体的粘度。磁性纳米流体的粘度 随着温度的增加，粘度值出现较快的降低；当固相体积分数增加，其粘度值也随 之而增加。当温度高于2 5 。c 时，粘度值迅速降低，且降低的幅度非常大；相反， 当温度低于2 5 。c 时，随着温度的降低，粘度值增加的非常大。? - f e 2 0 3 混合液 体系的对流换热性能表明，纳米流体有着较好的传热性能，当固相的体积份额为 2 0v 0 1 时，雷诺数为1 0 0 0 ，纳米流体的换热系数与基液相比，提高了6 0 ， 努塞尔数较基液提高约5 5 ；当体积分数为2 0v 0 1 ，纳米流体的流速在 1 0 0 m l m i n 时，其对流换热系数比基液提高了约5 0 。 关键词：磁性纳米流体；核壳结构；导热系数；流变行为；对流换热系数；强 化传热；粘度 华东师范人学2 0 1 0 届顾l ：论文 a b s t r a c t n a n o f l u i d s ，h o m o g e n e o u sa n ds t a b l es u s p e n s i o n sw h i c hc o n t a i nn a n o p a r t i c l e s d i s p e r s e di nb a s ef l u i d sl i k ed e i o n i z e dw a t e r ( d w ) ，e t h y l e n eg l y c o le ga n do i lh a v e b e e np r o p o s e da san e wc l a s so fh e a tt r a n s f e rm e d i a d u et ot h ee n h a n c e m e n ti nh e a t t r a n s p o r ta n de n e r g ye f f i c i e n c y , n a n o f l u i d sh a v ep o t e n t i a la p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h e f i e l do fh e a tt r a n s f e rs y s t e m s ，s u c ha ss o l a rh e a te x c h a n g e r s ，c o o l e r so fe n g i n e sa n d c h i p s ，a n ds oo n m a g n e t i cn a n o f l u i d sp o s s e s sn o to n l yt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f c o m m o nm a g n e t i cf l u i d sb u ta l s ot h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tp e r f o r m a n c eo f n a n o f l u i d sw h e nm a g n e t i cn a n o p a r t i c l e sa r ed i s p e r s e di n t ot h eb a s ef u i d s i ti se x p e c t e dt h a tn a n o f l u i d sb em o r es t a b l et h a nt h o s es u s p e n s i o n sc o n t a i n i n g m i c r o n s i z e dp a r t i c l e s h o w e v e r , i ti ss t i l ln o tf i tf o rs e t t l i n gf o ral o n gt i m ed u et ot h e e l e c t r i cc h a r g e sa n dc h e m i c a lg r o u p so nt h es u r f a c e so f n a n o p a r t i c l e s ，a g g l o m e r a t i o n s e t c p r e p a r a t i o no fh o m o g e n e o u sa n ds t a b l en a n o f l u i d si st h ep r e c o n d i t i o no fp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n so fn a n o f l u i d s t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw o u l d b ei m p r o v e do b v i o u s l ya n dt h er h e o l o g i c a lb e h a v i o rw o u l dc h a n g ed u et ot h e d i s p e r s i o no ft h en a n o p a r t i c l e s i nt h i ss t u d y , t h em a g n e t i cn a n o f l u i d sh a v eb e e n p r e p a r e d t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，a n dr h e o l o g i c a lb e h a v i o r w e r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o no fn a n o f l u i d sw a s2 0v 0 1 t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t i e se n h a n c e m e n t sw e r eo b t a i n e dt ob e3 1 、8 、a n d3 7 f o re g d w m i x t u r e ，e ga n dd w a sb a s ef l u i d s ，r e s p e c t i v e l y f o re gb a s e dn a n o f l u i da tav o l u m e f r a c t i o no f5 0v 0 1 t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ye n h a n c e m e n ta m o u n t e du pt o12 f u r t h e r m o r e ，i ti sd e m o n s t r a t e dt h a tt h et e m p e r a t u r eh a sn oo b v i o u se f f e c to nt h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t ye n h a n c e m e n to fn a n o f l u i d si no u re x p e r i m e n t s m a g n e t i cf i e l d w a ss h o w nt oh a v eac r i t i c a le f f e c to nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ye n h a n c e m e n to ft h e m a g n e t i cn a n o f l u i d s f o ri n s t a n c e ，t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ye n h a n c e m e n to f7 一f e 2 0 3 d w m a g n e t i cn a n o f l u i dw a s3 7 w i t h o u tm a g n e t i cf i e l da n d2 3 3 u n d e rm a g n e t i c f i e l d ( 5 5 0g a u s s ) ，w i t h2 0 n a n o c o m p o s i t el o a d i n g s s e c o n d l y , i no r d e rt oi m p r o v et h ed i s p e r s i t yo f7 - f e 2 0 3n a n o p a r t c i l e si n t oo i l ， c o r e - s h e l ls t r u c t u r en a n o c o m p o s i t e ( 丫一f e 2 0 3 p m m a ) w a sf a b r i c a t e dw h i c h d i s p e r s e dw e l li no i l t h et h i c k n e s so fp m m al a y e rw a so b s e r v e dt ob ea b o u t5 n m i i l 华东师范人学2 0 1 0 届硕f j ：论文 m a g n e t i cn a n o f l u i d sw h i c hc o n s i s t i n go fc o r e - s h e l ls t r c t u r e dn a n o c o m p o s i t e sa s a d d i t i v e sa n de n g i n eo i la sb a s ef u i dw e r ep r e p a r e da n dt h e i rt h e r m a lt r a n s p o r t p r o p e r t i e s w e r ei n v e s t i g a t e d i ti ss h o w e dt h a tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t y o ft h e n a n o f l u i d si n c r e a s ew i t ht h ep a r t i c l el o a d i n g f u r t h e r m o r e ，t h em a g n e t i cf i e l dh a sa c r i t i c a le f f e c to nt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d s f o ri n s t a n c e ，t h et h e r m a l c o n d u c t i v i t ye n h a n c e m e n to f “f e 2 0 3 p m m a ) 3 g so i lm a g n e t i cn a n o f l u i dw a s 7 w i t h o u tm a g n e t i cf i e l da n d21 8 u n d e rm a g n e t i cf i e l d ( 7 7 0g a u s s ) ，w i t h2 o n a n o c o m p o s i t el o a d i n g s t h i r d l y , r h e o l o g i c a lb e h a v i o r so fm a g n e t i cn a n o f l u i d s w e r ed e m o n s t r a t e d n e w t o n i a nb e h a v i o ra n dt h ev i s c o s i t yo fm a g n e t i cn a n o f l u i d sd e p e n d e ds t r o n g l yo n t h et e s t e dt e m p e r a t u r e sa n dt h en a n o p a r t i c l el o a d i n g s i ti ss h o w nt h a tt h ev i s c o s i t yo f t h em a g n e t i cn a n o f l u i d si n c r e a s e sw i t ht h ea u g m e n to ft h ev o l u m ef r a c t i o n ，b u t d e c r e a s e sr a p i d l yw i t ha ni n c r e a s ei nt h et e m p e r a t u r e f u r t h e r m o r e ，c o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t sm e a s u r e di nal a m i n a rf l o ws h o w e dt h a tt h ec o e 衔c i e n t si n c r e a s e d w i t ht h ea u g m e n to fr e y n o l d sn u m b e ra n dt h ev o l u m ef r a c t i o n f o rt h en a n o f l u i dw i t h av o l u m ef r a c t i o no f0 0 2a tr e y n o l d sn u m b e ro f10 0 0 t h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ta n dn u s s e l tn u m b e rc a nb ee n h a n c e db ym o r et h a n6 0 a n d5 5 ， r e s p e c t i v e l y f o rt h en a n o f l u i dw i t ht h ef l o wr a t eo f10 0 m l m i n ，t h ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n tc a l lb ee n h a n c e db ym o r et h a n5 0 w h e nt h ev o l u m ef r a c t i o ni s o 0 2 k e yw o r d s ：m a g n e t i cn a n o f l u i d ；c o r e s h e l ls t r u c t u r e ；t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ； r h e o l o g i c a lb e h a v i o r ；h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ；h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ；v i s c o s i t y 华东师范人学2 0 1 0 届硕f ? 论文 目录 论文摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 纳米流体的制备及稳定性4 1 3 纳米流体的导热系数7 1 4 纳米流体的流变行为( 粘度) 的研究1 1 1 5 纳米流体的对流换热性能1 2 1 6 纳米流体应用前景展望15 1 7 课题的提出和研究内容1 6 第二章实验主要分析表征方法l7 2 1 透射电子显微镜( t e m ) 分析1 7 2 2 傅立叶红外光谱( f t - i r ) 分析1 7 2 3x 射线衍射( x r d ) 分析1 7 2 4 振动样品磁强计( v s m ) 测量1 7 2 5 粘度测试仪测量18 2 6z e t a 电位测试仪分析l8 2 7 激光粒度仪测量18 第三章含t - f e 2 0 3 纳米颗粒的磁性纳米流体的制备及导热系数的研究1 9 3 1 丫。f e 2 0 3 m i x t u r e 磁性纳米流体的制备及表征1 9 3 2 丫一f e 2 0 3 e g 磁性纳米流体的制备及表征2 1 3 37 - f e 2 0 3 d w 磁性纳米流体的制备及表征2 4 3 4 磁性纳米流体导热系数的研究2 4 3 5 本章小结3 0 第四章含7 - f e 2 0 3 p m m a 的磁性纳米流体的制备及导热系数研究3 1 4 1 含7 - f e 2 0 3 p m m a 核壳结构的磁性纳米流体的制备及表征3 1 4 2 含t - f e 2 0 3 p m m a 核壳结构的磁性纳米流体导热系数的研究3 4 v 华东师范人学2 0 1 0 届硕f j 论文 4 3 本章小结3 5 第五章磁性纳米流体的热输运性质研究3 6 5 1 磁性纳米流体粘度的测试3 6 5 2 磁性纳米流体对流换热性能研究3 9 5 3 纳米流体对流换热系数增强原因分析4 4 5 4 本章小结一4 4 第六章结论4 5 参考文献4 6 附录：攻读硕士学位期问完成的论文5 0 致 射51 v i 华东师范人学2 0 1 0 届硕十论文 1 1 研究背景 第一章绪论 在传热、热交换领域中，流体是一种重要的传递介质。纯水( d w ) 、乙二 醇( e g ) 、机油等介质被广泛应用于传热领域，由于自身热物理性质的局限性， 随着热交换过程中，热流密度的逐渐增大，这些介质在应用领域中带来了越来越 多的限制和不便【i 】。通常情况下，液体的导热系数要比固体的导热系数差【2 】，这 些液体很难在原来的基础上满足要求【3 】，必须借助增加外界做功的手段来满足， 如：增加泵和风扇的功率。 随着纳米科技的兴起与发展，人们开始应用纳米技术来强化液体的传热性 能。在纳米材料领域，纳米粒子是最为常见的纳米材料之一，纳米级7 - f e 2 0 3 在 着色性、阻挡紫外线等领域，有着较好的应用，而用其制成的纳米磁流体也在诸 多的领域得到了应用。纳米级7 - f e 2 0 3 粒子在热稳定性方面有着较好的稳定性， 不易被分解或者氧化；另外，其磁性也较强【4 5 j ，有着较好的磁响应能力。纳米 流体【6 】是近些年来研究的热点之一，主要为了强化液体的传热行为，作为一种新 的传热工质，国内外不少研究组及相关的研究机构都正积极参与这方面的研究， 研究发现将碳纳米管( c n t ) 【7 引、a 1 2 0 3 【9 10 1 、c u o 1 1 ，1 2 1 、c u 13 1 、s i c 1 4 3 等纳米 粒子加入到水、醇、油之后，其导热系数或传热系数较原先的基液有了明显的提 高，除此之外，含磁性纳米粒子的磁性纳米流体也开始被深入的研究。磁性纳米 流体曾在工业【1 5 ，16 1 、生物医学【1 7 舶1 中都有过重要的应用，因为它具有强化传热性 能及磁效应，将在强化传热领域有着新的研究价值。这些研究成果为下一步的应 用提供了一定的实验依据，预示着纳米流体在将来的强化传热领域中有着重大的 应用前景。实际上，关于纳米流体的应用也j 下在积极的展开。如：用c u 水纳 米流体作为传热工质，可以提高内燃机的散热性能【2 0 1 ，谢华清等也开展将纳米流 体应用于发动机冷却液中的研究【2 1 , 2 2 ，同时，一些企业看到纳米流体技术的潜力， j 下在着手展开纳米流体的研究项目，为将来的工业应用做准备。 1 1 1 换热领域 液体介质、固体金属、以及风冷的手段常被用在一些换热领域，如电子芯片 华东师范人学2 0 1 0 届顾l ：论文 的冷却、汽车发动机的冷却、太阳能集热器与储能箱之问的热交热，以达到换热 效果。电子芯片的冷却可以借助高导热系数的金属，如铜、铝合金等作为热沉， 再配以一定功率的风扇来散热，但是随着电子芯片的热流密度的增加，在一些热 流密度较大的芯片上，有必要使用流体来冷却 2 3 , 2 4 】；汽车发动机上，常采用液体 来冷却发动机，使其温度在正常工作范围之内，这样的液体同时又要求抗冻，以 备在寒冷的冬天，不损伤机体；在太阳能集热器与储能箱之间，常用流体的液体 将太阳能的热量搜集、储存。 图1 1 ac p u 散热器 f i g 1 a h e a ts i n k so f c p u s u n s h i n e l | li l 1 bc p u 散热器 f i g 1 b h e a ts i n k so fc p u s u n sh i n e 川l 图1 2 a 太刚能集热系统1 2 b 太阿i 能集热系统 f i g 1 2 as o l a re n e r g yc o l l e c t o rs y s t e m f i g 1 2 bs o l a re n e r g yc o l l e c t o rs y s t e m 图1 1 a 为现在普通常用的电脑c p u 散热器，配备铝合金作为热热沉，再加 上风扇，来将c p u 的热量即时散走，维持c p u 的j 下常工作温度，随着c p u 的 华东师范人学2 0 1 0 届硕上论文 负荷的增加，处理大量的要求，使得c p u 产生的热流密度逐渐增加，普通的散 热组合已经不能再满足要求，图1 1 b 为增加了热管来带走c p u 的热量。 图1 2 a 为早期的太阳能储热装置，使用自来水循环，搜集集热器端的热量 并储于水箱中。这样的水可用来满足同常生活所需，但是这样的水质存在问题， 源于集热器管道常由一些金属制成，常期的使用不能保证水质的安全。而且这样 的热水更不能饮用。图1 2 b 为改进装置，利用专用的液体来换热，换热液体不 与水箱中的水直接接触，而只是将热量带入水箱与水箱中的水进行热交换，这将 优化水质安全。 1 1 2 强化换热 当普通的换热装置满足不了界面的热流密度的增加的时候，人们便用强化传 热手段来满足。常用的做法衬2 5 】： 1 增加传热介质的导热系数后( w m k ) 2 增加换热面积 3 增加介质的换热系数h ( w m 2 k ) 4 增加扰动等因素 图1 3管道表面所增设的肋片 f i g 1 3t h ea d d i t i o n a lf i n so ns u r f a c eo fp i p e 介质的导热系数的增加，可以通过制备新型的材料，或基于原来的材料进行 复合来增加介质的导热系数，也可以直接采用导热系数较高的材料；面积的增大， 需要通过增加界面的接触面积；介质的换热系数的增加，可以通过制备新型材料， 也可以通过提高风扇的转速、提高泵的功率；增加扰动因素，可以通过在管道内 华东师范人学2 0 1 0 届硕+ l ：论文 壁增加些肋片( 如图1 3 ) ，或在管道液体中增加一些粒子来实现。 纳米流体是一种新型强化换热材料，在基液原有的热物性基础上，通过优化 其热输运性质( 如：提高了导热系数、对流换热系数、以及增加液体的扰动因素 等) ，以便在强化传热领域有着较好的应用。 1 2 纳米流体的制备及稳定性 1 2 1 纳米流体的制备方法 纳米流体的制备方法主要分为两种，一种为单步法、另一种为两步法。单步 法，又称原位法，就是在制备纳米粒子的过程中，直接将制备好的纳米粒子分散 在液相中；两步法是将选好的纳米粒子分散在基液中，在分散的过程借助一定的 物理和化学手段使其稳定地分散于液相。磁性纳米流体的制备方法，是选择具有 磁性的纳米粒子作为分散相，并采取一定的方法将其分散到基液中形成稳定、均 一的悬浮液。 朱海澍2 6 , 2 7 1 等利用一步法分别制得了c u e g ( 微波法) 、f e 3 0 4 d w ( 共沉 淀法) 和c u o d w ( 超声法) 体系的纳米流体，经测量发现其导热系数较基液 有了较为明显的提升，其固相在较低的体积分数下，有着很好的导热性能。进一 步研究表明，在一步法制备纳米流体的过程中，溶液的p h 值、超声的时间、以 及表面活性剂都将对纳米流体的稳定性有着重要的影响。纳米流体是两相混合 物，粒子在溶液中表面所带的电荷、基团等都将影响着纳米粒子在溶液中的悬浮 稳定性。 目前，制备纳米流体的常用方法依然是两步法，一步法制备的纳米流体在分 散效果方面虽然很好，可成本很高。运用两步法制备纳米流体，是将制备好的纳 米粒子加入到事先准备好的基液中，纳米粒子在生产、运输等过程中，可能会受 到挤压等原因产生硬团聚，都会对实验结果会产生影响。 x i e 1 0 】等利用两步法制得了a 1 2 0 3 d w 体系的纳米流体，并系统讨论了固相 体积分数、溶液的p h 值、a 1 2 0 3 的晶型以及纳米粒子的比表面积对纳米流体导 热系数的影响。实验表明，该纳米流体体系经超声、调节溶液的p h 值和加入适 当的表面活性剂，纳米流体有着较好的分散稳定性，能够在溶液中有着较长时间 的分散及稳定；w a n g 2 8 】等详细研究了溶液的p h ，表面活性剂的添加量对纳米流 体的导热系数的影响；h o n g 2 9 】等也利用两步法制得了f e e g 体系的纳米流体， 4 华东师范人学2 0 1 0 届硕十论文 并讨论了超声等对纳米流体的导热系数的影响。 从以上的实验数据可以看出，相比两步法，一步法制备的纳米流体，在导热 性能上有着较好的效果，在较低的固相体积分数下，其导热性能有着较好的提升。 一步法在制备上有着严格的要求或限制，比如：溶液中的杂质离子无法去除，溶 液中的固相体积分数当到达一定的程度时，由于制备纳米粒子时的原料及产物的 影响，便不能再增加。两步法在制备纳米流体的时候，由于制备的纳米粒子在结 晶、运输等过程中的影响，粒子的团聚较为严重，不但影响了体系的稳定性，还 对纳米流体的导热性能有一定的影响。 1 2 2 纳米流体的稳定性 纳米流体是两相混合体系，在热力学上是不平衡体系【3 们，由于重力的影响， 纳米颗粒在液相中难以长时i 、h j 稳定悬浮，因此在实际制备纳米流体的过程中，必 须借助一定的物理和化学的手段使其在液相中趋于平衡稳定。 物理手段主要通过搅拌以及超声的办法，使得纳米粉体更好地分散在液相当 中。一般来说，对于密度相对于液相较小的粉体、以及液相的粘度适中的情况下， 纳米粉体可较好在液相中分散，当这些物理手段都不起作用的时候，有必要使用 一定的化学手段来促使纳米粉体更好的分散在液相当中，比如：借助表面活性剂 和调节溶液的p h 值等，通过表面活性剂的作用以及p h 值的调节，使得纳米颗 粒的表面静电、空间位阻、静电位阻得到稳定，纳米粉体能长时间的分散在液相 当中。 图1 4 含c n t 的纳米流体 f i g 1 4 n a n o f l u i d sc o n t a i n i n gc n t 图1 4 【2 2 1 表示的是经过机械球磨、强酸氧化处理的碳纳米管能够稳定分散于 华东师范人学2 0 1 0 届硕l ：论文 水中，碳纳米管表面本来是憎水的，将碳纳米管直接分散于水中，得到不均一稳 定的纳米流体，利用高能球磨，截断碳管的长度，利于强化氧化，使得碳管表面 生成o o h 基因，这样就能很好的分散于水相或醇相中。 利用化学手段，还可以将纳米粒子表面进行修饰，将纳米粒子制成具有核壳 结构的粒子，改善其本来粒子表面的状况【3 l - 3 4 1 。 ( a ) 图1 5 ( a ) 1 ，f c 2 0 3 的t e m 照片 ( b ) ( b ) ? - f e 2 0 3 s i 0 2 复合粒子t e m 照片 f i g 1 5 ( a ) t e mi m a g e so f 7 - f e 2 0 3 n a n o p a r t i c l e s ( b ) t e mi m a g e so f7 一f e 2 0 3 s i 0 2n a n o c o m p o s i t e s ( b )( c ) j ： 瑶， 。 。 ? ， 物”j 蚴 ；，。，荔 鬟誊魏l & 磊磊私崧瘟墓螽缓i 蠡鏊圣；i ，五巍。墙巍纠，：旎 图1 6 ( a ) 为纳米m g ( o h ) 2 分散丁水中， ( b ) 修饰后纳米m g ( o h ) 2 分散丁水中， ( c ) 修饰后纳米m g ( o h ) 2 分散于液体石腊中 f i g 1 6p i c t u r e so fa s - p r e c i p i t a t e dm g ( o h ) 2i nw a t e r ( a ) ，p m m a g r a f t e dm g ( o h ) 2o v e rw a t e r ( b ) a n di nl i q u i dp a r a f f i n ( c ) 在纳米粒子表面进行修饰、包裹一层其它类型的纳米粒子、有机物层或聚合 6 华东师范大学2 0 1 0 届硕j j 论文 物层，使得纳米粒子表面的基团与基液相近，二者更易相容。如图1 5 ，丁建芳 【3 5 】将7 - f e 2 0 3 纳米粒子表面包裹了一层的纳米s i 0 2 层，使得该结构的纳米球较原 先的纳米粒子更好分散于极性溶剂中。 如图1 6 ，y a n 等【3 6 】在纳米m g ( o h ) 2 颗粒的表面进行修饰，在表面聚合皇成了 聚甲基丙烯酸甲脂( p m m a ) ，使得修饰之后的纳米m g ( o h ) 2 颗粒很好地分散于 液体石蜡油中。刘阳思等【37 】将p m m a 修饰在t i 0 2 纳米粒子的表面，修饰后的纳米 粒子，团聚现象和分散性都得到了有效改善，亲油性得到了明显增强。 1 3 纳米流体的导热系数 国内外对纳米流体的导热系数的研究是一个热点。热传导，是指温度不同的 各部分物质仅仅由于直接接触、没有相对宏观运动时所发生的能量传递现象【3 8 】。 导热系数用来衡量物质的导热能力，导热系数是物质的一种本质属性，不同物质 其导热系数不尽相同。一般情况下，它与温度、压力和物质的种类有关。大多数 情况下，各种材料的导热系数用不同的实验方法确定。对于纳米流体来说，其主 要运用瞬态热丝法【3 9 】。 下表为【4 0 】为一些常用物质的导热系数，一般来说，固体的导热系数要比液体 高出2 3 个数量级。 表1 1 一些常见物质的导热系数及密度 t a b l e l 1t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dd e n s i t yo fs o m ec o m m o nm a t e r i a l s 对液体来说，在其加入微粒之后，其导热系数有所提高，这在很早就有应用 了。m a x w e l l 【4 1 1 、h a m i l t o n c r o s s e r t 4 2 1 等分别提出相关的模型用于这方面的计算。 7 华东师范人学2 0 1 0 届硕j ：论文 对于纳米流体来说，在基液中加入了纳米粒子之后，由于纳米粒子的粒径小，液 体与粒子间界面积提高了，它们之间的热传递就会越快越有效，这样，纳米流体 的导热系数较基液来说，就有了提高。 如下为几种常用的两相混合物导热系数的计算模型，为混合物导热系数， k f 为基液导热系数，o f 为粒子的导热系数与基液导热系数之比，矽为粒子所占 的体积分数，= ( 口1 ) ( 口+ 2 ) ，z 为形状因子。 m a x w e l l 模型 七k , ，= l + 忸+ 3 2 ( a j 一- k 1 ) o 巧 式1 1 ) 适用于球形粒子。 h a m i l t o n c r o s s e r 模型【4 2 】 。蔓：竺鱼二! ! 二鱼二! ! ! ! ! 二竺夏( 式1 2 ) k 厂口+ 0 - 1 ) 一( 1 一口眵 当粒子为球形，n 取3 ，当粒子为圆柱形，n 取6 。 j e f f r e y 模型【4 3 】 乏k - c ，= l + 3 励+ p + 等+ 等熹+ 等+ 弘2 c 虮3 ， d a v i s 模型哗】 乏k e ，1 + ，瓦赫协+ 厂q 渺2 + 。3 ) 】 ( 式，4 ) 口= 1 0 时，f ( 口) 取2 5 ；口- - - - - - 0 0 时，f ( 口) 取0 5 实验上，将纳米粉体【1 0 ，1 4 ，4 5 ，4 6 1 加入到水、醇中发现纳米流体的导热系数较基 液有了明显的提高。朱海涛等 2 6 , 2 7 伟1 j 得了c u e g ( 微波法) 、f e 3 0 4 d w ( 共沉 淀法) 、c u o d w ( 超声法) 体系的纳米流体，经测量发现其导热系数较基液有 了较为明显的提升，其固相在较低的体积分数下，有着很好的导热性能。如： c u e g 体系在o 5 v 0 1 下，导热系数提高了4 3 ；f e 3 0 4 i ? w 体系纳米流体在 4 0v 0 1 下，导热系数提高了3 8 ；c u o d w 体系的纳米流体在o 3 5v 0 1 下， 导热系数提高了1 9 9 。进一步研究f e 3 0 4 d w 体系纳米流体发现纳米流体的导 热系数不随固相体积分数的增加线性增长( 如图1 7 ) ，认为是由粒子的团簇引起 的( 如图1 8 ) ；k a r t h i k e y a n 4 7 1 等在乙二醇及水中分别加入c u o 制备成纳米流体， 也认为纳米粒子的团簇作用导致纳米流体的导热系数不随固相体积分数的增加 华东师范人学2 0 1 0 届顾i ：论文 呈线增加，1 0v 0 1 的c u o e g 纳米流体的导热系数是文献已报道的关于c u o 纳米流体的提高值中最大的。他们认为粒子的大小、粒子的分散性、粒子的团聚、 粒子所占基液的体积分数对导热系数都有着重要的关系。 一一一蘩誊骥戛糍 。9 0 麓；赢：* 赢鬟鬻 9 华东师范人学2 0 1 0 届硕 论文 对于含磁性纳米粒子的纳米流体，当外加磁场控制时，纳米流体导热系数在 此基础上将会有着明显的提高，如：p h i l i p 5 0 1 研究了含f e 3 0 4 纳米粒子的纳米流体， 表明含6 3v 0 1 的f e 3 0 4 纳米粒子的纳米流体，在没有磁场作用下导热系数提 高了2 0 ，而在磁场作用下导热系数提高了3 0 0 。 嗍同r ”一 蓬i 。一j 爹，墨 l 参谚孕铡i 国国鲁国国l 陋璃国确q 酬 l ! 雹霉，黪|隐笋易国i 降嗍鳓 | 秘审国di 蝴lb 确酬 图1 9 磁场作用卜，纳米流体中磁性纳米粒子的排列( a ) 无磁场( b ) 在较低的磁场下( c ) 在较 高强度的磁场下 f i g 1 9t h ea l i m e n to fn a n o p a r t i c l e s ( a ) w i t h o u t ( b ) w i t hl o w e r ( c ) w i t hh i g h e rm a g n e t i cf