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鄒小姐：13326633089 -
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工業應用和科學技術的眾多領域涉及熱量傳遞過程，強化傳熱可以提高系統或設備的傳熱效率，一般如果從換熱設備著手，則往往需要增加系統的尺寸，不符合但如今系統輕量化、微型化的發展趨勢，因此對換熱導熱介質提出更高要求。傳統的導熱介質如水、乙二醇、導熱油等的導熱系數偏低，近年來，突破傳統導熱介質的限制成為高效換熱技術的研究重點。
冷卻塔就是典型的換熱設備
什么是納米流體？
在早期時候，研究人員就開始在液體中加入固體顆粒，以提高液體的導熱系數。但大多數研究所用固體顆粒局限于毫米或微米級別，由于粒徑過大，易于沉降，往往難以實現長期分散穩定，且容易造成設備磨損與堵塞，未能得到廣泛應用。
1995年，美國Argonne實驗室的Choi等率先提出了“納米流體”的概念，是指以一定的方式和比例，在常規液體中添加高導熱系數的納米級固體顆粒形成的一類新型傳熱介質。固體顆粒一般包括金屬（Cu、Ag等），金屬氧化物、氮化物、碳化物（Al2O3、CuO、ZnO、AlN、SiC等）以及碳材料（碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯等），這類物質的導熱系數一般較大，往往是傳統導熱介質的成百上千倍，因此其加入在理論上可以使基液的傳熱能力大幅提升，在強化傳熱領域具有廣闊的應用前景。而且相比早期添加毫米、微米級粒子的研究，納米級尺寸不易引起管道堵塞問題，推進了各種換熱設備的小型化進程。
幾種導熱材料的導熱系數
雖然納米粒子的引入能夠大幅提高傳統導熱介質的導熱系數，在強化傳熱領域具有明顯優勢。但水基、乙二醇基及水-乙二醇混合基的各類納米流體幾乎都存在長期分散穩定性差的問題。
納米粒子在重力、范德華力等作用力下發生沉降、團聚，甚至分層，進而影響強化傳熱效果。顯然，納米流體長期分散穩定是其換熱能力提升的前提，而制備兼具導熱系數高和穩定性強的納米流體已成為使其應用普遍化的重點和難點。
納米顆粒在流體中的聚集狀態
納米流體的制備
目前，納米流體的制備方法分為兩種，即單步法和兩步法。
一、單步法
單步法是指在制備納米粒子的同時直接將納米粒子分散到基液中得到納米流體，如通過物理氣相沉積法（PVD）和化學液相法等直接制備納米粒子。
單步法制備的納米流體一般分散性好、懸浮穩定性高，這是因為避免了額外的分散步驟從而減少納米粒子團聚。然而單步法制備納米流體也存在成本過高、設備復雜、無法規模化生產等問題，并且此法一般難以控制納米粒子的尺寸分布和純度，只適用于低蒸氣壓基液納米流體的制備。
二、兩步法
兩步法是指先制備出納米粒子，再將納米粒子以某種方式分散到基液中得到納米流體。兩步法制備納米流體具有工藝簡單、成本低等優勢，幾乎適用于所有納米流體的制備，如不同基液的Al2O3、TiO2、ZnO、CNTs等納米流體。
雖然此法制備的納米流體穩定性一般不及單步法，往往在一段時間后發生團聚、沉降等現象，但通過超聲處理、添加表面活性劑和調節PH等手段，已經可以制備出保持相對穩定的納米流體。考慮到經濟因素和產品需求量，目前制備納米流體大多采用兩步法。
納米流體的兩步法制備路線
納米流體的應用
因為優異的傳熱性能，納米流體已發展成一種新型導熱介質來滿足熱系統高負荷的傳熱冷卻要求，甚至微尺度條件下的強化傳熱要求。目前已有將納米流體應用于汽車行業、化工工業、空調制冷、太陽能集熱和微通道散熱器等不同領域。
一、汽車行業應用
近年來，納米流體在殼管式、雙管式、平板式等不同類型換熱器中的傳熱研究受到越來越多的關注。相比于不含納米顆粒的冷卻液，納米流體用作發動機冷卻液可實現更高的換熱增強，這種強化傳熱的方法有望使汽車散熱器更小、更輕，從而使汽車能有更多空間提高綜合性能，實現輕量化。
板式換熱器工作原理
二、微通道散熱器應用
電子系統中散發的大量熱量必須有效地消除以防止過熱和芯片故障，使用微通道液冷是替代笨重的鋁散熱器的一種有吸引力的方法。與傳統散熱器需要大的表面積來增加散熱率不同，這些通道可以直接集成到芯片中，而使用納米流體代替傳統的冷卻介質可以進一步增強冷卻效果。
微通道散熱器
三、太陽能集熱器應用
太陽能集熱器是將太陽輻射能轉化為傳輸介質內能的一種特殊的熱交換器，其強化傳熱是實現節能的關鍵問題之一。目前已有將各種納米流體應用于太陽能集熱器的研究工作，研究發現，使用納米流體為介質的太陽能集熱器相對于常規平板器，工作效率大幅提高。
太陽能集熱器
總結
納米流體將納米技術與熱能工程這一傳統領域創新性地結合起來，在強化傳熱領域的前景巨大，但目前無論實驗還是理論研究都受到一定的限制。實驗工作的限制，主要是顆粒的團聚與穩定性問題；而理論研究中，數值模擬需要更精確的模型。未來研究的重點一是實現納米流體的長期分散穩定和高換熱特性，以實現其規模化應用；二是建立合適的模型，用于納米流體的性能預測與理論解釋。
參考來源：
納米流體導熱介質研究進展，賈東、蔡淑紅、李獻強、郝文靜、劉波濤、譚凱鋒、王峰（中國船舶集團有限公司第七一八研究所）。
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