隨著科學技術的快速發展，換熱成為困擾許多器件的一大難題，傳統的換熱介質（水、乙二醇、導熱油）由于導熱系數低，易在生產過程中出現熱疲勞現象，導致設備損壞。所以研制具有高換熱性能的換熱介質，成為當下提高設備換熱效率的新趨勢。納米流體作為新一代高導熱系數傳熱介質，被認為是解決上述問題的有效途徑之一，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時間穩定，成為當下納米流體進一步發展的關鍵。接下來，小編將為大家詳細介紹納米流體及維持其穩定性的有效辦法。

影響納米流體導熱性的因素（圖源：文獻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，制備成均勻穩定且具有高導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率，強化了流體的傳熱性能，降低了運行成本；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則運動可以有效增強流體的擾動與對流換熱；納米顆粒的尺寸非常小，不易引起管道堵塞，可以作為潤滑介質，減少管道和設備的磨損。盡管納米流體具有以上諸多優勢，但由于納米顆粒本身具有較大的比表面積和表面能，難以保持長時間的穩定，易出現聚沉現象，導致流體在換熱設備中無法達到預期效果，可能造成換熱設備堵塞，加劇設備的腐蝕與老化。因此，納米流體的長期穩定性及其可重復利用性是目前主要的一個技術挑戰。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率較高的納米顆粒懸浮液的制備，制備出來的納米流體穩定性高、純度高、粒徑小、有良好的懸浮性能，但其存在制作成本較高、設備繁瑣、無法批量生產的問題。作為一種將納米顆粒的生產和分散過程結合到基礎流體的制備方法，常使用物理氣相沉積法或化學液相法來制備納米顆粒，其中氣相法比較多見。

單步法制備流程（圖源：文獻2）

（2）兩步法

兩步法是先單獨制備出納米顆粒，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、工藝簡單、成本低的優點，其核心是防止納米粒子發生團聚，保證長期存放后粒子不會從溶液中沉淀出來。在制備過程中，必須要掌握好超聲波的作用時間，時間過短會導致顆粒在溶液中分布不均勻，易發生聚集現象。

兩步法制備流程（圖源：文獻2）

穩定性表征方法

納米流體的穩定性不僅決定了納米流體的物理性質（熱導率、黏度等），還會影響到納米流體在實際應用過程中的其他特性。目前，評價納米流體穩定性的方法主要有沉降觀察法、粒度顯微法、Zeta電位測量法和吸光度測量法。

（1）沉降觀察法

沉降觀察法是評價納米流體穩定性最基本、最簡單的技術，它主要通過測量上清液層高度或沉降情況來評價納米流體的穩定性。在靜態環境中，納米流體會因重力的作用自然沉降，并出現明顯的分層情況。依據斯托克斯定律可知，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的穩定性越好。雖然沉降觀察法的操作步驟非常簡單，但它無法用準確數值來表示納米流體的穩定性，存在一定的模糊性；它不適用于研究一些分散性良好，但沒有明顯分層的納米流體的分散穩定性。

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）來測定納米顆粒尺寸、形狀和分散狀態的方法。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，結合不同的顯微鏡技術，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定性，不能定量分析納米流體。

（3）Zeta電位測量法

納米流體的穩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電位絕對值越高，當其絕對值大于30時，穩定性好；如果Zeta電位絕對值為0-5，此時納米顆粒之間的吸引力大于排斥力，懸浮液將出現沉淀。

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（4）吸光度測量法

吸光度測量法是一種利用物質對特定波長光的吸收特性來進行定量分析的技術。根據比爾-朗伯定律，當溶液中物質的摩爾吸收率和光程固定時，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量分數較高，一旦納米顆粒聚集并沉降，流體中剩余的納米顆粒對光的吸收量會大大減少，光穿透流體的強度會更高。

A：吸光度；ε：摩爾吸收率；b：光程；c：摩爾濃度

比爾-朗伯定律

增強穩定性的方法

目前，提高納米流體穩定性的分散方法主要分為物理分散與化學分散兩種。物理分散方法包括磁力攪拌、超聲分散技術，但單獨使用物理分散通常難以獲得較好的效果，需要搭配化學分散法使用。化學分散法包括添加分散劑、調節基液pH值、表面改性技術，化學分散法使通過改變納米顆粒的表面物理、化學性質，而實現納米顆粒的分散。

1、磁力攪拌

磁力攪拌是通過磁場的作用來驅動攪拌子在液體里旋轉，從而實現液體攪拌，進而減少顆粒團聚，保證納米流體穩定性的方法。由于磁力攪拌器存在轉速限制，一般情況下，較難達到良好的分散狀態，需配合超聲波分散技術使用，以達到較好的分散狀態。磁力攪拌的應用較為普遍，是較為基礎的增強納米流體穩定性的方法，但該方法無法保證納米流體長期穩定性，需要配合其他方法進行使用。

Paul等利用行星式高能球磨機在室溫下合成了Al-Zn納米顆粒，并通過兩步法將適量的超細Al-Zn納米顆粒加入EG中，在磁力攪拌一段時間后，借助超聲波處理，制備出具有良好穩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

超聲分散技術是一種利用超聲波在液體中產生的空化效應來分散固體顆粒的技術。超聲波通過液體介質時，會在液體中產生壓力波，這些壓力波在液體中會形成低壓區域，使氣泡經歷形成、生長、崩潰三個階段，其中氣泡在崩潰時會產生極高的溫度和壓力，會對周圍的物質產生極強烈的沖擊和剪切力，從而將納米顆粒團簇分解為小顆粒，使其均勻地分散到基液中。這一方法可以通過間接法（超聲波浴）和直接法（超聲波探頭）兩種方式實現，其中間接法的超聲波場范圍較大，但強度不集中，存在較大差異；直接法的探頭附近有個小而集中的場，超聲過程中可以保持較小的處理體積，從而使納米流體在超聲場中均勻循環。但需要注意的是，超聲分散技術僅適用于不易團聚的納米顆粒。由于超聲波的機械作用和空化效應，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簇，因此確定合適的超聲時長、最佳的超聲參數與方式至關重要。

Chung等為了量化超聲處理過程中超聲能量場的強度和分布，開發了一種潛入式探頭型超聲處理裝置（直接法）。相比于間接法，在打破納米顆粒團簇和減小平均團簇大小方面更有優勢，且對不同類型的納米顆粒和基液所需的超聲處理時長是不同的。

超聲波振蕩器（圖源：上海五相儀器）

3、調節基液pH值

納米顆粒的表面電荷會隨著pH值的變化而發生變化，當基液的pH值發生變化時，液體體系的Zeta電位絕對值也會相應的發生變化，該值越大，就說明納米顆粒間的靜電排斥力越強，顆粒越不易團聚。經過大量的實驗驗證可知，納米流體的pH值與納米顆粒的種類、質量分數、納米流體的溫度和分散劑種類有關，可通過調節納米流體pH值以提高其穩定性，進而將其應用到實際工程中。一般情況下，顆粒表面會緊緊吸附一層反離子（固定層），它們與顆粒表面存在極強的相互作用，幾乎不移動；固定層之外，是存在大量自由離子的擴散層，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。通過調節基液的pH，可以有效改變顆粒表面的電荷密度，進而影響雙電層的結構，從而達到調整納米流體穩定性的目的，當納米顆粒的雙電層較厚時，就可以有效抑制納米顆粒的團聚。

Li等研究了pH值對金納米流體的影響，發現當pH值小于10時，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，顆粒不易團聚。

Kamlghribi等進行了pH值對CuO納米顆粒分散在不同基液中穩定性影響的實驗研究，發現當pH=10.2且進行一定時間超聲處理后，納米流體可以穩定較長時間。

顆粒雙電層結構示意圖（圖源：文獻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定性的常用方法。表面活性劑分子具有兩親性，當它們被添加到納米流體中時，表面活性劑的疏水端會吸附到納米顆粒的表面，親水端則會朝向液體介質，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，不會因相互吸引而團聚形成沉淀。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高，納米流體會出現飽和吸附現象，不利于其分散穩定性及換熱；如果表面活性劑的濃度過小，容易導致顆粒團聚，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離子表面活性劑。

表面活性劑/分散劑種類（圖源：文獻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。結果表明，當納米顆粒與SDBS質量比為2：1時，納米流體的穩定性最好，在靜置一段時間的情況下無明顯團聚現象。

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5、納米顆粒表面改性技術

納米顆粒表面改性技術是指通過物理、化學或生物的方法去改變納米顆粒的表面性質，從而提高納米顆粒在特定應用中的性能，如原子層結構、官能團、表面疏水親水性、反應特性等。表面改性技術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的相容性，還可以根據需求對顆粒的形狀、親疏水性進行改造，以實現顆粒在特殊場景中的應用。常用的顆粒表面改性技術可以分為物理改性和化學改性。

Jouyandeh等使用電化學法合成了磁性氧化鐵納米顆粒和經聚乙二醇修飾的MIO納米顆粒，發現所有合成的MIO納米顆粒均具有超順磁性，且經過聚乙二醇修飾后的MIO平均粒徑更小，PEG對MIO的改性阻止了納米顆粒的團聚。

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小結

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

參考文獻：

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