基于导热氮化硼的纳米流体和相变储热材料制备及性质研究

随着电子电器设备向微型化、集成化、高频率和智能化方向发展与广泛使用,设备散热管理的相关问题急增,涉及微纳器件摩擦学问题也日渐突出。开发新型多功能纳米流体用于微型电子设备热管理和摩擦学管理是一种较好的解决方案。在严格控制微型集成化设备温度和表面磨损情况下,传统流体难以完成这些高精度器件的增强传热和降低摩擦磨损任务,这也就为纳米流体的研究提供了机遇和挑战。六方氮化硼(h-BN)具有较高的热稳定性、出色的耐腐蚀性和优异的介电性,受到越来越多的关注。特别是其高温下的导热性、润滑性和耐磨性,使BN材料成为纳米流体的导热润滑添加剂的重要候选者。本论文以提高纳米流体的摩擦学性能、导热性能,以及摩擦过程产生的热量收集存储为目标,合成了具有不同形貌的高导热BN,并制备了相应的BN纳米流体和复合相变储热材料,对它们的摩擦学、传热性能及储热效率进行了研究。主要的研究内容如下:1、氮化硼纳米球制备及其在纳米流体中的摩擦学性能研究:固体润滑添加剂可用于提高传统液体润滑剂的摩擦学性能,但是它们在润滑剂中常常表现出的低分散性和不稳定性,大大限制了其使用。论文采用喷雾干燥辅助高温热解法制备BN纳米球,研究了该BN纳米球的制备条件,讨论了制备条件对产物的物相、形貌、尺寸和化学组成的影响。结果表明,当硼酸和尿素的摩尔比例为1:2、热解温度为1000°C时,所制备的BN纳米球具有较高的分散性和均匀的尺寸(~20nm)。将BN纳米球加入到液体石蜡中制备了BN/石蜡纳米流体基润滑剂,该纳米流体基润滑剂可以保持均匀稳定三周以上。采用四球摩擦磨损试验机对其进行的摩擦学性能测试表明,与纯的液体石蜡相比,1.5 wt%BN/液体石蜡的摩擦系数和试验钢球磨斑直径分别降低了45%和12%。说明该BN纳米球具有优异的减摩和抗磨性能,适用于摩擦学管理。2、氮化硼空壳纳米球制备及其在纳米流体中的传热性能研究:摩擦过程会产生大量的热,这些摩擦热长期累积不仅会影响液体润滑剂的稳定性,而且会降低设备的运行效率和使用寿命。采用水热碳球为模板制备BN空壳纳米球,并探讨了模板的添加量对前驱体和最终产物形貌的影响。实验结果表明,当碳球、硼酸和三聚氰胺的摩尔比为9:3:1的时候,制备了直径约550 nm左右的BN空壳纳米球。在热解过程中,碳球模板以含碳的气体的形式被除去,从而得到与模板类似形貌的BN空壳球。通过FTIR和XPS表征可知,BN空壳纳米球的表面含有大量-OH基团。Zeta电位测试发现,这种BN空壳纳米球在水中展现很好的分散稳定性。当BN纳米球的体积分数为0.10 vol%时,水的热导率由0.589 W/mK提高到0.917 W/mK,约提高了56%。这种具有优异传热性能的水基的BN纳米流体在热管理系统有很大的应用前景。3、氮化硼微米棒制备及其在纳米流体中的传热性能和摩擦学性能研究:以上实验表明BN纳米流体在摩擦学管理和热管理系统中均有应用潜力。目前有关BN作为多功能添加剂同时用于改善纳米流体的摩擦学性能和传热性能的研究还不多见。采用喷雾干燥热解法制备BN微米棒,并探讨了增加喷雾干燥中间体制备技术后,产物的形貌、结构和化学组成的变化。与真空干燥相比,喷雾干燥所制备的BN呈现出鱼鳞棒状结构,拥有大的比表面积(616 m~2/g)、宽的孔径分布(4~60 nm)以及高的含氧量(12.7 at%)。大量的含氧基团分布在BN微米棒表面使其可以在水中保持均匀的分散和长期的稳定。BN在水基纳米流体中的摩擦学性能和导热性能的研究表明,当在水中加入少量BN微米棒(0.10 vol%)后,摩擦系数和磨斑直径分别降低了79%和41%。此外,BN/水纳米流体的导热率达到1.117 W/mK,相比纯水约提高了90%。这种具有双功能的BN流体为未来的能源管理提供更多的选择。4、氮化硼泡沫制备及在相变储热材料中的应用:回收微纳器件摩擦过程产生的废热再利用是节约能源的一种有效途径。在热能储存系统中,以无机相变材料为介质的潜热蓄热是目前最有潜力的储热方法之一。然而,无机相变材料所的低导热系数、高的过冷度、液体泄漏、差的形状稳定性和缓慢充放热速率阻碍了其在实际场合中的应用。采用三聚氰胺海绵作为模板,制备具有三维互连的多孔BN泡沫。多孔结构和亲水表面有助于将熔化的液态共晶水合盐(EHS)相变材料限制在BN泡沫内部。当BN泡沫的添加量为4 wt%时,EHS/BN泡沫复合材料的导热系数达到1.359 W/mK,分别是纯EHS和EHS/聚合物(5 wt%)复合材料的10.4倍和2.3倍。复合相变材料传热性能的大幅度提高主要归功于其内部具有高导热率的BN互连网络,可以有效地减少声子-声子和声子-边界散射。此外,具有大的比表面积和丰富的含氧基团的BN泡沫骨架为EHS提供了大量的成核位点,可以有效的降低过冷度。BN泡沫的引入还大大提高了EHS的形状稳定性。经过300次热循环后,EHS/BN复合相变材料的DSC曲线和FTIR光谱几乎没有变化,表明所制备的EHS/BN具有优异的热稳定性和循环稳定性。这些结果表明BN泡沫可以作为一种有前途的导热封装材料用于相变储热领域,并期望将摩擦所产生废热进行收集、储存和再利用。