雜化納米流體的制備及熱導率研究

席洋洋，高玉國，司愛國

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雜化納米流體的制備及熱導率研究

席洋洋，高玉國*，司愛國

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450000）

近年來，隨著人們對納米流體作為傳熱流體的興趣和需求的增加，納米流體的研究也越來越多，雜化納米流體作為新型納米流體也逐漸進入研究者的視野。導熱性能是研究納米流體的關鍵，關于影響熱導率的參數對雜化納米流體熱導率的影響，文獻中有許多不統一的結果。文章對雜化納米流體的制備及其熱導率的研究進行了文獻綜述，討論了納米粒子類型、溫度、納米粒子濃度等關鍵參數對導熱系數的影響。文章還綜述了不同研究中提出的預測雜化納米流體導熱系數的數學模型。

雜化納米流體；制備；熱導率；數學模型

引言

納米流體由具有納米尺寸顆粒的流體組成。設備的持續小型化和使用微通道和鰭片等擴展表面的熱負荷控制技術已經達到了極限。因此，在高通量應用中管理這些熱負荷是一個具有挑戰性的問題。同時水和乙二醇等傳熱流體的導熱性較低，傳熱能力有限。為了提高傳統流體的傳熱能力，研究者將納米顆粒加入基液中，使其傳熱性能得到顯著提高。目前大部分納米流體都是由一種納米顆粒與基液形成的單一納米流體，在實際操作中，一種材料不可能具有為特定目的而必須具備的所有積極特性。為了進一步改善單一納米流體的特性，使其具有一些更有利的性質，雜化納米流體應運而生，人工合成的混合納米材料具有單組分或單材料所不具備的優異性能。與單組分納米流體相比，雜化納米流體具有更好的流變特性、物理強度、化學穩定性等性能，此外，由于協同效應，這些雜化納米流體與單一納米流體相比具有較高的導熱系數[4]。近年來，納米復合材料的制備取得了很大的進展，研究者們對納米雜化流體制備及其特性進行了深入研究。本文總結了近幾年國內外雜化納米流體的研究情況，旨在為以后的研究提供一定的幫助。

1 雜化納米流體的制備

了解到雜化納米流體可能產生的優勢和廣闊前景之后，研究人員嘗試將各種納米粒子雜化添加到基液中制得雜化納米流體。但雜化納米流體的制備過程不盡相同，而納米流體的換熱性能很大程度上取決于基液的性質和納米顆粒的大小、形態、濃度，以及溶液的PH，穩定劑的使用，這些因素都與納米流體的制備過程密切相關。目前合成納米流體通常采用一步法和兩步法。兩步法因具有成本效益和大規模生產雜化納米流體的能力而得到了廣泛的應用。同時制備雜化納米流體的方法有兩種：(a)將兩種或兩種以上的納米顆粒直接雜化在基液中；(b)將雜化納米顆粒(納米復合材料)分散在基液中。以下是一些研究人員關于雜化納米流體制備的研究結果。

Balla 等[1]使用兩步法，先合成平均尺寸為50nm的CuO-Cu混合納米粒子，后將它們懸浮在基液中，制備了不同的雜化納米流體。為了確保納米顆粒在基液中很好的雜化和分散，采用了超聲分散，在合成過程中沒有使用添加劑和穩定劑。

Munkhbayar等[2]利用一步法制備了Ag/MWCNT雜化納米流體。首先，采用濕磨法制備了MWCNTs/水納米流體。采用脈沖線蒸發法制備納米銀，將制備的納米銀分散在MWCNTs/水納米流體中。最后，獲得了基于水（去離子）的Ag / MWCNT的納米流體。

Jana等[3]通過將不同比例的CNTs與水雜化，合成了CNT懸浮液。之后，將金納米粒子(AuNP)與去離子水雜化形成AuNP懸浮液。將這些AuNP懸浮液與不同類型的CNTs懸浮液雜化，形成雜化CNT-AuNP懸浮液。為提高納米顆粒在水中的分散性，采用超聲波清洗儀。

2 雜化納米流體導熱系數的研究進展

導熱系數是衡量流體強化換熱性能的一項重要指標，提高液體的導熱系數也是研究納米流體的首要目的。關于雜化納米流體導熱系數，研究人員也做了大量的研究。

Farbod和Ahangarpour[4]制備了含有被銀納米顆粒修飾的MWCNTs的雜化納米流體。結果表明，MWCNTs-Ag納米流體的導熱系數比未修飾的納米流體大0.16-8.02%。Baghbanzadeh 等[5]制備了水基SiO2/MWCNT雜化納米流體，發現雜化納米流體熱導率的增加介于兩種單一納米流體熱導率的增加之間。Jana等[3]制備了水基CNT-AuNP雜化納米流體，結果發現雜化納米流體不能很好的提高熱導率，因為兩種納米粒子之間沒有積極的協同作用。

3 影響雜化納米流體導熱系數的因素

3.1 溫度對導熱系數的影響

溫度顯著影響雜化納米流體的導熱性。通過提高溫度來增強顆粒的布朗運動，這又提高了導熱性。幾乎所有的研究人員都同意通過提高溫度來提高導熱系數。

Esfahani等[6]考察了體積分數和溫度對ZnO-Ag /水雜化納米流體導熱系數的影響。體積分數為2％時，當溫度從25℃升至50℃，雜化納米流體的導熱系數從0.663增加到0.788W/ m K。Hamid 等[7][8]通過改變溫度來研究（SiO2-TiO2 /水和乙二醇）的熱導率增強。在[8]中獲得了13.8％的增強，通過將溫度從70℃升高到80℃，在[7]中進一步提高到16％。

然而，高溫會降低由表面活性劑產生的納米顆粒之間的排斥力而產生聚集，從而導致產生具有低導熱率的較不穩定的雜化物。Farbod和Ahangarpour[4]通過將溫度升高來提高（Ag-MWCNTs）的導熱率，但溫度高于40℃之后會導致納米流體的導熱率降低。

3.2 納米粒子濃度對導熱系數的影響

納米粒子的濃度與熱導率呈線性關系。這種趨勢可歸因于納米添加劑的高導熱性。在相同溫度（50℃）下，納米粒子由體積分數從0.125增加到2％，（ZnO-Ag）雜化納米流體的熱導率從0.649增加到0.788W/m K[6]。Hamid等[8][9]實驗得出(TiO2-SiO2/水和乙二醇)雜化納米流體的導熱系數在濃度為1%，導熱系數增強了13.8%[9]，在相同溫度下，濃度提高到3%，雜化納米流體的導熱系數進一步提高了22.1%[8]。

4 預測雜化納米流體導熱系數的模型的研究

表1 雜化納米流體導熱系數模型及最大偏差

φ：體積分數/%；T：溫度/℃

不同的研究者在一定的溫度和納米顆粒濃度范圍內建立了預測特定雜化納米流體導熱系數模型。熱導率預測的不同模型及其最大偏差如表1所示。

5 結論

①雜化納米流體的導熱系數比基液的導熱系數都要高，且雜化納米流體的導熱系數隨著溫度和納米粒子濃度的增加而增加。但對熱導率的增強，溫度和納米粒子濃度存在一個最大值，溫度和納米粒子濃度超過最大值之后，會觀察到雜化納米流體導熱系數的減小。

②大多數雜化納米流體的導熱系數都比單一納米流體的導熱系數有一定的增加，但也有雜化納米流體的導熱系數沒有單一納米流體的導熱系數大，原因在于雜化的兩種納米顆粒沒有很好的協同作用，這是在今后的研究中需要注意的問題。

③雜化納米流體導熱系數的預測模型根據添加的納米粒子的種類而有很大的差別，為了更準確地預測雜化納米流體的導熱系數，還需要進一步的工作來建立模型。

[1] H.H. Balla, S. Abdullah, W. MohdFaizal, R. Zulkifli, K. Sopian. Numerical study of the enhancement of heat transfer for hybrid CuO-Cu nanofluids flowing in a circular pipe. Journal of Oleo Scien -ce. 62 (7) (2013), 533-539.

[2] B. Munkhbayar, M.R. Tanshen, J. Jeoun, H. Chung, H. Jeong. Surfactant-free dispersion of silver nanoparticles into MWCNT- aqueous nanofluids prepared by one-step technique and their thermal characteristics. Ceramics International 39 (2013) 6415-6425.

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[5] M. Baghbanzadeh, A. Rashidi, D. Rashtchian, R. Lotfi, A. Amrollahi. Synthesis of spherical silica/multiwall carbon nanotubes hybrid nanostructures and investigation of thermal conductivity of related nanofluids. Thermochimica Acta 549 (2012) 87-94.

[6] N.N. Esfahani, D. Toghraie, M. Afrand. A new correlation for predi -cting the thermal conductivity of ZnO-Ag (50%-50%)/water hybrid nanofluid: an experimental study. Powder Technology 323 (2018) 367-373.

[7] K.A. Hamid, W.H. Azmi, M.F. Nabil, R. Mamat, K.V. Sharma. Experimental investigation of thermal conductivity and dynamic viscosity on nanoparticle mixture ratios of TiO2-SiO2 nanofluids. International Journal of Heat and Mass Transfer 116 (2018) 1143-1152.

[8] K.A. Hamid, W.H. Azmi, M.F. Nabil, R. Mamat. Experimental investigation of nanoparticle mixture ratios on TiO2-SiO2 nanoflui -ds heat transfer performance under turbulent flow. International Journal of Heat and Mass Transfer 118 (2018)617-627.

[9] K.A. Hamid, W.H. Azmi, M.F. Nabil, R. Mamat. Improved thermal conductivity of TiO2-SiO2 hybrid nanofluid in ethylene glycol and water mixture. IOP Conference Series: Materials Science and Eng -ineering. 257 (2017) 12067.

[10] S. Sarbolookzadeh Harandi, A. Karimipour, M. Afrand, M. Akbari, A.D'Orazio. An experimental study on thermal conductivity of F- -MWCNTs-Fe3O4/EG hybrid nanofluid: effects of temperature and concentration.International Communications in Heat and Mass Tra -nsfer 76 (2016) 171-177.

Preparation And Thermal Conductivity Of Hybrid Nanofluids

Xi Yangyang, Gao Yuguo*, Si Aiguo

( North China University of Water Resources and Electric Power, Henan Zhengzhou 450000 )

In recent years, with the increasing interest and demand for nanofluids as heat transfer fluids, the research of nanofluids has become more and more. Hybrid nanofluids have gradually entered the field of researchers as new nanofluids. Thermal conductivity is the key to the study of nanofluids. There are many inconsistent results in the literature on the effects of parameters affecting thermal conductivity on the thermal conductivity of hybrid nanofluids. In this paper, the preparation of hybrid nanofluids and their thermal conductivity are reviewed in the literature. The influence of key parameters such as nanoparticle type, temperature and nanoparticle concentration on thermal conductivity is discussed. This paper also reviews the mathematical models for predicting the thermal conductivity of hybrid nanofluids proposed in different studies.

hybrid nanofluid; preparation; thermal conductivity; mathematical model

U462

A

1671-7988(2019)05-147-03

U462

A

1671-7988(2019)05-147-03

席洋洋（1993-）男，華北水利水電大學，碩士研究生，研究方向：納米流體的流動與傳熱。

高玉國（1978-），博士，副教授，碩士生導師，研究方向：清潔能源與新材料的理論與應用研究。司愛國 (1968-)，男，副教授，碩士生導師，研究方向：車輛工程。

國家自然科學基金資助項目（51306060）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.045