材料导报 | 来源
纳米流体导热介质研究进展 | 题目
贾东，蔡淑红，李献强，郝文静，刘波涛，谭凯锋，王峰 | 作者
中国船舶集团有限公司第七一八研究所 | 单位
近年来，随着工业技术的发展，能源、化工、汽车、太阳能集热等多个领域对高效换热技术的要求逐渐提高。设备轻量化、微型化发展要求体积压缩情况下仍保证足够的换热能力，因此正确选用导热介质成为必然。传统的导热介质如水、乙二醇、导热油等的导热系数偏低，换热能力难以满足生产生活要求。纳米流体因其增强的导热能力而受到广泛的关注。大力发展纳米流体强化传热技术对提高资源利用率、节能减排具有重要意义。国内外已逐渐对该技术展开大量研究，本文根据最新研究进展，对纳米流体“制备⁃性能⁃机理⁃应用”的全过程进行归纳总结，重点介绍了纳米流体稳定性、基础热物性以及传热特性的研究情况。
关键词：纳米流体，稳定性，导热系数，粘度，对流换热
00 引言
工业应用和科学技术的众多领域涉及热量传递过程，强化传热可以提高系统或设备的传热效率，正受到越来越多的关注。强化传热一般从换热设备着手，如增加热交换器的传热面积，这种技术往往需要增加热系统的尺寸。但热交换系统轻量化、微型化的发展趋势对导热介质提出了更高要求。传统的导热介质如水、乙二醇、导热油等的导热系数偏低，换热能力难以满足特殊条件下的换热及冷却要求。近年来，低导热系数的导热介质已成为高效换热技术的主要障碍。
自 Maxwell 理论发表以来，研究人员开始在液体中加入固体颗粒，以提高液体的导热系数，从而提高液体的换热能力。但大多数研究所用固体颗粒局限于毫米或微米级别，由于粒径过大，易于沉降，往往难以实现长期分散稳定，且容易造成设备磨损与堵塞，未能得到广泛应用。
20 世纪 90 年代，科研人员开始开展将纳米材料应用于强化传热领域的探索。1995年，美国 Argonne 实验室的 Choi 等率先提出了“纳米流体” 的概念，纳米流体技术应运而生。它是指以一定的方式和比例，在常规液体中添加高导热系数的纳米级固体颗粒形成的一类新型传热工质。固体颗粒一般包括金属（Cu、Ag 等），金属氧化物、氮化物、碳化物（Al2O3、CuO、ZnO、AlN、SiC等） 以及碳材料（碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯等），这类物质的导热系数一般较大，往往是传统导热介质的成百上千倍，因此其加入在理论上可以使基液的传热能力大幅提升，在强化传热领域具有广阔的应用前景。而且相比早期添加毫米、微米级粒子的研究，纳米级尺寸不易引起管道堵塞问题，推进了各种换热设备的小型化进程。
传统导热介质和部分纳米材料的导热系数如表 1 所示。
表1 材料导热系数
虽然纳米粒子的引入能够大幅提高传统导热介质的导热系数，在强化传热领域具有明显优势。但水基、乙二醇基及水⁃乙二醇混合基的各类纳米流体几乎都存在长期分散稳定性差的问题。纳米粒子在重力、范德华力等作用力下发生沉降、团聚，甚至分层，进而影响强化传热效果。显然，纳米流体长期分散稳定是其换热能力提升的前提，而制备兼具导热系数高和稳定性强的纳米流体已成为使其应用普遍化的重点和难点。大多文献对纳米流体的研究有局限性，以稳定性和热性能等单一研究为主，缺少对纳米流体领域全方位的研究与介绍。本文对纳米流体制备方法、稳定性、热物性及对流换热性能研究分别进行归纳，提出了较为合理的纳米流体强化传热机理，并对其应用情况进行介绍，是对纳米流体“制备⁃性能⁃机理⁃应用”全过程的总结。
01 纳米流体制备方法
纳米流体的长期稳定性是其更好地应用于传热领域的基本要求之一。而如何制备得到长期稳定的纳米流体是主要的技术挑战。目前，纳米流体的制备方法分为两种，即单步法和两步法。
单步法是指在制备纳米粒子的同时直接将纳米粒子分散到基液中得到纳米流体，如通过物理气相沉积法（PVD）和化学液相法等直接制备纳米粒子。Chang 等通过单步化学法高压处理制备了 TiO2⁃H2O纳米流体并实现了良好的分散稳定性。Lee 等通过脉冲金属丝蒸发（PWE）的单步法制备了 ZnO⁃EG 纳米流体，该材料能够保持长期稳定并获得更高的导热系数，同时展现出牛顿流体行为。可以看出，单步法制备的纳米流体一般分散性好、悬浮稳定性高，这是因为避免了额外的分散步骤从而减少纳米粒子团聚。然而单步法制备纳米流体也存在成本过高、设备复杂、无法规模化生产等问题，并且此法一般难以控制纳米粒子的尺寸分布和纯度，只适用于低蒸气压基液纳米流体的制备。
两步法是指先制备出纳米粒子，再将纳米粒子以某种方式分散到基液中得到纳米流体。两步法制备纳米流体具有工艺简单、成本低等优势，几乎适用于所有纳米流体的制备，如不同基液的 Al2O3、TiO2、ZnO、CNTs 等纳米流体。虽然此法制备的纳米流体稳定性一般不及单步法，往往在一段时间后发生团聚、沉降等现象，但通过超声处理、添加表面活性剂和调节 pH 等手段，已经可以制备出保持相对稳定的纳米流体。考虑到经济因素和产品需求量，目前制备纳米流体大多采用两步法。两步法制备纳米流体技术路线如图1 所示。
图1 纳米流体的两步法制备路线
02 稳定性研究
纳米粒子的粒径为纳米尺寸，相比于微米、毫米尺寸的粒子，具有更大的比表面积和表面能，因此导热能力增强的同时也有更大的团聚倾向。不稳定性直接或间接地降低了其导热能力。纳米流体保持长期稳定成为其导热能力提高的前提。影响稳定性的因素较多，包括基液种类、纳米粒子的种类、尺寸和含量，对于特定的纳米流体体系，分散过程中表面活性剂的种类和含量、超声处理的方式和时间以及 pH值等都对纳米流体的稳定性有较大影响。
目前，评价纳米流体分散稳定性主要通过沉降实验、Zeta 电位测量和紫外可见分光光度测试等方法。沉降实验主要是目测，观察一定时间内的重力作用下，纳米粒子在基液中的沉积量，若无明显分层和团聚现象，可以认为纳米流体的稳定性较好，此法方便、直观。Zeta 电位测量是表征纳米流体稳定性的重要指标，其绝对值越大，粒子间的静电排斥力越大，稳定性越好，通常认为其绝对值大于 30ｍV 时，纳米流体具有较好的稳定性。紫外可见分光光度测试主要是测定纳米流体的吸光度，一般选择在最大吸收波长处的吸光度值作为比较，该值越大，认为纳米流体的稳定性越好。
两步法提高纳米流体稳定性一般通过一些化学和物理技术。如化学处理下表面活性剂的添加、纳米粒子的表面处理以及纳米流体 pH值的调节。物理法处理下，施加高能外力来打破纳米粒子团簇，如搅拌和超声波处理等。
2.1 表面活性剂的影响
在纳米流体制备过程中，添加表面活性剂/分散剂以增强其稳定性是最常见有效的方法。表面活性剂/分散剂的种类与含量会对稳定性产生非常大的影响。表2 给出了部分表面活性剂/分散剂的种类。
表2 表面活性剂/分散剂的种类
在目前研究较多的水基纳米流体中，Das 等分别评估了 CTAB、SDBS 和 SDS 三种表面活性剂对 Al2O3⁃H2O 纳米流体稳定性的影响。结果表明，CTAB 和 SDS 对 Al2O3 分散在水中的稳定性不及 SDBS，SDBS 的加入明显减少了纳米粒子团簇，并且纳米粒子与 SDBS 的最佳质量比为 2:1。Asadi等则研究了 CTAB、SDS 和 OA对 Mg(OH)2⁃H2O 纳米流体稳定性的影响。阳离子表面活性剂 CTAB 效果优于 SDS 和OA。加入 0.02 vol% CTAB 并超声分散 30 min 的纳米流体 30d 未见明显沉淀，Zeta 电位值稳定在 51 ｍV。Rashmi 等用紫外可见分光光度计测量了以 GA 为分散剂的 CNTs⁃H2O 纳米流体浓度随沉积时间的变化，发现 GA 的添加可以使得纳米流体稳定性提高，取决于 CNTs 的添加量，GA 的最佳含量在 1ｗt％~2.5ｗt％的范围内，超出此范围反而观察到快速沉降。Wang 等观察到 SDBS 浓度对 Al2O3⁃H2O 和 Cu⁃H2O两种纳米流体的稳定性均有影响。Zeta 电位测试分析表明，溶液中 SDBS 解离产生的苯基磺酸基吸附在纳米颗粒上，增加了颗粒表面的净负电荷，静电斥力增大。随 SDBS 浓度增加，两种纳米流体的 Zeta 值均先增大后减小，最佳 SDBS 含量分别为 0.1wt％和 0.07wt％。在研究 SDS、CTAB 和 Triton X-100 三种表面活性剂对 Al2O3⁃H2O 纳米流体稳定性的影响时，Zareei 等发现，阴离子表面活性剂 SDS 对纳米流体稳定性的影响大于阳离子和非离子表面活性剂，含有 SDS 的纳米流体的 Zeta 电位值可达 -34.7 mV。
表面活性剂对乙二醇基纳米流体稳定性的影响同样显著。Yu 等发现，加入 PVP的 Cu-EG 纳米流体稳定性大大增强，两个月尚无沉淀产生。一方面，PVP大的空间位阻效应阻止颗粒团聚；另一方面，PVP中氮、氧极性基团贡献孤对电子与铜形成配位作用， 使得纳米流体的稳定性得到增强 。Kamalgharibi 等在研究 SDS、PVP 和 Triton X-100三种表面活性剂对 CuO-EG 纳米流体稳定性的影响时发现，加入 SDS 的纳米流体稳定性最好，对于 0.4wt％的 CuO⁃EG 纳米流体，SDS 的最佳含量为 1.0 vol％。类似地，Shah 等研究了 SDS、SDBS、CTAB 三种离子型表面活性剂对 rGO-EG 纳米流体稳定性的影响，发现表面活性剂的加入提高了纳米流体的 Zeta 电位，其稳定性增强，且加入 1.0 vol％ SDBS 的效果优于 SDS 和 CTAB。Sharma 等在不同聚合物中，优选了与银粒子具有良好亲和力的 PAA-co-AA 作为分散稳定剂，采用化学还原的单步法制备了 Ag-EG 纳米流体。通过分光光度测试和透射电镜测试发现， 分散剂与 AgNO3 的含量均为1000×10-6时，纳米粒子粒径最小。这说明分散剂大的空间位阻效应有效减少了银粒子的聚集。
作为目前重要的冷却介质，水⁃乙二醇混合液体系一直是研究的重点。Kumaresan 等以两步法制备了水⁃乙二醇混合基多壁碳纳米管（MWCNT）纳米流体，发现 SDBS 的加入量为 0.1 vol％时，纳米流体可保持至少三月内无明显沉降。Li等以 PVP 为表面活性剂制备的 ZnO⁃EG/DI 纳米流体中，PVP 的含量为 2.12 wt％ 时，纳米流体稳定 24h 后无沉降。Michael 等同样以 PVP为表面活性剂，制备了 BN-EG 和BN-EG/DW 两种不同基液的纳米流体，发现温度升高，纳米流体的稳定性有所降低，这是因为在纳米颗粒上形成保护层的表面活性剂在高温下容易分离。在评价 PVP、CTAB 和 GA三种表面活性剂对 CNTs-EG/DW 纳米流体稳定性的影响时，Leong 等发现，表面活性剂使碳纳米管表面由疏水改性为亲水，纳米流体 Zeta 电位值明显增大，当纳米粒子和 CTAB含量均为 0.01ｗt％时，纳米流体的 Zeta 电位值最大，纳米粒子间的静电斥力最强，从而其稳定性相对最高。
可以看出，提高不同体系纳米流体稳定性所需表面活性剂的种类和含量有较大差别，其不仅影响稳定性，部分研究中也报道了对导热系数和粘度的影响。上述所有实验结果汇总于表3。
表3 表面活性剂对纳米流体稳定性的影响
2.2 超声处理的影响
超声振荡是改善纳米流体稳定性的另一主要手段。通过超声振荡可以将团簇破坏成更小的颗粒，从而有效地减少凝聚结块。但这种处理对纳米流体稳定性的影响又取决于超声方式、功率、频率和时间。
在研究超声时间对 Mg(OH)2⁃H2O 纳米流体稳定性的影响实验中，Asadi等通过沉降试验发现，加入CTAB 并且超声 30min 的纳米流体无明显分层，静置7d 和30d 后的 Zeta电位仍分别可达 53 ｍV 和 51ｍV，具有很好的稳定性。随着超声时间延长，该纳米流体稳定性反而降低。该团队还研究了探头式超声装置的超声时间对 ＭWCNT⁃H2O 纳米流体稳定性的影响，发现超声时间延长至 60min 有利于样品稳定性的提高，30d 后纳米流体 Zeta电位绝对值保持高于 40ｍV，而超过 60min 稳定性降低。
类似地，Rashmi 等发现经超声处理 4h 的 CNTs⁃H2O纳米流体稳定性最高，继续延长超声时间，其稳定性降低，推测可能为破坏了碳材料结构或分散剂结构所致。在探索不同基液的 CuO 纳米流体制备的过程中，Kamalgharibi 等发现不同基液的纳米流体都有一个最佳超声时间，时间过长会引起大量微小气泡产生，即所谓的气穴，其破裂时释放能量，导致体系不稳定。超声处理 75min 的 CuO⁃H2O纳米流体最稳定，保持 75d 无沉降。Ｍahbubul对 Al2O3⁃H2O 纳米流体体系展开研究，观察到随着超声时间的延长，胶体粒径更小，分散性更高，超声处理 90min 或更长时间可以得到更稳定的纳米流体。而同样对于 Al2O3⁃H2O 纳米流体，Lee 等发现水浴超声处理需长达 5h 纳米流体才具有最佳稳定性，测得其 Zeta 电位在 35mV 左右。随超声时间进一步延长，其 Zeta 电位绝对值降低，稳定性也降低。
除了超声时间外，超声方式也会对纳米流体稳定性产生影响。Tajik 等分别对 Al2O3⁃H2O 和 TiO2⁃H2O 纳米流体进行连续和非连续脉冲超声处理，结果表明，非连续脉冲并不能将所有大块团簇打碎，48h 便会出现明显沉降。在超声时间相近的情况下，连续脉冲制备的纳米流体比间断脉冲制备的纳米流体更稳定。Silambarasan 等发现经探针脉冲式超声处理 7h 的 TiO2⁃H2O 纳米流体粒径分布在更小的范围，稳定性更好。但是超声处理的时间明显比其他探针式处理更长。超声处理对纳米流体稳定性的影响列于表4。
表4 超声处理对纳米流体稳定性的影响
显然，从上述结果知：（1）超声时间往往存在一个最佳值。最佳超声时间下的纳米流体分散性好、稳定性高，超过此值，反而会引起纳米颗粒团聚。（2）不同纳米流体体系的最佳超声时间不同，往往会相差数分钟至数小时。（3） 超声方式不同，分散效果不同。探头式与水浴式超声处理的时间往往相差较大。水浴式超声处理甚至可达数小时，并且效果一般不及探头式。
值得注意的是，超声处理过程中会产生大量的热，而有研究显示，超声作用引起的升温会影响纳米流体的总体积和浓度以及其他一些不利影响。因此，超声处理一般需要对体系进行冷却。
2.3 pH的影响
纳米粒子间的 van der Waals 引力和静电斥力的强弱很大程度上影响纳米流体的稳定性。研究人员多采用 DLVO理论解释这一现象。通过调节 pH 值能使纳米粒子表面均匀带上某种电荷，当产生的静电斥力作用大于粒子间的吸引力时，纳米粒子就会在基液中良好稳定分散。
Wang 等以 HCl 和 NaOH 调节 pH值，研究了 pH值变化对 Al2O3⁃H2O 和 Cu⁃H2O 两种纳米流体稳定性的影响，发现随着 pH值增大，纳米流体的 Zeta 电位值和吸光度均增大，粒子表面的静电斥力超过了 van der Waals 引力，从而使纳米流体稳定。两种纳米流体分别在 pH=8.0 和 pH=9.5 时最稳定。pH值继续增大，会因引入的 Na+浓度增大压缩双电层使 Zeta 电位降低，从而使纳米流体稳定性下降。在利用 DLVO 理论研究 pH 对不同质量浓度 Al2O3⁃H2O 纳米流体稳定性的影响时，Zareei 等发现， 当 Al2O3 含量分别为 0.05wt％、0.1wt％和 0.2wt％时，其等电点分别在 pH为 9.5、10.5 和 10.2获得，且均在 pH=4 时测得最大 Zeta 电位值，说明此时纳米流体最稳定。pH=10 时，最接近等电点，Zeta 电位值最小，纳米流体有更大的沉降团聚倾向。
Shah 等在研究 pH 对 rGO⁃EG 纳米流体稳定性的影响时发现，pH 值受表面活性剂种类和含量的影响较大。对于SDS 和 SDBS，纳米流体的 pH会随其含量增加呈整体增大趋势，当 rGO 和 SDBS 的含量均为 0.05 vol％时，其Zeta 电位绝对值甚至达到 73.2 ｍV，稳定性最高，此时 pH 在 7.2~7.3 间。Zhang 等以 NaOH 和 HNO3 调节纳米流体的 pH 值，研究了pH 在 2~12 变化时对 TiO2⁃H2O 体系稳定性的影响。结果表明，pH 在 4.5~8.5 时，纳米流体极不稳定，只能保持 1d 无沉降，而当 pH=12 时，纳米流体的稳定性最优，30d 后尚未出现明显沉降。显然纳米流体离测定的等电点（ pH=6.5）越远，其稳定性越好。
以 NaOH 和 HCl 同样调节纳米流体 pH 在 2~12 间变化，Cacua 等发现 Al2O3⁃H2O 纳米流体中加入 SDBS 时，即使 pH 在 2~12 间变化，Zeta 电位值始终保持在-30ｍV 左右；而加入 CTAB 时，Zeta 电位值仅在 pH 为2~6 时维持在 30 ｍV左右，继续增大 pH，Zeta 电位值减小，纳米流体稳定性降低。显然加入 SDBS 的纳米流体的适用 pH 区间比 CTAB 更广，其稳定性效果也更优。Wamkam 等测得 ZrO2⁃H2O 纳米流体的等电点在 pH=6.2 左右，继续增大 pH，纳米流体的 Zeta 电位绝对值不断增大，纳米粒子的平均粒径变小，稳定性提高。而 TiO2⁃H2O 纳米流体的等电点在 pH=4.5 左右，在 pH=8.5时，其 Zeta 电位绝对值最大、粒径最小。该结果进一步证明了纳米流体稳定性受 pH 影响较大，pH 在等电点附近变化时，纳米流体有更大的团聚趋势。类似地，Yousefi 等在研究 pH 对 MWCNT⁃H2O 纳米流体的影响时，也得出了 pH 应调节在远离等电点的结论。上述实验结果汇总于表5。
表5 pH对纳米流体稳定性的影响
03 纳米流体基础热物性研究
导热系数和粘度这两个基础热物性是评价纳米流体性能的重要指标。其中，测量导热系数常用的方法一般是瞬态热线法（THW）和瞬态平面源法（TPS）。但瞬态热线法应用更为广泛，因为其用时足够短，消除了自然对流效应的影响，并且响应迅速准确。
对于水基型纳米流体，Das 等测试了不同纳米粒子含量和不同温度下 Al2O3⁃H2O 纳米流体的导热系数和粘度。结果表明，导热系数随温度和纳米粒子含量单调增加。其中，温度对导热系数的影响归结为布朗运动的增强。表面活性剂的加入也使得纳米流体的粘度增大。Asadi 等则对Mg(OH)2⁃H2O 纳米流体的热物性展开研究，同样发现导热系数随温度和纳米粒子体积分数的增加而增大。在各体积分数下，导热系数增加均随超声时间延长而呈现减小趋势。这与该实验中超声时间延长反而使稳定性降低的结果相符。Rashmi 等利用瞬态热线法测定 CNTs⁃H2O 纳米流体的导热系数，发现导热系数受温度影响较大，25℃时，导热系数随CNTs 浓度线性增大， 但温度升到 60℃， CNTs 浓度达到 0.1wt％时，导热系数剧增，提高了 250％。
对于乙二醇基纳米流体，Yu 等发现 Cu-EG 纳米流体的导热系数随温度的变化情况与 Rashmi 等的结果高度一致。当温度不高于 30℃ 时，纳米流体的导热系数随温度线性增大。0.5vol％的纳米流体在 10℃时导热系数较基液增大8％，而在 50℃ 时可增大 46％。Shah 等发现，对于 RGO⁃EG 纳米流体，表面活性剂的加入增大了纳米流体的稳定性和导热系数，同时也获得了低粘度，这与 Yu 等得出的表面活性剂使导热系数和粘度同时增大的结果是不同的。在对单步法制备的 Ag⁃EG 纳米流体的研究中，Sharma 等发现纳米流体的导热系数随 AgNO3添加量增加而增大，当 AgNO3 含量为1000×10-6时，导热系数增大10％，并且 30d 后，增幅仍能保持在 9％。
对于应用广泛的水⁃乙二醇体系，Kumaresan 等发现ＭＷCNT⁃EG/DW 纳米流体的导热系数随温度的升高呈整体增大趋势，但 0~25℃ 的低温度区间内有所波动，这是因为ＭWCNT 的加入使得粘度增大，抑制了布朗运动引起的微对流效应。Li等在对 ZnO⁃EG/DI 纳米流体进行研究时发现，对于 EG/DI 比不同的三种基液，分散于含水比例更高的 75EG/25DI 基液中的纳米流体的导热系数更大。因为水中分子形成更松散的动态结构，空间结构中强烈的原子振动和碰撞加速了热传递。Ｍichael 等对比研究 BN-EG 和BN⁃40EG/60DW 两种不同基液的纳米流体发现，随着纳米粒子浓度的增加，BN 纳米流体的热导率增加，以 3.0vol％的 BN分散在 EG 和 40EG/60DW 中形成的纳米流体的导热系数最大分别增加 15.5％和 12.5％。此外，在 30~60℃ 的范围内，BN 纳米流体的热导率增加几乎不受温度的影响，这与许多文献中发现的热导率增强与温度有关相反，但也与部分研究结果一致 。Leong 等在测量 CNTs-EG/DW 纳米流体的导热系数后，得出了表面活性剂的种类及含量也会影响导热系数的结论。在 0.5wt％的 CNTs-EG/DW 纳米流体中加入0.5wt％GA、PVP 和 CTAB，其导热系数分别增大了 25.7％、18.4％和 16.0％。
可以看出，温度和纳米粒子体积分数对纳米流体的导热系数有较大影响，在部分研究中也发现表面活性剂也会影响导热系数，此外，有研究表明，导热系数还与纳米流体体系的 pH 有关。Wang 等制备了 Al2O3⁃H2O 和 Cu-H2O两种纳米流体，前者 pH 值小于 8 时，导热系数随 pH 增大而增大，继续增大 pH 值，导热系数反而降低；后者有同样的变化趋势，但不同的是导热系数在 pH=9.5 时最大。Zhang 等则展开了对 TiO2⁃H2O 体系的研究，发现 pH=12 的最稳定的纳米流体并未取得最高的导热系数，而是 pH=10 时的纳米流体的导热系数最大。不同体系纳米流体的基础热物性汇总于表6。
表6 纳米流体的基础热物性
04 纳米流体对流换热特性研究
纳米流体不仅需要有高导热系数，还需具备强的对流换热能力，其作为传热流体的实际用途是由对流传热系数决定的。与以导热系数为重点的研究不同，纳米流体对流换热的研究还需要进行流动状态下更细致的探索。
Li 等对 ZnO-EG/DI 纳米流体进行研究发现，其对流换热系数随着加热功率的增加而增大，并且含水比例更高的ZnO⁃75EG/25DI 纳米流体的对流换热系数明显高于 ZnO⁃85EG/15DI和 ZnO⁃95EG/5DI，但仍然低于基液。这是因为纳米颗粒的存在使自然对流换热发生了劣化，热边界层的扩张和乙二醇的加入引起了热阻。Wen 等报道了由不同粒径的 γ⁃Al2O3 纳米颗粒和去离子水组成的纳米流体在层流状态下通过铜管的对流换热实验。结果表明，对流换热系数随着 Al2O3 纳米颗粒体积浓度的增大而增大，且远高于导热系数增大值。这种增强现象在进口区域尤为显著。Ding 等发现 ＭＷCNT-H2O 纳米流体在水平管内流动时，对流换热有明显增强作用，而该增强作用除与碳纳米管浓度和 pH 值有关外，还受流动条件影响。对流换热系数增量是入口轴向距离的函数，随着轴向距离的增加，对流换热系数达到最大值，然后减小。最大增量的轴向位置随着碳纳米管浓度和雷诺数的增加而增加。对于含有 0.5wt％碳纳米管的纳米流体，在雷诺数 800 时，对流换热系数最大增强达到 350％以上，这不能完全归因于增强的热传导， 因为相同条件下导热系数最大增强不超过 37％，如此大的增加也与剪切减薄行为相对应，纳米颗粒的存在导致热边界层厚度降低，使传热能力增强。
Selvam 等则研究了体积分数为 0.05％~0.45％的 Ag-30EG/70DW 纳米流体在层流、过渡和湍流状态下的对流换热特性，发现 45℃ 时，0.45 vol％的纳米流体的对流传热系数较基液增大了 42％，并且湍流状态下的换热系数增大更为明显。
在研究 TiO2⁃H2O 纳米流体在层流和湍流状态下通过垂直管道向上流动时的传热和流动行为时，He 等发现在给定雷诺数和颗粒尺寸的条件下，无论层流还是湍流区，纳米颗粒浓度对对流换热系数的影响都显著增大，且颗粒浓度的影响在湍流区更为显著。而 Hwang 等研究了完全层流状态下 Al2O3⁃H2O 纳米流体在均匀加热圆管中的对流换热特性，发现 0.3vol％ 的纳米流体的对流传热系数较基液增加8％。此外，实验结果表明，对流换热系数的提高幅度远超过导热系数。这与 Wen 等的研究结果中，对流换热系数增幅高于导热系数增幅是一致的。速度分布的扁平化可能是对流换热系数增大超过导热系数增大的机制。
可以看出，形成稳定的纳米流体后，不仅使得基液的导热系数增大，还会使流动状态下的换热能力增强，表现为对流换热系数的大幅提高，且对流换热系数增大值往往高于导热系数增大值。流动状态下的传热能力增强机制较复杂，流动状态、剪切速率、布朗扩散和热泳等多种因素均对纳米流体的对流换热系数有影响。
纳米流体强化传热的研究大多集中在对流动状态和布朗运动等的探索。Wen 等研究了不同流动状态下 Al2O3⁃H2O 纳米流体的传热性能，纳米流体在层流状态下通过铜管，雷诺数在 500~2100 间变化，并考察了径向距离的影响。相对纯水，纳米流体的使用显著改善了对流换热，特别是在近入口区域和较高雷诺数处性能提升明显。对于含 1.6vol％纳米粒子的纳米流体，在距入口位置 285 ｍｍ 处，其在雷诺数1050 时的局部传热系数较纯水提高 41％，而在雷诺数 1600时，局部导热系数提高 47％。
Bahiraei 等考察了颗粒迁移对 TiO2⁃H2O 纳米流体在圆管内浓度分布和对流换热系数的影响，发现雷诺数的增加会使浓度分布更加不均匀。这是因为雷诺数的增加会导致压力梯度的增加，从而导致剪切速率的增加，这可能会导致粒子在管中心更多的堆积，使中心区域粘度增加，进而使纳米流体在中心区域的速度减小，而在靠近壁面的地方速度增加，对流换热能力增强。该研究还发现热泳影响纳米流体的颗粒分布，颗粒在管壁截面上的分布是不均匀的，管壁中心区域的浓度值较大，增加雷诺数会加剧这种不均匀性。而考虑热泳后，浓度分布变得更加不均匀。但热泳导致的平均浓度越大，对流换热系数越大，且实验结果与数值计算结果吻合较好。
Yu 等对体积比为 45：55 的 45EG/55DW 基 Al2O3 纳米流体的流变行为和传热性能展开研究，发现纳米流体性质受温度的影响，进而影响导热系数。0.2vol％的纳米流体在45℃以上表现为牛顿流体，而在 45℃以下为非牛顿流体，此时剪切应力与剪切速率之间并不是严格的线性关系。一种液体的剪切应力和剪切速率之间的关系决定了其流动行为。温度较高时，流体粘度降低，剪切应力同样降低，边界层厚度减小，使得其传热能力增强。
将不同流动状态下，纳米流体的传热能力汇总于表7。
表7 纳米流体的对流换热性能
05 纳米流体强化传热机理
相比于纯水、乙二醇等基液，纳米流体具有更高的导热系数，因此其在传热领域应用前景广阔，但相对于纳米流体的性能和应用研究，对导热系数增大机理的研究目前报道相对较少。
5.1 固液界面形成纳米层的机理
Pang 等发现液体分子靠近固体粒子形成一个有序的类固体结构层，其被称为纳米层。它在固体颗粒和液体分子之间建立了一个热桥，提高了纳米流体的热导率。而 Keblinski 等报道纳米层的排列比基液的排列有序，另一方面，两纳米层之间存在界面阻力，在强化传热中反而起到阻碍作用，这种阻碍被称为 Kapitza 抵抗。然而，也有研究表明，这种阻力并不会导致固体／ 液体界面的传热明显减少。显然，关于纳米层的机理争议较大，未来需要进行更多的实验验证。
5.2 纳米粒子团簇机理
由于粒子间的范德瓦尔斯引力，粒子以粉状或分散在液体中聚集在一起的趋势被称为聚集或聚集。一些研究人员注意到，纳米颗粒的聚集对热导率有积极和消极的影响。Keblinski 等首次提到纳米颗粒聚集对纳米流体导热性的积极影响。他们观察到，与无粒子区相比，纳米团簇中局部富粒子区的形成导致了高的热传输速率。粒子的聚集形成了低热阻的途径，从而提高了热导率。纳米颗粒浓度越高，由于颗粒间距离越小，团聚现象越明显，但强范德华力引起的团聚又会使纳米流体发生沉降，影响其应用，因此该机理也未能得到广泛认可。
5.3 热泳
热泳是在纳米流体中观察到的一种现象，不同类型的粒子对温度梯度所显示的力的反应不同。当粒子从高温区向低温区运动时，热扩散为正，反之为负。热泳与温度梯度有关，热泳运动往往和布朗运动共同作用，从而影响纳米流体的导热能力。目前对纳米流体中热泳现象的研究较少。
5.4 认可度较高的机理
目前公认的导热系数增大机理有两个，一是纳米颗粒的加入使原来基液的结构发生了改变，加上固体纳米颗粒的导热系数远大于基液的导热系数，这就增强了纳米流体内部的热量传递过程，使其导热系数提高；二是由于布朗力、范德华力、周围液体分子轰击等力的作用，纳米颗粒的高比表面积导致其更容易发生随机运动，纳米流体中的纳米颗粒时时刻刻在做着无规则的微运动，这种微运动使得微对流现象存在于纳米颗粒与液体之间，粒子在液体中移动并可能发生碰撞，从而增强了纳米颗粒与液体之间的热传递过程，使其导热系数提高。
显然，纳米流体导热系数增大的关键在于纳米粒子的引入，纳米粒子本身较高的导热系数使得基液的传热能力增强；纳米级别足够小的粒径又增大了粒子与基液相互作用的频率。
大量实验研究表明，对流传热系数的增幅往往高于导热系数的增幅。这意味着除了导热系数增量外，还有其他因素影响着对流换热系数。Wen 等认为对流传热系数可以表示为导热系数与热边界层厚度的比值，如式（1） 所示。导热系数的增大和热边界层厚度的减小，都会使对流传热系数增大。
（1）
Wen 等利用一个理论模型研究了纳米流体在管内流动时的颗粒迁移及其对传热的影响。纳米颗粒的存在会影响管道流动的边界层发展，特别是对于相对较大的颗粒。由于较大的速度梯度，颗粒在入口区域的迁移将更加显著，热边界层厚度减小，因此对流换热系数明显增大。颗粒对边界层发展的影响也被认为是湍流条件下颗粒流动强化传热的主要机制。
综合考虑现有研究成果，可以看出纳米流体能够使对流换热系数大幅增大。而这一现象与纳米粒子本身导热系数大的性质和流动条件密切相关。导致对流换热能力增强的因素可以归结为以下几点：（1）静态条件下导热系数的增强；（2）动态条件下导热系数的进一步增强（剪切诱导）；（3）热边界层厚度的减小和边界层发展延迟；（4）管道截面的非均匀剪切率导致的颗粒重排。
06 纳米流体的应用
因为优异的传热性能，纳米流体已发展成一种新型导热介质来满足热系统高负荷的传热冷却要求，甚至微尺度条件下的强化传热要求。目前已有将纳米流体应用于汽车行业、化工工业、空调制冷、太阳能集热和微通道散热器等不同领域的报道，如图2 所示。
图2 纳米流体在不同领域的应用
6.1 汽车行业应用
近年来，纳米流体在壳管式、双管式、平板式等不同类型换热器中的传热研究受到越来越多的关注。
Chen 等将 TiO2⁃85EG/15DW 纳米流体用作发动机冷却液，发现与不含纳米颗粒的传统冷却液相比，添加 1.0wt％ TiO2 的纳米流体冷却液可实现约 3％的热导率增强和 10％以上的对流换热增强。同时，缓蚀性能研究表明其具有良好的金属腐蚀防护能力，流体中的纳米颗粒在循环工况下对铝泵无损伤。Kole 等在发动机冷却液中加入 Al2O3 纳米粒子制成新的纳米流体冷却液，发现仅含0.035 vol％的 Al2O3 纳米流体比基液具有更高的导热系数，室温下便提高 10.41％。Sahoo等以本含有 Al2O3 粒子的乙二醇⁃盐水混合液为基液，在此基础上加入 Ag、Cu、SiC、CuO 和 TiO2 等纳米粒子形成混合型纳米流体冷却液，研究了其在翅片平板管式汽车散热器中的传热特性。结果表明，Ag+Al2O3 混合纳米流体的对流换热系数和导热系数均提高，但同时压降也急剧增大，而SiC+Al2O3 混合纳米流体综合各项性能最优，为最佳的散热器冷却液。Hussein 等则分别研究了汽车散热器中的TiO2⁃H2O 和 SiO2⁃H2O 两种纳米流体在层流状态下的强化传热能力，发现与纯水相比，纳米流体的强化传热效果显著，两者的换热能力分别提高 11％和 22.5％。这种强化传热的方法有望使汽车散热器更小、更轻，从而降低成本。
6.2 微通道散热器应用
电子系统中散发的大量热量必须有效地消除以防止过热和芯片故障。使用微通道液冷是替代笨重的铝散热器的一种有吸引力的方法。与传统散热器需要大的表面积来增加散热率不同，这些通道可以直接集成到芯片中，而使用纳米流体代替传统的冷却介质可以进一步增强冷却效果。
Ｍohammed 等研究了 Al2O3、Ag、CuO、金刚石、SiO2 和TiO2 六种不同类型的水基纳米流体对铝质三角形微通道散热器传热性能和流动特性的影响。其中金刚石⁃H2O 纳米流体具有最高的对流传热系数和最小的热阻，Ag⁃H2O 纳米流体则观察到最小的压降和管壁剪切应力，相比于纯水，此两种纳米流体性能明显提高。Farajollahi对 TiO2⁃H2O 和Al2O3⁃H2O 纳米流体在管壳式换热器中的传热行为进行研究，发现纳米颗粒的加入增强了基液的传热性能，不同的是，TiO2⁃H2O 和 Al2O3⁃H2O 纳米流体分别在较低和较高体积浓度下具有较好的传热性能。Chein 等分析了使用 Cu⁃H2O纳米流体作为冷却液的硅质微通道散热器的性能，发现由于导热系数和热分散效应增加，微通道散热器的换热性能增强，并且未产生额外的压降。而该团队后续研究 CuO⁃H2O 纳米流体对硅质微通道散热器的影响时发现，低流速时，纳米流体吸收比纯水更多的热量，而高流速时，传热主要受流速控制，纳米粒子产生的效果较小。
大量研究结果展示了利用微通道与纳米流体相结合的散热器作为下一代冷却装置去除超高热流密度的潜力。
6.3 太阳能集热器应用
太阳能集热器是将太阳辐射能转化为传输介质内能的一种特殊的热交换器。其强化传热是实现节能的关键问题之一。目前已有将各种纳米流体应用于太阳能集热器的研究工作。
然而，即便是最经济有效的“平板型” 太阳能集热器，它们的效率也相对较低。Tyagi 等将非聚光直接吸收太阳能集热器（DASC）与典型平板集热器的性能进行了比较，发现以 Al⁃H2O 纳米流体为工作介质的太阳能集热器对入射辐射的吸收比纯水增加了 9倍以上，而效率比常规平板集热器高 10％。Yousefi 等研究了 Al2O3⁃H2O 纳米流体对平板式太阳能集热器效率的影响。结果表明，与以水为吸收介质相比，含量为 0.2wt％ 的 Al2O3⁃H2O 纳米流体的效率提高了28.3％。在研究 ＭＷCNT⁃H2O 纳米流体的 pH 变化对平板式太阳能集热器效率影响的实验中，该团队又得出了随着pH 值远离等电点变化，太阳能集热器效率增加的结论。
而对于塔式太阳能集热器，Taylor 等发现纳米流体可以使其效率提高 10％。0.001％ 量级以下的石墨烯⁃导热油（VP⁃1）纳米流体便可适用于 10~100 MWe 的塔式太阳能集热器。随后，该团队又发现对于 CNTs⁃H2O 纳米流体，在极低的体积分数下，便可吸收超过 95％的入射光，而粘度和泵送功率的增加可以忽略不计，是优异的太阳能集热器工作介质。
07 结语与展望
自 Choi 等 1995 年首次提出纳米流体的概念以来，纳米技术与热能工程这一传统领域已经创新性地结合起来。20多年中，已经发展了金属粒子、金属氧化物粒子及碳纳米材料等多种不同分散相分散于水、乙二醇、水⁃乙二醇混合液等基液中形成的纳米流体。
本文介绍了纳米流体的制备方法，总结了表面活性剂处理、超声处理及 pH 调节等技术手段对稳定性的影响。在此基础上，进一步分类介绍了纳米流体的基础热物性和对流传热特性的改善情况，阐述了纳米流体强化传热机理，最后介绍了纳米流体在部分领域的应用。
纳米流体在强化传热领域的前景巨大，但目前无论实验还是理论研究都受到一定的限制。实验工作的限制，主要是颗粒的团聚与稳定性问题；而理论研究中，数值模拟需要更精确的模型。此外，实验条件、工艺参数、材料性质等潜在因素差异导致不同研究的实验结果有所不同，缺乏统一的评价标准。未来研究的重点一是实现纳米流体的长期分散稳定和高换热特性，以实现其规模化应用；二是建立合适的模型，用于纳米流体的性能预测与理论解释。
参考文献 略
原文信息 http://www.mater-rep.com/CN/Y2021/V35/Iz2/540
