纳米流体的稳定性和导热特性
Y. Hwang a, J.K. Lee a,lowast;, C.H. Lee b, Y.M. Jung a,
S.I. Cheong a, C.G. Lee a, B.C. Ku a, S.P. Jang c
a 釜山国立大学机械工程系，韩国釜山葛钟库江田洞30号
b 乐金电子冰箱部，韩国庆南市昌原市高正东391-2
c 韩国航空大学航空航天与机械工程学院，韩国京畿道高阳
摘要：纳米流体是一种新型的工程材料，是由基液和分散在基液中的纳米颗粒组成悬浮液。本研究利用多层碳纳米管(MWCNT)、富勒烯、氧化铜和二氧化硅等多种纳米颗粒制备纳米流体，以提高流体的导热性和润滑性。在实验中，DI水、乙二醇和油作为基液被用于制备纳米流体。为了研究纳米流体的热物学性质，实验测量了各种纳米流体的导热系数，并将实验结果与Jang和Choi模型[14]预测的结果进行对比，进而验证实验结果的正确性。本实验采用紫外可见分光光度计测定纳米流体的稳定性。结果显示，除水基 富勒烯纳米流体外，纳米流体的导热系数均随着纳米颗粒体积分数的增加而增加。研究表明，水基富勒烯纳米流体导热系数比水基液导热系数低，仅为0.4W/mK。实验表明，基液和悬浮纳米粒子特性都能影响纳米流体的稳定性。
关键词：纳米流体；纳米颗粒；热导率；稳定性；紫外可见光谱
1. 引言
纳米流体技术成为传热流体的一个新机遇，因为其比传统的传热流体或微颗粒悬浮液具有更高的导热系数[1,2]和稳定性。在最新的研究中，当碳纳米管(CNT)少量加入基液中，能提高基液导热性，是一种优良传热介质[3,4]。在这些研究中，碳纳米管(CNT)纳米流体在体积分数为0.01的情况下，导热系数提高到19.6，较基液提升150%。富勒烯 具有特殊的碳棒结构，在抗磨材料中具有很大的应用潜力[5]。这两种粒子因其不同的合成过程以及独特的键结构而呈现不同的形貌。碳纳米管是纤维状结构，富勒烯是球形结构。在室温下，碳纳米管的导热系数约为3000W/mK[6]，富勒烯的导热系数约为0.4W/mK[7]。
为了提高纳米流体的导热性和制备更稳定的悬浮液，人们进行了许多研究。在这些研究中，表面改性或改变悬浮液的pH值被应用于提高悬浮液的稳定性[2,8]。虽然纳米流体的稳定性对其应用具有重要的意义，但是目前对悬浮液稳定性的评价研究较少。用紫外可见分光光度法测定了分散体的胶体稳定性[9]，它适用于所有的基础流体，但是zeta电势分析受到基液粘度的限制。
在本实验研究中，利用紫外可见分光光度计测定纳米流体随沉积时间的稳定性，采用瞬态热线系统测量纳米流体的导热系数。
2. 实验
2.1 实验材料
表1显示制备纳米流体的材料的性能。从表中可以看出，多层碳纳米管(MWCNT)、氧化铜和二氧化硅纳米颗粒的导热系数分别为3000[11]、76.5和1.38 W/mK; DI水、乙二醇、油等基液的导热系数分别为0.613、0.252、0.107 W/mK。
表1： 制备纳米流体的试验材料的性能
图1显示测试粒子的照片。从图中可以看出：多层碳纳米管具有纤维状结构，其平均长度和直径分别为10-50micro;m和10-30nm。富勒烯、氧化铜和二氧化硅纳米粒子的平均直径分别为10、35.4和12nm。而且，这些粒子的结构都是球形的。
图1：测试粒子的照片：(a)多层碳纳米管 ，(b)氧化铜， (c)富勒烯，(d)二氧化硅
在本实验研究中，超声波破碎机被应用于制备纳米流体。经过2小时的超声波破碎处理，可以得到稳定的纳米流体悬浮液。
2.2测量纳米流体的导热系数
在本研究中，由于本实验所用的颗粒具有导电性，因此采用了瞬态热线法测量导电流体[10]。这是一种众所周知的方法，通常用于测量纳米流体的导热性[10-12]。测量系统中热丝采用特氟隆包覆铂丝，直径76micro;m，特氟隆保温层厚度17micro;m。起初，铂丝浸在介质中，与周围环境保持平衡。当向电路提供均匀电压时，铂丝电阻随温度升高，由A/D转换系统以每秒20次的采样率测量电压输出。铂丝电阻与温度的关系是众所周知的[13]。测得的升温数据与对数时间间隔呈线性关系，导热系数由导线温度随对数时间间隔上升的斜率计算，公式如下[10]：
(1)
K—流体的导热系数；T—导线在时刻t时的温度。
2.3 纳米流体的胶体稳定性
近年来，一种计算悬液浓度随沉积时间增加的新方法被提出。图2显示，多层碳纳米管和富勒烯 在油基悬浮液中的吸光度峰值出现在397nm处。随着沉积时间的增加，多层碳纳米管和富勒烯 在油基悬浮液中的吸光度降低。由图3可知，上清液浓度与悬浮颗粒吸光度呈线性关系。根据这些关系，可以用沉积时间来估计纳米流体的相对稳定性。本文用紫外可见分光光度计(UV- 3101pc, 岛津制作所, 日本)对纳米流体进行了检测。
图2：(a和b)油基悬浮液中多层碳纳米管和富勒烯的紫外可见光光谱。
图3：在397 nm波长的油悬浮液中，吸光度与富勒烯的浓度呈线性关系
3：结果与讨论
图4描述了纳米流体的胶体稳定性。这张图显示了液中上清液颗粒浓度随沉积时间的变化曲线。结果表明，油基富勒烯(C60)、C60与C70的富勒 烯混合物是非常稳定的纳米流体。在800小时之后，纳米流体的相对浓度保持在初始浓度的80%以上。因为富勒烯 分子是一种非极性分子，所以从目前研究来看，其可以很好地分散在石蜡油等非极性流体中。从图可以看出，多层碳纳米管纳米流体稳定性较差。由于多层碳纳米管为纤维状结构，且在流体中易缠结，所以很容易在溶液中团聚和析出。尤其是在高粘度流体中分散多层碳纳米管是更加困难的。在本研究中，添加表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)可以提高纳米颗粒在水悬浮液中的稳定性。这是因为多层碳纳米管和富勒烯的疏水表面被改性成为亲水表面，而悬浮粒子之间的斥力随着zeta电势的增大而增大，zeta电势表示悬浮颗粒在流体中的表面电荷。
图5显示纳米流体导热性的增强比例。在水基纳米流体中，多层碳纳米管纳米流体的导热系数提高最高，而二氧化硅纳米流体的导热系数提高最低。从实验结果来看，纳米流体的热导率增强与悬浮颗粒的热导率增强有关。之前的许多研究也显示了类似的结果。结果表明，油 基 多层碳纳米管纳米流体的导热性增强效果优于水 基 多层碳纳米管纳米流体，乙二醇基氧化铜纳米流体的导热性增强效果优于水 基 氧化铜纳米流体。
图6表明水基 多层碳纳米管和富勒烯纳米流体的导热性随纳米颗粒体积分数的增加而增强。k值是基液或纳米流体的导热系数。结果表明: 水基 多层碳纳米管纳米流体的导热系数随颗粒体积分数的增大而增大，而富勒烯纳米流体的导热系数随颗粒体积分数的增大而减小。这可能是因为富勒烯的导热系数为0.4 W/mK，低于水的导热系数。在体积分数为1.0%时，多层碳纳米管纳米流体的导热系数提高了7.0%。另一方面，在体积分数为1.5%时，其导电率降低了3.0%。
图7显示油 基 多层碳纳米管和富勒烯纳米流体的导热性能随纳米颗粒体积分数的增加而增强。对于多层碳纳米管纳米流体，在体积分数是0.5%时，其导热系数提高了8.7%；在体积分数是5%时，富勒烯纳米流体的导热系数提高了6.0%。结果表明，由于多层碳纳米管的导热系数远远高于富勒烯，所以多层碳纳米管纳米流体的导热系数远远高于富勒烯纳米流体。因此，实验也认为纳米颗粒的导热性对纳米流体的导热性增强有重要影响。
图8对多层碳纳米管纳米流体导热性的实验结果进行了验证。本文用张氏和蔡氏模型[14]对实验结果进行了验证。在水基 多层碳纳米管纳米流体中，假设忽略了纳米粒子的布朗运动，我们得到了有效电导率kcomp的表达式：
kcomp = cos2Ɵbeta;kfiberffiber (1 minus; ffiber)kf (2)
kfiber—多层碳纳米管的导热系数；kf—基液的导热系数；
ffiber—多层碳纳米管的体积分数；beta;—卡皮查阻力[12]；
Ɵ—给定方向和纤维轴之间的夹角。
对于有序结合的多层碳纳米管：cos2Ɵ=1；
对于完全随机光纤取向的多层碳纳米管：cos2Ɵ=1/3。
实验假设多层碳纳米管是完全随机光纤定向的，cos2Ɵ=1/3，从一开始，多层碳纳米管就纠缠在一起。由于表面活性剂的存在，卡皮查阻力得到减弱，从而提高了纳米流体悬浮稳定性，beta;=0.006。
图5：纳米流体导热性测试结果
图6：水基 多层碳纳米管和富勒烯纳米流体的导热性增强图
图7：油基富勒烯纳米流体的导热性增强图
图8：对多层碳纳米管纳米流体实验结果进行了导热系数的验证
4：结果与讨论
实验制备各种各样的纳米流体，并通过紫外可见光谱分别对其稳定性进行评价。实验发现，纳米流体的稳定性受悬浮颗粒和基液性质影响，比如颗粒的形貌、颗粒的化学结构和基液的化学特性等等。此外，在本研究中加入表面活性剂SDS可以提高悬浮液的稳定性。
实验采用瞬态热线法测定纳米流体的热导率。实验结果表明，热导率的提高取决于悬浮颗粒的体积分数、颗粒的热导率和基液的热导率。同时，实验采用模拟计算验证了多层碳纳米管纳米流体导热性的实验结果。
致谢：
这项工作由教育和人力资源发展部(MOE)、工商和能源部(MOCIE)和劳工部(MOLAB)通过Excellency实验室的培养项目资助。
综述：纳米流体在稳定条件下的稳定性及其表征
A. Ghadimilowast;, R. Saidur, H.S.C. Metselaar
马来西亚马来亚大学工程学院机械工程系，马来西亚吉隆坡50603
摘要：纳米流体是一种新型的工程介质，它是通过将纳米颗粒或纳米管分散在主流体（基液）中制备而成的。因为纳米流体在强化传热方面的重要作用和进一步应用的可能，本文对纳米流体的稳定性进行分析讨论。文章也介绍了一些普遍的稳定方法以及各种类型的稳定性检验仪器。
关键词：稳定，纳米流体，特征，热导率，粘度，热物理性质
1：引言
工业领域上最重要的科学挑
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资料编号：[2687]
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