杂化纳米流体的制备及热导率研究

席洋洋，高玉国，司爱国



杂化纳米流体的制备及热导率研究

席洋洋，高玉国*，司爱国

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

近年来，随着人们对纳米流体作为传热流体的兴趣和需求的增加，纳米流体的研究也越来越多，杂化纳米流体作为新型纳米流体也逐渐进入研究者的视野。导热性能是研究纳米流体的关键，关于影响热导率的参数对杂化纳米流体热导率的影响，文献中有许多不统一的结果。文章对杂化纳米流体的制备及其热导率的研究进行了文献综述，讨论了纳米粒子类型、温度、纳米粒子浓度等关键参数对导热系数的影响。文章还综述了不同研究中提出的预测杂化纳米流体导热系数的数学模型。

杂化纳米流体；制备；热导率；数学模型

引言

纳米流体由具有纳米尺寸颗粒的流体组成。设备的持续小型化和使用微通道和鳍片等扩展表面的热负荷控制技术已经达到了极限。因此，在高通量应用中管理这些热负荷是一个具有挑战性的问题。同时水和乙二醇等传热流体的导热性较低，传热能力有限。为了提高传统流体的传热能力，研究者将纳米颗粒加入基液中，使其传热性能得到显著提高。目前大部分纳米流体都是由一种纳米颗粒与基液形成的单一纳米流体，在实际操作中，一种材料不可能具有为特定目的而必须具备的所有积极特性。为了进一步改善单一纳米流体的特性，使其具有一些更有利的性质，杂化纳米流体应运而生，人工合成的混合纳米材料具有单组分或单材料所不具备的优异性能。与单组分纳米流体相比，杂化纳米流体具有更好的流变特性、物理强度、化学稳定性等性能，此外，由于协同效应，这些杂化纳米流体与单一纳米流体相比具有较高的导热系数[4]。近年来，纳米复合材料的制备取得了很大的进展，研究者们对纳米杂化流体制备及其特性进行了深入研究。本文总结了近几年国内外杂化纳米流体的研究情况，旨在为以后的研究提供一定的帮助。

1 杂化纳米流体的制备

了解到杂化纳米流体可能产生的优势和广阔前景之后，研究人员尝试将各种纳米粒子杂化添加到基液中制得杂化纳米流体。但杂化纳米流体的制备过程不尽相同，而纳米流体的换热性能很大程度上取决于基液的性质和纳米颗粒的大小、形态、浓度，以及溶液的PH，稳定剂的使用，这些因素都与纳米流体的制备过程密切相关。目前合成纳米流体通常采用一步法和两步法。两步法因具有成本效益和大规模生产杂化纳米流体的能力而得到了广泛的应用。同时制备杂化纳米流体的方法有两种：(a)将两种或两种以上的纳米颗粒直接杂化在基液中；(b)将杂化纳米颗粒(纳米复合材料)分散在基液中。以下是一些研究人员关于杂化纳米流体制备的研究结果。

Balla 等[1]使用两步法，先合成平均尺寸为50nm的CuO-Cu混合纳米粒子，后将它们悬浮在基液中，制备了不同的杂化纳米流体。为了确保纳米颗粒在基液中很好的杂化和分散，采用了超声分散，在合成过程中没有使用添加剂和稳定剂。

Munkhbayar等[2]利用一步法制备了Ag/MWCNT杂化纳米流体。首先，采用湿磨法制备了MWCNTs/水纳米流体。采用脉冲线蒸发法制备纳米银，将制备的纳米银分散在MWCNTs/水纳米流体中。最后，获得了基于水（去离子）的Ag / MWCNT的纳米流体。

Jana等[3]通过将不同比例的CNTs与水杂化，合成了CNT悬浮液。之后，将金纳米粒子(AuNP)与去离子水杂化形成AuNP悬浮液。将这些AuNP悬浮液与不同类型的CNTs悬浮液杂化，形成杂化CNT-AuNP悬浮液。为提高纳米颗粒在水中的分散性，采用超声波清洗仪。

2 杂化纳米流体导热系数的研究进展

导热系数是衡量流体强化换热性能的一项重要指标，提高液体的导热系数也是研究纳米流体的首要目的。关于杂化纳米流体导热系数，研究人员也做了大量的研究。

Farbod和Ahangarpour[4]制备了含有被银纳米颗粒修饰的MWCNTs的杂化纳米流体。结果表明，MWCNTs-Ag纳米流体的导热系数比未修饰的纳米流体大0.16-8.02%。Baghbanzadeh 等[5]制备了水基SiO2/MWCNT杂化纳米流体，发现杂化纳米流体热导率的增加介于两种单一纳米流体热导率的增加之间。Jana等[3]制备了水基CNT-AuNP杂化纳米流体，结果发现杂化纳米流体不能很好的提高热导率，因为两种纳米粒子之间没有积极的协同作用。

3 影响杂化纳米流体导热系数的因素

3.1 温度对导热系数的影响

温度显着影响杂化纳米流体的导热性。通过提高温度来增强颗粒的布朗运动，这又提高了导热性。几乎所有的研究人员都同意通过提高温度来提高导热系数。

Esfahani等[6]考察了体积分数和温度对ZnO-Ag /水杂化纳米流体导热系数的影响。体积分数为2％时，当温度从25℃升至50℃，杂化纳米流体的导热系数从0.663增加到0.788W/ m K。Hamid 等[7][8]通过改变温度来研究（SiO2-TiO2 /水和乙二醇）的热导率增强。在[8]中获得了13.8％的增强，通过将温度从70℃升高到80℃，在[7]中进一步提高到16％。

然而，高温会降低由表面活性剂产生的纳米颗粒之间的排斥力而产生聚集，从而导致产生具有低导热率的较不稳定的杂化物。Farbod和Ahangarpour[4]通过将温度升高来提高（Ag-MWCNTs）的导热率，但温度高于40℃之后会导致纳米流体的导热率降低。

3.2 纳米粒子浓度对导热系数的影响

纳米粒子的浓度与热导率呈线性关系。这种趋势可归因于纳米添加剂的高导热性。在相同温度（50℃）下，纳米粒子由体积分数从0.125增加到2％，（ZnO-Ag）杂化纳米流体的热导率从0.649增加到0.788W/m K[6]。Hamid等[8][9]实验得出(TiO2-SiO2/水和乙二醇)杂化纳米流体的导热系数在浓度为1%，导热系数增强了13.8%[9]，在相同温度下，浓度提高到3%，杂化纳米流体的导热系数进一步提高了22.1%[8]。

4 预测杂化纳米流体导热系数的模型的研究

表1 杂化纳米流体导热系数模型及最大偏差

φ：体积分数/%；T：温度/℃

不同的研究者在一定的温度和纳米颗粒浓度范围内建立了预测特定杂化纳米流体导热系数模型。热导率预测的不同模型及其最大偏差如表1所示。

5 结论

①杂化纳米流体的导热系数比基液的导热系数都要高，且杂化纳米流体的导热系数随着温度和纳米粒子浓度的增加而增加。但对热导率的增强，温度和纳米粒子浓度存在一个最大值，温度和纳米粒子浓度超过最大值之后，会观察到杂化纳米流体导热系数的减小。

②大多数杂化纳米流体的导热系数都比单一纳米流体的导热系数有一定的增加，但也有杂化纳米流体的导热系数没有单一纳米流体的导热系数大，原因在于杂化的两种纳米颗粒没有很好的协同作用，这是在今后的研究中需要注意的问题。

③杂化纳米流体导热系数的预测模型根据添加的纳米粒子的种类而有很大的差别，为了更准确地预测杂化纳米流体的导热系数，还需要进一步的工作来建立模型。

[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.

[3] S. Jana, A. Salehi-Khojin, W.H. Zhong. Enhancement of fluid ther -mal conductivity by the addition of single and hybrid nano- additi -ves. Thermochimica Acta 462 (2007) 45-55.

[4] M. Farbod, A. Ahangarpour. Improved thermal conductivity of Ag decorated carbon nanotubes water based nanofluids. Physics Letters A . 16(2016), 4044-4048.

[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

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1671-7988(2019)05-147-03

席洋洋（1993-）男，华北水利水电大学，硕士研究生，研究方向：纳米流体的流动与传热。

高玉国（1978-），博士，副教授，硕士生导师，研究方向：清洁能源与新材料的理论与应用研究。司爱国 (1968-)，男，副教授，硕士生导师，研究方向：车辆工程。

国家自然科学基金资助项目（51306060）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.045