納米流體技術

納米流體作為一種新型的高效、高傳熱性能的能量輸運工質，可有效提高熱系統的傳熱性能，提高熱系統的高效低阻緊湊等性能指標，滿足熱系統高負荷的傳熱冷卻要求，滿足一些特殊條件(微尺度條件)下的強化傳熱要求，在強化傳熱領域具有十分廣闊的套用前景和潛在的重大經濟價值，被稱之為未來的冷卻散熱技術。

基本介紹

• 中文名：納米流體技術
• 外文名：nanofluids
• 學科：材料科學
• 套用領域：化工、能源、航天航空等
• 製備方法：一步法、兩步法
• 作用：提高熱系統的傳熱性能

介紹

近十餘年來，研究人員在開展納米流體流動與強化傳熱的相關基礎研究的同時，也在積極探索納米流體技術的套用研究。例如，太空飛行器熱控工質的強化傳熱、納米流體工質熱管、納米流體在微通道中的傳熱強化和納米流體強化傳質過程等，為納米流體套用於實際傳熱冷卻設備、研製新一代高強度、高效傳熱傳質系統和熱控制技術與方法提供了關鍵技術支撐。

近年來，納米材料和技術的快速發展給固體顆粒強化流體傳熱帶來了新的機遇。納米流體即為在傳統流體中加入金屬納米顆粒構成一種新型的換熱基質（納米流體），這是納米技術套用於傳熱學中的創新性研究。近十餘年來，許多科學研究者相繼進行了大量的有關納米流體的理論和實驗研究，著重研究新型納米流體的製備及其測試其熱傳導、對流、相變換熱等性能，不斷地探究納米流體強化傳熱技術機理，推動納米流體強化傳熱技術在工業中的套用。近年來，有許多科學研究工作者對納米流體在微型管道中的傳熱性能進行了大量的研究，並取得一定的成果。最近，國外已經利用納米流體強化傳熱技術研製出了微管道散熱器高強度製冷系統，顯示出納米流體在在強化換熱領域具有十分廣闊的套用前景，並為解決各領域的熱交換系統的高溫元件冷卻問題提供導向作用。

納米流體的製備

通常，納米流體的製備方法可分為單步法和兩步法兩種。許多的研究者已經通過這兩種方法製備了含一定體積分數的 Cu、Al₂O₃、CuO、Si C碳納米管等納米粒子與基液（水、乙二醇、丙酮、癸烯、機油、導熱油、變壓器油等）構成的納米流體。

單步法是指在納米顆粒製備的同時直接將顆粒分散到基液中，納米顆粒和納米流體的製備同時完成。單步法製備納米顆粒的方法主要有氣相法和液相法 2 種方法。氣相合成納米顆粒的方法又有多種，如低壓氣體蒸發法、真空蒸發沉積法、濺射法、通電加熱蒸發法、雷射誘導沉積法等。

黃鈞聲等採用硼氫化鉀液相還原一步法還原硫酸銅水溶液，加入了絡合劑 EDTA-2Na 和陽離子型分散劑 CTAB(C19H42NBr) 製備出平均粒度僅為1. 02nm 的超細銅納米流體( 圖 1)

兩步法是指先製備納米粉體，再將納米顆粒分散於基液中製備成納米流體。兩步法製備納米流體的過程如圖 2 所示。

此種製備方法程式簡單，成本低，幾乎適用於所有種類的納米流體的製備，可製備單步法無法得到的以一些高蒸氣壓的液體作為基液的納米流體。相比較而言，雖然兩步法較適合於實際套用，但其製備的納米流體懸浮穩定性不及單步法製備的納米流體，必須採用一定的分散技術，解決納米流體的懸浮穩定性問題，使納米粒子均勻、穩定地分散在液體介質中，形成分散性好、穩定性高、持久及低團聚的納米流體。

納米流體技術的套用

納米流體作為新型的傳熱工質將廣泛套用於化工、能源、航天航空、船舶、汽車、空調製冷、電子、計算機等領域，滿足其熱交換系統的高熱負荷傳熱及冷卻要求，對於提高熱交換系統的經濟性、可靠性和小型化有重要的意義，具有廣闊的套用前景和潛在的巨大經濟價值。

傳熱性能改善

納米粒子的摻入能夠明顯改善原來介質的熱特性，納米流體技術強化傳熱過程的一個最直接的套用是改善原來基液的導熱係數和傳熱特性。

在一些太空飛行器中，安裝有藉助於液體工質單相對流換熱實現熱控制的泵驅動液體迴路系統，承擔將艙內熱負荷通過中間換熱器傳遞至外循環迴路最終散熱於外太空環境。這種主動式的液體冷卻系統比被動熱控系統具有較大的熱量調節能力、較高的控溫精度等優點，可靠性較高，已成為太空飛行器熱控系統的關鍵技術之一。由於液體迴路系統的質量與功耗在壓力艙內占有較大比例，而太空飛行器的發射費用極為昂貴，因此如何在滿足太空飛行器總體要求的前提下，提高熱控制子系統的傳熱效率，減少太空飛行器液體迴路系統的質量非常重要。由於空間環境的特殊要
求，傳統的純液體工質和常規的散熱措施難以滿足熱負荷日益增長的太空飛行器熱控系統的需要。目前，太空飛行器液體迴路系統採用的傳熱工質是一種冰點低、比熱大、黏度小、無毒的化合物，具有適合在太空飛行器中使用的獨特優點，但由於它的導熱係數極低，很難滿足太空飛行器不斷增長的高強度、高負荷傳熱的要求，成為提高太空飛行器熱控制系統傳熱效率、研製高效緊湊的熱控制系統的主要障礙凹]。

納米流體的概念為太空飛行器熱控制技術提出了新的思路，有助於研製導熱係數高、傳熱性能好的高效新型換熱工質，這對於研製體積小、重量輕、傳熱性能好的太空飛行器液體迴路系統，探索新一代的高效、可靠的太空飛行器熱控技術，滿足太空飛行器可靠、穩定、長期運行的需要有重要意義。本書第4、5章介紹了水、油、乙二醇等常規液體為基液的納米流體強化傳熱性能的研究，實驗結果表明了以上納米流體具有不同於純液體以及傳統液一固兩相混合物的特異傳熱性質，顯示了這些納米流體套用於強化傳熱領域的前景。但是，對於太空飛行器使用的非常規液體工質，通過在液體中添加納米粒子，製備的納米流體是否具有與以常規液體為基液的納米流體相同的優良強化傳熱性能，有必要進行深入研究與分析。

微管道散熱器中的套用

伴隨著電子產業高性能、微型化、集成化的三大發展趨勢，作為電子設備核心的晶片越先進，功耗越大，產生的熱量也隨之增加，傳統強迫風冷技術已經無法滿足未來高性能高要求的熱交換系統。研究實用型高效的晶片冷卻方法已是重要而緊迫的問題。為此，以納米流體為冷卻介質的微型高強度製冷系統成為了高新科技研究熱點之一，許多科學工作者在研究微管道散熱器性能的基礎上進一步探討了納米流體作為冷卻介質的微型高強度製冷系統的可行性。

Tuckerman 等首次將微管道刻蝕在 VLSI（very large scale integration）矽晶片的背部並在其頂部裝上蓋板，冷卻液密封在微管道內，並以此構造出一種新型的微管道散熱器。近 20 年來，國際許多科學工作者已對微管道散熱器進行過研究。

Vijay建立了微管道散熱器中對流傳熱問題的準二維非線性微分方程，並得出了具有最小散熱器熱阻的微管道最佳化尺寸。Weisberg 等分析了微管道散熱器中矽襯底表面與微管道內流體的溫度場分布，並在此基礎上提出了一種微管道幾何尺寸的最佳化算法。

Leng利用流體模擬 FLUENT 軟體分析了微管道中的傳熱和流動問題，分析了微管道、翅片及襯底三者的幾何參數對散熱器總熱阻的影響。所有這些微管道散熱器設計及性能的研究極大地推動了納米流體在微管道散熱器中的套用研究。