纳米流体技术

材料科学术语

纳米流体作为一种新型的高效、高传热性能的能量输运工质，可有效提高热系统的传热性能，提高热系统的高效低阻紧凑等性能指标，满足热系统高负荷的传热冷却要求，满足一些特殊条件(微尺度条件)下的强化传热要求，在强化传热领域具有十分广阔的应用前景和潜在的重大经济价值，被称之为未来的冷却散热技术。

介绍

近十余年来，研究人员在开展纳米流体流动与强化传热的相关基础研究的同时，也在积极探索纳米流体技术的应用研究。例如，航天器热控工质的强化传热、纳米流体工质热管、纳米流体在微通道中的传热强化和纳米流体强化传质过程等，为纳米流体应用于实际传热冷却设备、研制新一代高强度、高效传热传质系统和热控制技术与方法提供了关键技术支撑。

近年来，纳米材料和技术的快速发展给固体颗粒强化流体传热带来了新的机遇。纳米流体即为在传统流体中加入金属纳米颗粒构成一种新型的换热基质（纳米流体），这是纳米技术应用于传热学中的创新性研究。近十余年来，许多科学研究者相继进行了大量的有关纳米流体的理论和实验研究，着重研究新型纳米流体的制备及其测试其热传导、对流、相变换热等性能，不断地探究纳米流体强化传热技术机理，推动纳米流体强化传热技术在工业中的应用。近年来，有许多科学研究工作者对纳米流体在微型管道中的传热性能进行了大量的研究，并取得一定的成果。最近，国外已经利用纳米流体强化传热技术研制出了微管道散热器高强度制冷系统，显示出纳米流体在在强化换热领域具有十分广阔的应用前景，并为解决各领域的热交换系统的高温元件冷却问题提供导向作用。

纳米流体的制备

通常，纳米流体的制备方法可分为单步法和两步法两种。许多的研究者已经通过这两种方法制备了含一定体积分数的 Cu、Al2O3、CuO、Si C碳纳米管等纳米粒子与基液（水、乙二醇、丙酮、癸烯、机油、导热油、变压器油等）构成的纳米流体。

单步法是指在纳米颗粒制备的同时直接将颗粒分散到基液中，纳米颗粒和纳米流体的制备同时完成。单步法制备纳米颗粒的方法主要有气相法和液相法 2 种方法。气相合成纳米颗粒的方法又有多种，如低压气体蒸发法、真空蒸发沉积法、溅射法、通电加热蒸发法、激光诱导沉积法等。

黄钧声等采用硼氢化钾液相还原一步法还原硫酸铜水溶液，加入了络合剂 EDTA-2Na 和阳离子型分散剂 CTAB(C19H42NBr) 制备出平均粒度仅为1. 02nm 的超细铜纳米流体，如图《一步法制备超细铜管纳米流体的TEM照片》所示。

两步法是指先制备纳米粉体，再将纳米颗粒分散于基液中制备成纳米流体。两步法制备纳米流体的过程如图《两步法制备纳米流体过程》所示。

此种制备方法程序简单，成本低，几乎适用于所有种类的纳米流体的制备，可制备单步法无法得到的以一些高蒸气压的液体作为基液的纳米流体。相比较而言，虽然两步法较适合于实际应用，但其制备的纳米流体悬浮稳定性不及单步法制备的纳米流体，必须采用一定的分散技术，解决纳米流体的悬浮稳定性问题，使纳米粒子均匀、稳定地分散在液体介质中，形成分散性好、稳定性高、持久及低团聚的纳米流体。

纳米流体技术的应用

纳米流体作为新型的传热工质将广泛应用于化工、能源、航天航空、船舶、汽车、空调制冷、电子、计算机等领域，满足其热交换系统的高热负荷传热及冷却要求，对于提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化有重要的意义，具有广阔的应用前景和潜在的巨大经济价值。

传热性能改善

纳米粒子的掺入能够明显改善原来介质的热特性，纳米流体技术强化传热过程的一个最直接的应用是改善原来基液的导热系数和传热特性。

在一些航天器中，安装有借助于液体工质单相对流换热实现热控制的泵驱动液体回路系统，承担将舱内热负荷通过中间换热器传递至外循环回路最终散热于外太空环境。这种主动式的液体冷却系统比被动热控系统具有较大的热量调节能力、较高的控温精度等优点，可靠性较高，已成为航天器热控系统的关键技术之一。由于液体回路系统的质量与功耗在压力舱内占有较大比例，而航天器的发射费用极为昂贵，因此如何在满足航天器总体要求的前提下，提高热控制子系统的传热效率，减少航天器液体回路系统的质量非常重要。由于空间环境的特殊要

求，传统的纯液体工质和常规的散热措施难以满足热负荷日益增长的航天器热控系统的需要。目前，航天器液体回路系统采用的传热工质是一种冰点低、比热大、黏度小、无毒的化合物，具有适合在航天器中使用的独特优点，但由于它的导热系数极低，很难满足航天器不断增长的高强度、高负荷传热的要求，成为提高航天器热控制系统传热效率、研制高效紧凑的热控制系统的主要障碍凹]。

纳米流体的概念为航天器热控制技术提出了新的思路，有助于研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质，这对于研制体积小、重量轻、传热性能好的航天器液体回路系统，探索新一代的高效、可靠的航天器热控技术，满足航天器可靠、稳定、长期运行的需要有重要意义。本书第4、5章介绍了水、油、乙二醇等常规液体为基液的纳米流体强化传热性能的研究，实验结果表明了以上纳米流体具有不同于纯液体以及传统液一固两相混合物的特异传热性质，显示了这些纳米流体应用于强化传热领域的前景。但是，对于航天器使用的非常规液体工质，通过在液体中添加纳米粒子，制备的纳米流体是否具有与以常规液体为基液的纳米流体相同的优良强化传热性能，有必要进行深入研究与分析。

微管道散热器中的应用

伴随着电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势，作为电子设备核心的芯片越先进，功耗越大，产生的热量也随之增加，传统强迫风冷技术已经无法满足未来高性能高要求的热交换系统。研究实用型高效的芯片冷却方法已是重要而紧迫的问题。为此，以纳米流体为冷却介质的微型高强度制冷系统成为了高新科技研究热点之一，许多科学工作者在研究微管道散热器性能的基础上进一步探讨了纳米流体作为冷却介质的微型高强度制冷系统的可行性。

Tuckerman 等首次将微管道刻蚀在 VLSI（very large scale integration）硅芯片的背部并在其顶部装上盖板，冷却液密封在微管道内，并以此构造出一种新型的微管道散热器。近 20 年来，国际许多科学工作者已对微管道散热器进行过研究。

Vijay建立了微管道散热器中对流传热问题的准二维非线性微分方程，并得出了具有最小散热器热阻的微管道优化尺寸。Weisberg 等分析了微管道散热器中硅衬底表面与微管道内流体的温度场分布，并在此基础上提出了一种微管道几何尺寸的优化算法。

Leng利用流体模拟 FLUENT 软件分析了微管道中的传热和流动问题，分析了微管道、翅片及衬底三者的几何参数对散热器总热阻的影响。所有这些微管道散热器设计及性能的研究极大地推动了纳米流体在微管道散热器中的应用研究。

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