自從“納米”的概念被提出后，發(fā)展納米科技相繼成為了各國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略。而對(duì)于納米材料和納米技術(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們可以以多種形式存在，比如說(shuō)在1995年時(shí)，由美國(guó)學(xué)者Choi等提出的“納米流體”就是其中一種。

納米流體是什么？

納米流體是一種包含納米顆粒的膠體懸浮液的流體系統(tǒng)，一般多用于在熱能工程中替代傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)（如水、油、醇等）。它之所以能異軍突起，主要是因?yàn)殡S著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)已不能滿(mǎn)足高傳熱強(qiáng)度和微通道散熱等特殊環(huán)境下的傳熱與冷卻需求（如高溫超導(dǎo)體的冷卻、強(qiáng)激光鏡冷卻、大功率電子元件散熱等），因此納米流體這種新型換熱工質(zhì)逐漸得到重視。

納米流體最出眾的地方就是它的導(dǎo)熱性能。眾所皆知，常溫下固體材料的導(dǎo)熱系數(shù)要比流體大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在流體中加入固體顆粒會(huì)提高導(dǎo)熱系數(shù)。一般而言，懸浮的納米粒子主要包括金屬（如Cu，Al，Ag，Au，F(xiàn)e等）、氧化物（如Al2O3，CuO，SiO2，TiO2等）以及納米碳管、石墨烯等，基液的種類(lèi)有水、乙二醇、油、甲苯、丙三醇、乙醇、氨水、R134a、R11、全氟三乙胺等。

但要注意的是，如果懸浮液內(nèi)的顆粒容易團(tuán)聚、沉降，無(wú)法形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的懸浮液系統(tǒng)，那在工業(yè)上是難以得到應(yīng)用的。因此為了提高納米粒子的懸浮性能，還需要加入分散劑改變納米粒子與周?chē)骸⒓{米粒子與納米粒子之間的相互作用，達(dá)到較好的懸浮粒子分散效果。常用的分散劑主要有脂肪酸、PEO硫醇、山梨酸油等陽(yáng)離子表面活性劑和烷基苯磺酸鹽、月桂酸鈉、牛磺酸鹽、磷酸鹽等陰離子表面活性劑。

納米流體各部分研究?jī)?nèi)容

納米流體的應(yīng)用

納米流體作為一種高效、高傳熱性能的能量輸運(yùn)工質(zhì)，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。其中比較關(guān)鍵的有以下幾種：

1、航天器熱控制

泵驅(qū)動(dòng)液體回路系統(tǒng)承擔(dān)著將航天器艙內(nèi)熱負(fù)荷通過(guò)中間換熱器傳遞至外循環(huán)回路最終散熱于外太空環(huán)境。目前，液體回路系統(tǒng)采用的傳熱工質(zhì)是一種冰點(diǎn)低、比熱大、黏度小、無(wú)毒的化合物，具有適合在航天器中使用的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但它的導(dǎo)熱系數(shù)極低，僅是相同溫度下水的導(dǎo)熱系數(shù)的22%，很難滿(mǎn)足航天器不斷增長(zhǎng)的高強(qiáng)度、高負(fù)荷傳熱的要求。

若采用納米流體的兩步制備方法，將Cu納米粒子（平均粒徑26 nm）與航天用液體工質(zhì)按一定比例共混，就能有效提高航天器液體回路工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流換熱性能。例如說(shuō)2.5%粒子體積份額的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比純工質(zhì)提高了45%；2.0%粒子體積份額的納米流體對(duì)流換熱系數(shù)提高了27.5%，而且納米流體的阻力幾乎沒(méi)有增加。

2、電子散熱

隨著電子器件與設(shè)備的功率和散熱熱流密度越來(lái)越大，液冷技術(shù)將應(yīng)用于電子冷卻領(lǐng)域（如射流及噴霧冷卻、液冷環(huán)路、熱管等），如果采用納米流體作為液冷系統(tǒng)的冷卻工質(zhì)，將可望提高液冷系統(tǒng)的冷卻能力。

曾有研究人員將高傳熱性能的Cu-水納米流體作為換熱工質(zhì)引入射流技術(shù)，測(cè)試了不同納米粒子體積份額的Cu-水納米流體（平均粒徑25 nm）射流沖擊傳熱特性。結(jié)果表明，在水射流介質(zhì)中添加納米粒子，可大大增強(qiáng)射流系統(tǒng)的散熱冷卻能力。例如，3.0%粒子體積份額的納米流體射流換熱系數(shù)比水提高了52%。

3、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻

Kulkarni等人在50%濃度的乙二醇水溶液里摻加Al₂O₃納米粒子，作為柴油發(fā)電機(jī)夾套的冷卻工質(zhì)，明顯提高了冷卻效果。Al₂O₃納米粒子體積濃度6%的納米流體可以將對(duì)應(yīng)于乙二醇水溶液的78.1%換熱效率提高到81.1%。而Tzeng等人分別將CuO和Al₂O₃納米粒子摻加到冷卻機(jī)油中，以提高四輪驅(qū)動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力傳遞系統(tǒng)的冷卻效率，避免過(guò)高的熱應(yīng)力產(chǎn)生，最終也取得了良好的效果。

4、核能系統(tǒng)

由于納米流體比基液具有導(dǎo)熱系數(shù)高、傳熱能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，用納米流體取代傳統(tǒng)的核能系統(tǒng)冷卻劑，將有望提高冷卻劑與堆芯能量傳遞效率，降低冷卻劑流量，減小反應(yīng)堆尺寸，對(duì)于提高核能系統(tǒng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性有重要意義。

為此，麻省理工學(xué)院(MIT)建立了一個(gè)多學(xué)科交叉的納米流體應(yīng)用于核能系統(tǒng)的研究中心，以評(píng)估納米流體對(duì)核能系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性的影響. 研究表明，與水相比，添加 0.01%~0.1%體積比的Al，Zn和Diamond形成的納米流體可強(qiáng)化臨界熱流密度40%~50%，同時(shí)Al-水納米流體的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，納米粒子可在伽馬輻射下穩(wěn)定懸浮。

5、制冷系統(tǒng)

納米流體也可應(yīng)用于各類(lèi)傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)化，如提高溴化鋰水溶液、氨水吸收式制冷系統(tǒng)中的吸收效率。Kim等人分別將Cu、CuO和Al₂O₃納米顆粒加入到氨水中，實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)氨水對(duì)通過(guò)一孔板釋放出的氨氣泡的吸收過(guò)程，發(fā)現(xiàn)所有的納米粒子都能強(qiáng)化氨氣泡在氨水中的吸收過(guò)程，其中Cu納米粒子的強(qiáng)化效果最為明顯。

資料來(lái)源：

納米流體能量傳遞理論與應(yīng)用，宣益民。

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