隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，換熱成為困擾許多器件的一大難題，傳統(tǒng)的換熱介質(zhì)（水、乙二醇、導(dǎo)熱油）由于導(dǎo)熱系數(shù)低，易在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)熱疲勞現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備損壞。所以研制具有高換熱性能的換熱介質(zhì)，成為當(dāng)下提高設(shè)備換熱效率的新趨勢(shì)。納米流體作為新一代高導(dǎo)熱系數(shù)傳熱介質(zhì)，被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一，但由于納米顆粒具有較大的密度、比表面積和表面能，所以如何維持納米流體的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定，成為當(dāng)下納米流體進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。接下來(lái)，小編將為大家詳細(xì)介紹納米流體及維持其穩(wěn)定性的有效辦法。

影響納米流體導(dǎo)熱性的因素（圖源：文獻(xiàn)1）

什么是納米流體？

納米流體是將納米尺寸的顆粒以一定的方式和比例添加到水、乙二醇、油等基液中，制備成均勻穩(wěn)定且具有高導(dǎo)熱性的納米顆粒懸浮液。相較普通的固液懸浮液，納米流體擁有較高的熱導(dǎo)率，強(qiáng)化了流體的傳熱性能，降低了運(yùn)行成本；其粒徑比較小，比表面積大，增大了納米顆粒與基液的換熱面積；在流體中納米顆粒的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)可以有效增強(qiáng)流體的擾動(dòng)與對(duì)流換熱；納米顆粒的尺寸非常小，不易引起管道堵塞，可以作為潤(rùn)滑介質(zhì)，減少管道和設(shè)備的磨損。盡管納米流體具有以上諸多優(yōu)勢(shì)，但由于納米顆粒本身具有較大的比表面積和表面能，難以保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，易出現(xiàn)聚沉現(xiàn)象，導(dǎo)致流體在換熱設(shè)備中無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果，可能造成換熱設(shè)備堵塞，加劇設(shè)備的腐蝕與老化。因此，納米流體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性及其可重復(fù)利用性是目前主要的一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。目前，主流的納米流體制備方法有單步法和兩步法兩種。

（1）單步法

單步法是在合成納米顆粒的過(guò)程中，將納米顆粒直接分散到基液中得到納米流體的方法，納米顆粒與納米液體是同步合成的。這一方法適用于熱導(dǎo)率較高的納米顆粒懸浮液的制備，制備出來(lái)的納米流體穩(wěn)定性高、純度高、粒徑小、有良好的懸浮性能，但其存在制作成本較高、設(shè)備繁瑣、無(wú)法批量生產(chǎn)的問(wèn)題。作為一種將納米顆粒的生產(chǎn)和分散過(guò)程結(jié)合到基礎(chǔ)流體的制備方法，常使用物理氣相沉積法或化學(xué)液相法來(lái)制備納米顆粒，其中氣相法比較多見(jiàn)。

單步法制備流程（圖源：文獻(xiàn)2）

（2）兩步法

兩步法是先單獨(dú)制備出納米顆粒，再將納米顆粒以某種手段摻雜入基液中，借助超聲波的作用，在基液中添加分散劑，以防止其聚集。兩步法具有有效防止顆粒聚集、提高顆粒在基體溶液中的分散性、工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，其核心是防止納米粒子發(fā)生團(tuán)聚，保證長(zhǎng)期存放后粒子不會(huì)從溶液中沉淀出來(lái)。在制備過(guò)程中，必須要掌握好超聲波的作用時(shí)間，時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致顆粒在溶液中分布不均勻，易發(fā)生聚集現(xiàn)象。

兩步法制備流程（圖源：文獻(xiàn)2）

穩(wěn)定性表征方法

納米流體的穩(wěn)定性不僅決定了納米流體的物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率、黏度等），還會(huì)影響到納米流體在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的其他特性。目前，評(píng)價(jià)納米流體穩(wěn)定性的方法主要有沉降觀察法、粒度顯微法、Zeta電位測(cè)量法和吸光度測(cè)量法。

（1）沉降觀察法

沉降觀察法是評(píng)價(jià)納米流體穩(wěn)定性最基本、最簡(jiǎn)單的技術(shù)，它主要通過(guò)測(cè)量上清液層高度或沉降情況來(lái)評(píng)價(jià)納米流體的穩(wěn)定性。在靜態(tài)環(huán)境中，納米流體會(huì)因重力的作用自然沉降，并出現(xiàn)明顯的分層情況。依據(jù)斯托克斯定律可知，納米顆粒粒徑越小，沉降速度越小，因此較小的納米顆粒往往呈現(xiàn)的穩(wěn)定性越好。雖然沉降觀察法的操作步驟非常簡(jiǎn)單，但它無(wú)法用準(zhǔn)確數(shù)值來(lái)表示納米流體的穩(wěn)定性，存在一定的模糊性；它不適用于研究一些分散性良好，但沒(méi)有明顯分層的納米流體的分散穩(wěn)定性。

V1：顆粒沉降速度；r：顆粒半徑；ρ：顆粒密度；ρ1：流體密度；η：流體黏度

斯托克斯定律

（2）粒度顯微法

粒度顯微法是一種利用電子顯微鏡（SEM）和投射顯微鏡（TEM）來(lái)測(cè)定納米顆粒尺寸、形狀和分散狀態(tài)的方法。這種方法相較沉降觀察法精度更高，可以直接觀察到非常小的顆粒，結(jié)合不同的顯微鏡技術(shù)，可以分析不同類型的顆粒，但其只能定性分析納米流體的穩(wěn)定性，不能定量分析納米流體。

（3）Zeta電位測(cè)量法

納米流體的穩(wěn)定性取決于顆粒之間的表面作用力，如范德華力、靜電排斥力。靜電排斥力可以用Zeta電位表示，分散的顆粒越小，Zeta電位絕對(duì)值越高，當(dāng)其絕對(duì)值大于30時(shí)，穩(wěn)定性好；如果Zeta電位絕對(duì)值為0-5，此時(shí)納米顆粒之間的吸引力大于排斥力，懸浮液將出現(xiàn)沉淀。

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（4）吸光度測(cè)量法

吸光度測(cè)量法是一種利用物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)光的吸收特性來(lái)進(jìn)行定量分析的技術(shù)。根據(jù)比爾-朗伯定律，當(dāng)溶液中物質(zhì)的摩爾吸收率和光程固定時(shí)，溶液的吸光度與懸浮納米顆粒的含量成正比，較高的吸光度意味著懸浮在溶液中的納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，一旦納米顆粒聚集并沉降，流體中剩余的納米顆粒對(duì)光的吸收量會(huì)大大減少，光穿透流體的強(qiáng)度會(huì)更高。

A：吸光度；ε：摩爾吸收率；b：光程；c：摩爾濃度

比爾-朗伯定律

增強(qiáng)穩(wěn)定性的方法

目前，提高納米流體穩(wěn)定性的分散方法主要分為物理分散與化學(xué)分散兩種。物理分散方法包括磁力攪拌、超聲分散技術(shù)，但單獨(dú)使用物理分散通常難以獲得較好的效果，需要搭配化學(xué)分散法使用。化學(xué)分散法包括添加分散劑、調(diào)節(jié)基液pH值、表面改性技術(shù)，化學(xué)分散法使通過(guò)改變納米顆粒的表面物理、化學(xué)性質(zhì)，而實(shí)現(xiàn)納米顆粒的分散。

1、磁力攪拌

磁力攪拌是通過(guò)磁場(chǎng)的作用來(lái)驅(qū)動(dòng)攪拌子在液體里旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)液體攪拌，進(jìn)而減少顆粒團(tuán)聚，保證納米流體穩(wěn)定性的方法。由于磁力攪拌器存在轉(zhuǎn)速限制，一般情況下，較難達(dá)到良好的分散狀態(tài)，需配合超聲波分散技術(shù)使用，以達(dá)到較好的分散狀態(tài)。磁力攪拌的應(yīng)用較為普遍，是較為基礎(chǔ)的增強(qiáng)納米流體穩(wěn)定性的方法，但該方法無(wú)法保證納米流體長(zhǎng)期穩(wěn)定性，需要配合其他方法進(jìn)行使用。

Paul等利用行星式高能球磨機(jī)在室溫下合成了Al-Zn納米顆粒，并通過(guò)兩步法將適量的超細(xì)Al-Zn納米顆粒加入EG中，在磁力攪拌一段時(shí)間后，借助超聲波處理，制備出具有良好穩(wěn)定性的雜化納米流體。

磁力攪拌器（圖源：博大精科）

2、超聲分散技術(shù)

超聲分散技術(shù)是一種利用超聲波在液體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)來(lái)分散固體顆粒的技術(shù)。超聲波通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)，會(huì)在液體中產(chǎn)生壓力波，這些壓力波在液體中會(huì)形成低壓區(qū)域，使氣泡經(jīng)歷形成、生長(zhǎng)、崩潰三個(gè)階段，其中氣泡在崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生極高的溫度和壓力，會(huì)對(duì)周圍的物質(zhì)產(chǎn)生極強(qiáng)烈的沖擊和剪切力，從而將納米顆粒團(tuán)簇分解為小顆粒，使其均勻地分散到基液中。這一方法可以通過(guò)間接法（超聲波?。┖椭苯臃ǎǔ暡ㄌ筋^）兩種方式實(shí)現(xiàn)，其中間接法的超聲波場(chǎng)范圍較大，但強(qiáng)度不集中，存在較大差異；直接法的探頭附近有個(gè)小而集中的場(chǎng)，超聲過(guò)程中可以保持較小的處理體積，從而使納米流體在超聲場(chǎng)中均勻循環(huán)。但需要注意的是，超聲分散技術(shù)僅適用于不易團(tuán)聚的納米顆粒。由于超聲波的機(jī)械作用和空化效應(yīng)，溶液中分散的顆粒原子或分子極容易因碰撞而形成新的團(tuán)簇，因此確定合適的超聲時(shí)長(zhǎng)、最佳的超聲參數(shù)與方式至關(guān)重要。

Chung等為了量化超聲處理過(guò)程中超聲能量場(chǎng)的強(qiáng)度和分布，開(kāi)發(fā)了一種潛入式探頭型超聲處理裝置（直接法）。相比于間接法，在打破納米顆粒團(tuán)簇和減小平均團(tuán)簇大小方面更有優(yōu)勢(shì)，且對(duì)不同類型的納米顆粒和基液所需的超聲處理時(shí)長(zhǎng)是不同的。

超聲波振蕩器（圖源：上海五相儀器）

3、調(diào)節(jié)基液pH值

納米顆粒的表面電荷會(huì)隨著pH值的變化而發(fā)生變化，當(dāng)基液的pH值發(fā)生變化時(shí)，液體體系的Zeta電位絕對(duì)值也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，該值越大，就說(shuō)明納米顆粒間的靜電排斥力越強(qiáng)，顆粒越不易團(tuán)聚。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，納米流體的pH值與納米顆粒的種類、質(zhì)量分?jǐn)?shù)、納米流體的溫度和分散劑種類有關(guān)，可通過(guò)調(diào)節(jié)納米流體pH值以提高其穩(wěn)定性，進(jìn)而將其應(yīng)用到實(shí)際工程中。一般情況下，顆粒表面會(huì)緊緊吸附一層反離子（固定層），它們與顆粒表面存在極強(qiáng)的相互作用，幾乎不移動(dòng)；固定層之外，是存在大量自由離子的擴(kuò)散層，這些自由離子與納米顆粒電性一致，離子濃度隨著與納米顆粒之間距離的增大而減小。通過(guò)調(diào)節(jié)基液的pH，可以有效改變顆粒表面的電荷密度，進(jìn)而影響雙電層的結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到調(diào)整納米流體穩(wěn)定性的目的，當(dāng)納米顆粒的雙電層較厚時(shí)，就可以有效抑制納米顆粒的團(tuán)聚。

Li等研究了pH值對(duì)金納米流體的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值小于10時(shí)，制備的金納米顆粒形貌不均勻且粒徑較大，而隨著pH的增加，Zeta電位不斷增大，顆粒分布均勻且粒徑較小，即顆粒間靜電排斥力增加，顆粒不易團(tuán)聚。

Kamlghribi等進(jìn)行了pH值對(duì)CuO納米顆粒分散在不同基液中穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH=10.2且進(jìn)行一定時(shí)間超聲處理后，納米流體可以穩(wěn)定較長(zhǎng)時(shí)間。

顆粒雙電層結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：文獻(xiàn)3）

4、添加表面活性劑

添加分散劑或者表面活性劑是提高納米流體穩(wěn)定性的常用方法。表面活性劑分子具有兩親性，當(dāng)它們被添加到納米流體中時(shí)，表面活性劑的疏水端會(huì)吸附到納米顆粒的表面，親水端則會(huì)朝向液體介質(zhì)，這種排列方式可以有效降低納米流體的界面張力與界面自由能，在顆粒間形成空間位阻，促使納米顆粒分散，不會(huì)因相互吸引而團(tuán)聚形成沉淀。除此之外，表面活性劑的添加還可以促使納米顆粒的Zeta電位增加，增加懸浮顆粒的親水性。但如果表面活性劑濃度過(guò)高，納米流體會(huì)出現(xiàn)飽和吸附現(xiàn)象，不利于其分散穩(wěn)定性及換熱；如果表面活性劑的濃度過(guò)小，容易導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚，因此表面活性劑的選擇十分重要，需要選擇與基液、納米顆粒匹配的表面活性劑。根據(jù)表面活性劑能否在水中電離，可將其分為離子型和非離子型表面活性劑；根據(jù)離子型表面活性劑的電離情況，又可以將其分為陰離子和陽(yáng)離子表面活性劑。

表面活性劑/分散劑種類（圖源：文獻(xiàn)4）

Das等分別在Al₂O₃-H₂O納米流體中添加了CTAB、SDBS和SDS三種表面活性劑。結(jié)果表明，當(dāng)納米顆粒與SDBS質(zhì)量比為2：1時(shí)，納米流體的穩(wěn)定性最好，在靜置一段時(shí)間的情況下無(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象。

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5、納米顆粒表面改性技術(shù)

納米顆粒表面改性技術(shù)是指通過(guò)物理、化學(xué)或生物的方法去改變納米顆粒的表面性質(zhì)，從而提高納米顆粒在特定應(yīng)用中的性能，如原子層結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、表面疏水親水性、反應(yīng)特性等。表面改性技術(shù)不僅可以提高納米顆粒的分散性與表面活性，從而改善顆粒與其他物質(zhì)的相容性，還可以根據(jù)需求對(duì)顆粒的形狀、親疏水性進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)顆粒在特殊場(chǎng)景中的應(yīng)用。常用的顆粒表面改性技術(shù)可以分為物理改性和化學(xué)改性。

Jouyandeh等使用電化學(xué)法合成了磁性氧化鐵納米顆粒和經(jīng)聚乙二醇修飾的MIO納米顆粒，發(fā)現(xiàn)所有合成的MIO納米顆粒均具有超順磁性，且經(jīng)過(guò)聚乙二醇修飾后的MIO平均粒徑更小，PEG對(duì)MIO的改性阻止了納米顆粒的團(tuán)聚。

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小結(jié)

納米流體在換熱領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，但由于顆粒間較強(qiáng)的作用力、表面能，納米顆粒極易團(tuán)聚成簇并在重力作用下沉淀，進(jìn)而影響納米流體的穩(wěn)定性與換熱效果。上述我們提及的方法都可以有效解決納米流體長(zhǎng)期穩(wěn)定性低的問(wèn)題，但如何使這些方法能夠綠色、低成本的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，是我們還需要思考的問(wèn)題。

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