二氧化硅纳米流体强化对流换热研究进展

陈真真，陈洪强，黄 磊，张永海，郝南京

西安交通大学化学工程与技术学院，西安 710049

随着半导体技术和电子技术的快速发展，微电子器件的集成度和性能在不断提高，并在航空航天、能源、医疗和汽车工业等领域发挥着越来越重要的作用[1-2].电子器件的微型化使其在工作时产生较大的能量密度并大部分转化成为热能，进而导致器件温度升高.高温不仅限制了微电子器件工作性能的发挥，而且也严重影响了器件使用寿命和安全性.因此，为了避免高热流密度引起的器件高温失效问题，对微电子器件进行有效热管理是非常关键的.传统的风冷和液冷散热装置不仅结构复杂、功耗高，而且散热效率低，严重影响了器件的稳定性和可靠性[3-5].

近年来，国内外研究者提出了多种被动式和主动式强化换热技术[3-8].其中，基于纳米流体的被动式强化换热技术由于成本低、操控灵活和形式多样性的特点，受到了广泛的关注[9-15].纳米流体的概念最早由美国阿贡国家实验室的Choi与Eastman提出[16]，通过在液体工质中添加一定比例的纳米颗粒（粒径通常小于100 nm）而形成.美国能源部早在2001年就将“纳米流体强化换热技术”作为美国国家重点研究项目，新型高效换热基质也成为新一代高性能冷却技术的研究热点[17].针对传统液体工质（如水、乙二醇和矿物油等）低导热性的问题，研究者已经开发出了一系列不同类型的纳米流体，如二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、碳纳米管、铜、银、碳化硅、金刚石、氧化铁、氧化锌、氧化镁和氧化铜等[18-24]，并利用数值理论分析和实验观察验证了纳米流体在单相和相变强化换热过程中的优异性能[25-32].特别是对于二氧化硅纳米颗粒，良好的机械和化学稳定性、丰富的结构形式和多样化的合成方法等优势引起研究者极大的兴趣，并在导热、对流和辐射传热方面呈现出巨大的应用潜力[33-34].

本文对二氧化硅纳米流体在强化对流换热的研究进展进行系统综述.首先介绍二氧化硅纳米流体的性质和制备方法，然后讨论并总结二氧化硅纳米流体在单相对流（自然对流和强制对流）和相变对流（池沸腾和流动沸腾）领域的研究现状，最后指出二氧化硅纳米流体对流换热技术存在的问题以及未来潜在的发展方向，以期为构建高性能纳米流体液冷换热技术体系提供新的研究思路和参考.

1 二氧化硅纳米流体性质与制备

二氧化硅纳米流体是在液体工质中添加一定比例的二氧化硅纳米颗粒形成.相比于其他类型的纳米颗粒，二氧化硅纳米颗粒具有一系列显著的优势，如良好的机械稳定性使其适于在极端条件下的应用，高化学稳定性使其适于不同类型的基液，耐高温性使其适于长期循环使用，丰富的尺寸/形貌/孔等结构形式使其适于不同换热体系的需求，易表面修饰使其能够实现优异的单分散稳定性，以及多样化的物理和化学合成方法使其能够满足不同的应用场景.二氧化硅的热导率为1.38 W·m-1·K-1，远高于水的热导率（0.6 W·m-1·K-1）.二氧化硅纳米流体中颗粒的尺寸通常小于100 nm（表1），其较小的尺寸产生了较高的比表面积，可用于热量的传递.目前研究者已经开发出不同尺寸、形貌和孔结构的二氧化硅纳米流体体系（图1(a)）[35-39].

表1 二氧化硅纳米流体对流换热应用研究总结Table 1 Asummary of examples of silica nanofluids for convective heat transfer applications

表1 (续)Table 1 (Continued)

二氧化硅纳米流体的制备方法可主要分为一步法和两步法两类（图1(b)）[40-41].一步法是将二氧化硅纳米颗粒的制备与在液体工质中分散的过程整合成为一步，包括激光烧蚀法、埋弧焊法、脉冲蒸发法、气相沉积法和微波辐射法等.一步法的制备流程比较简单，主要用于小规模纳米流体的制备.两步法是将二氧化硅纳米颗粒的制备与在液体工质中的分散过程分离开来，通常使用溶胶-凝胶法和水热法制备不同性质的二氧化硅纳米颗粒，然后用超声震荡法、调节酸碱度法、磁力搅拌法和表面活性剂稳定法等将纳米颗粒均匀分散.两步法的制备流程相对比较复杂，而且性能易受到颗粒团聚的影响，但是可用于大规模纳米流体的制备.二氧化硅纳米流体的换热性能取决于液体工质的性质（如工质类型和流量等）和二氧化硅纳米颗粒的性质（如颗粒的尺寸、形貌和孔结构等）.为了有效强化换热应用，对二氧化硅纳米流体的热导率、黏度和润湿度等进行可控的调节是十分重要的[42-45].

图1 二氧化硅纳米流体性质与制备方法.(a) 不同尺寸、形貌和孔结构的二氧化硅纳米颗粒；(b) 二氧化硅纳米流体的制备方法Fig.1 Properties and preparation methods of silica nanofluids: (a) schematic of SiO2 nanoparticles with different sizes, shapes, and pore structures; (b)classification of the preparation methods of SiO2 nanofluids

2 二氧化硅纳米流体自然对流换热

纳米流体自然对流是纳米液体工质自发运动的一种流动形式，工质的运动不依靠任何外部源，仅由重力驱动完成.二氧化硅纳米流体自然对流换热体系的研究目前以两步法为主，纳米颗粒主要是粒径为20 nm左右的球形无孔结构，液体工质包括水、乙二醇和丙三醇等，常用的纳米流体分散方法包括表面活性剂、超声和pH调节等（表1）.

从实验研究角度，Akilu等[48]将二氧化硅纳米颗粒分散至乙二醇和丙三醇中形成体积分数为0.5%～2%的纳米液体工质，结果发现纳米流体的热导率随着温度的升高而增加；而且分散在乙二醇中纳米液体的热导率比分散在丙三醇中更高，在体积分数为2%时，热导率最高可以增加11.5%（图2(a)）；另外纳米流体的黏度随着温度的升高而降低.Esfahani与Toghraie[49]将二氧化硅纳米颗粒分散至水和乙二醇的混合液体中，在温度为25～50 °C范围内以及体积分数为0.1%～5%范围内时，热导率随着温度和体积分数的升高而增加，而且体积分数的增加效应更显著，在体积分数为5%和温度为50 °C的条件下，热导率最高可以增加45.5%.Li等[50]同样利用两步法将二氧化硅纳米颗粒分散至乙二醇溶液中制备质量分数为0.005%～5%的纳米流体，结果证实工质温度越高，由于纳米颗粒添加所引起的热导率增加越显著，最高可以增加28.34%；另外热导率会随着超声时间的增加而增加，而且超声时间对热导率的影响随着温度和颗粒质量分数的升高越来越显著，最高可以增加4.96%.然而，Haddad等[46]在水工质中添加体积分数为0～20%的二氧化硅纳米颗粒，结果证实纳米颗粒布朗运动和液体分层效应导致了换热性能并不显著.这种不一致性主要可能归因于纳米流体稳定性和颗粒聚集尺寸的差异.这些实验结果证实除了颗粒浓度因素外，工质类型、基液温度和分散处理方式等其他因素也直接影响二氧化硅纳米流体对流换热的性能.

图2 二氧化硅纳米流体自然对流强化换热研究体系.(a) 分散至乙二醇和丙三醇工质的二氧化硅纳米流体强化换热体系[48]；(b) 二氧化硅纳米流体在方形和三角形封闭区域内的自然对流模型[47]；(c) 分散至正十八烷工质中的介孔二氧化硅纳米流体强化换热体系[52]Fig.2 Silica nanofluid-based natural convective heat transfer enhancement platforms: (a) SiO2 nanoparticles dispersed in ethylene glycol and glycerol for heat transfer enhancement[48]; (b) natural convection of SiO2 nanofluids in square and triangular enclosures[47]; (c) heat transfer of nano-enhanced noctadecane-mesoporous SiO2[52]

从理论研究角度，Mahian等[47]评估了二氧化硅纳米流体在方形、倾斜方形和三角形封闭区域内的自然对流换热性能差异（图2(b)），在这三种情形下努塞尔数（Nusselt number）随着纳米颗粒体积分数的升高而降低，方形结构内纳米流体的换热系数要高于三角形结构，但是进一步的实验结果证实了努塞尔数并不是在封闭区域内评价纳米流体换热性能的一个良好指标.Maleki等[53]将不同类型的人工神经网络用于二氧化硅纳米流体的建模分析，在乙二醇、水、丙三醇和乙二醇-水混合液体工质中纳米流体可明显增强换热性能，而且数据分组处理方法（GMDH）、Levenberg-Marquardt（LM）和量化共轭梯度法（SCG）对结果处理的相关系数分别高达0.9997、0.9991和0.9998，为二氧化硅纳米流体在不同测试环境下换热性能的快速预测提供了重要参考.除了单一组分纳米流体外，Preeti与Ojjela[54]将二氧化硅纳米颗粒分别与刀片形、砖形、圆柱形和盘形Al2O3纳米颗粒混合并分散至水-乙二醇中形成双组分纳米流体，结果发现二氧化硅纳米颗粒的加入可以显著提高四种Al2O3纳米流体的换热速率，而且二氧化硅和盘形Al2O3纳米颗粒形成的双组分纳米流体具有最高的换热性能，揭示了颗粒组分对换热性能的重要影响.另外，对于高储能密度的相变材料在固-液相变过程中易发生液体泄漏的问题[80]，研究发现介孔类型的二氧化硅纳米颗粒由于具有相对较高的热导率进而可以有效提升相变材料（如石蜡和正十八烷）的换热性能（图2(c)）[51-52,81].这些理论研究不仅从不同角度证实了二氧化硅纳米流体的强化换热性能，而且揭示了换热器件的结构和工质的类型等因素都能够对纳米流体对流换热性能产生一定影响，为构建合理有效的纳米流体换热结构体系提供了重要参考.

3 二氧化硅纳米流体强制对流换热

纳米流体强制对流是纳米液体工质依靠外部源（如泵、风扇和吸入装置等形式）驱动完成流动的形式.二氧化硅纳米流体强制对流换热体系的研究目前仍以两步法为主，纳米颗粒的来源除了商业化的颗粒产品外，还可以由溶胶-凝胶法、水热法和超声法合成，颗粒的结构大部分是20 nm左右的无孔球形，常用的液体工质有蒸馏水、去离子水和乙二醇等，纳米流体的分散性通过超声、磁力搅拌、表面活性剂和pH调节等方式实现（表1）.

对于二氧化硅纳米流体强制对流换热热沉，国内外研究者已开发出多种不同类型的单一组分纳米流体工质实验体系.Fazeli等[55]观察了二氧化硅纳米流体在铝基微通道内的换热性能，由于纳米流体较高的热导率和颗粒的布朗运动，分散在水中的二氧化硅纳米颗粒可以显著增加热沉的换热系数；换热系数随着颗粒浓度的升高而增加，而且纳米颗粒的添加可以使热沉的热阻最高降低10%.Ajeel等[57-58]系统对比了二氧化硅纳米流体在直形通道、半圆形波纹槽道和梯形波纹槽道中的换热性能（图3(a)），添加在水中的二氧化硅纳米颗粒可以明显增加热沉的换热性能，而且压降随着纳米颗粒含量的增加而增加；与直形通道相比，半圆形波纹槽道和梯形波纹槽道呈现出更高的换热性能，特别是梯形波纹槽道在纳米流体工质运行条件下可以将换热效率最高增加63.59%.Shah等[61]将二氧化硅纳米颗粒分散在水中并观察了纳米冷却剂在铝管散热器中的换热性能（图3(b)），在入口温度为70 °C和颗粒体积分数为0.12%条件下，换热效率比纯水工质增加36.92%，但是当纳米颗粒浓度升高时，由于大量颗粒形成团聚的现象，换热效率会呈现逐渐降低的趋势.此外，Ahmad等[56]和Mohan等[59]分别对比观察了分散在去离子水中氧化铝纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒的对流换热性能，结果都证实了与氧化铝纳米流体工质可以提高换热系数不同，二氧化硅纳米流体工质的换热系数甚至出现了比纯去离子水还要低的情况，此现象的主要原因可能是由纳米颗粒的分散性差所导致的颗粒团聚引起的.这些研究结果表明不仅颗粒浓度对纳米流体换热性能产生重要影响，而且换热器件结构、颗粒类型和分散处理方式等都直接影响对流换热的效率，为构建高效的纳米流体换热体系提供了重要启示.

除了单一组分纳米流体工质外，研究者也提出了多种颗粒复合纳米流体工质的强制对流换热体系.Pourrajab等[62]在SBA-15类型介孔二氧化硅的孔道内原位合成Cu纳米颗粒并观察了复合纳米流体在螺旋槽管内的换热性能（图3(c)），结果发现复合纳米颗粒可以将换热系数提高33.45%，而且努塞尔数与雷诺数和复合颗粒质量分数成正比.Nagarajan等[63]将氧化铜纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒分散在水中并观察了复合纳米流体在夹套容器装置中的循环流动换热性能，结果证实换热系数与工质的流速和颗粒的浓度成正比，在流速为3 L·min-1和颗粒体积分数为0.2%的条件下整体换热系数比纯水工质增加48.6%；另外，当将氧化铝和二氧化硅纳米颗粒分散至乙二醇中，与纯乙二醇工质相比，此复合纳米流体工质可以将换热系数提高52.8%，而且换热性能随着雷诺数的增加而升高[60].这些研究发现不仅揭示了纳米颗粒的性质和工况条件对强制对流换热性能的重要影响，而且为高性能复合纳米流体工质的研发提供了新的思路.

图3 二氧化硅纳米流体强制对流强化换热研究体系.(a) 二氧化硅纳米流体在波纹槽道中的对流换热应用装置[57]；(b) 二氧化硅纳米冷却剂在铝管散热器中的对流换热实验装置[61]；(c) 介孔二氧化硅与Cu复合纳米流体在螺旋槽管中的对流换热实验装置[62]Fig.3 Silica nanofluid-based force convective heat transfer enhancement platforms: (a) experimental setup of SiO2 nanofluids for convective heat transfer applications in corrugated channels[57]; (b) experimental setup of SiO2 nanocoolant for convective heat transfer in aluminum tube radiator[61]; (c)experimental setup of mesoporous SiO2 and Cu composite nanofluids for convective heat transfer in helically grooved tube[62]

4 二氧化硅纳米流体池沸腾换热

纳米流体池沸腾是在有限空间内将壁面沉浸在纳米液体工质中加热的形式，纳米流体发生强制对流沸腾并产生相变.二氧化硅纳米流体池沸腾换热体系研究基本以两步法为主，颗粒的尺寸分布从纳米级到亚微米级甚至微米级，常用的液体工质主要是去离子水，纳米流体的分散性可以依靠超声、pH调节、磁力搅拌和添加表面活性剂等多种处理方式进行调节（表1）.

对于二氧化硅纳米流体池沸腾换热，研究者在二氧化硅颗粒结构对换热性能的影响方面进行了系统的观察.Vassallo等从尺寸、形貌和分散液体性质等多个角度考察了二氧化硅纳米流体对池沸腾换热的影响，研究发现颗粒体积分数为0.5%、粒径为15 nm、50 nm和3 μm二氧化硅颗粒都能够显著增加临界热流密度，粒径为50 nm和3 μm二氧化硅颗粒可以将水工质的换热性能分别提高3倍和1.5倍[64]；将粒径为10 nm和20 nm二氧化硅纳米颗粒分散至离子缓冲液、去离子水和NaOH溶液中都可以显著提高临界热流密度（图4(a)），粒径为20 nm的颗粒在强电解质NaOH工质中的临界热流密度可以高达4600 kW·m-2，另外缓冲液中大量离子的存在会导致纳米颗粒发生聚集进而出现换热性能下降甚至恶化的情形[65]；在pH为3到10的范围内，粒径为10 nm的颗粒的临界热流密度都比20 nm颗粒的高，而且池沸腾过程中粒径为10 nm的颗粒更易沉积在镍铬电热丝线上，颗粒沉积形成的孔状结构可以进一步地提高换热性能[68].Norouzipour等[71]对比分析了 11、50和70 nm三种粒径尺寸二氧化硅纳米颗粒的换热性能，结果发现仅粒径为70 nm的颗粒在体积分数为0.1%条件下才能提高换热系数，而其他尺寸的颗粒在体积分数为0.01%～1%范围内的换热系数均比纯水工质还要低，造成此现象可以归因于小尺寸的颗粒在沸腾表面占据了大量的空间并因此降低了汽泡产生位点的数目，而大尺寸的颗粒在沸腾表面可以产生较大的空隙进而增加沸腾换热系数（图4(b)）.Lee等[72]对比观察了孔径为2 nm和4 nm的不同粒径尺寸（0.5、1和2 μm）介孔二氧化硅颗粒的池沸腾换热性能，结果证实颗粒的尺寸、形貌、孔径和浓度都能影响临界热流密度；在高颗粒浓度条件下，除了4 nm孔径的粒径为2 μm颗粒出现临界热流密度低于纯水外，其他类型的介孔二氧化硅颗粒均可以显著提高池沸腾临界热流密度；在低颗粒浓度条件下，同样出现只有粒径为2 μm介孔二氧化硅颗粒的临界热流密度低于纯水的情形，此原因也可能与颗粒尺寸影响汽泡成核位点数目密切相关（图4(c)）.这些研究发现从不同角度揭示了二氧化硅颗粒的尺寸、形貌、浓度和分散处理方式等都能够在池沸腾换热过程中产生关键的影响，为构建高性能纳米流体工质提供了重要参考.

图4 二氧化硅纳米流体池沸腾强化换热研究体系.(a) 不同尺寸二氧化硅纳米颗粒的池沸腾临界热流密度性质[65]；(b) 纳米级二氧化硅的尺寸对沸腾换热的影响机制[71]；(c) 微米级二氧化硅的尺寸对沸腾换热的影响机制[72]；(d) 表面活性剂对池沸腾换热系数的影响[70]；(e) 二氧化硅纳米颗粒薄膜包覆强化核态沸腾换热[83]Fig.4 Silica nanofluid-based pool boiling heat transfer enhancement platforms: (a) pool boiling critical heat flux properties of SiO2 nanoparticles with different sizes[65]; (b) size effect of nanoscale SiO2 particles on pool boiling[71]; (c) size effect of submicroscale and microscale SiO2 particles on pool boiling[72]; (d) effect of various surfactants on the pool boiling heat transfer coefficient of SiO2 nanofluids[70]; (e) augmentation of nucleate boiling heat transfer using nanoparticle thin-film coating[83]

除了二氧化硅颗粒结构对池沸腾换热性能的影响之外，研究者对二氧化硅纳米流体为池沸腾工质的其他性能也进行了分析.Kim等[66-67]观察了二氧化硅纳米流体池沸腾过程中加热表面润湿性能的变化，纳米流体沸腾后的表面比纯水沸腾后的表面具有更低的接触角，接触角的降低说明纳米颗粒在加热表面形成了沉积层并因此提高了表面润湿性，表面润湿性的提高也合理解释了纳米流体工质可以通过形成孔状颗粒层提高沸腾临界热流密度.Rostamian与Etesami[69]分析了二氧化硅纳米流体为工质时加热器的表面粗糙度对换热性能的影响，结果发现二氧化硅纳米颗粒的添加可以显著增加临界热流密度，而且随着沸腾时间的延长加热表面粗糙度也在不断增加，这表明临界热流密度的增加是由于纳米颗粒沉积导致表面润湿度的升高，并因此提高了临界热流密度和沸腾换热系数.Mukherjee等[74]利用分散在去离子水中的二氧化硅纳米流体证实了纳米颗粒的存在可以将池沸腾换热系数和临界热流密度提高1.3倍左右，而且二氧化硅纳米流体沸腾后加热表面的接触角发生了明显降低的现象，另外二氧化硅纳米颗粒还导致了汽泡脱离频率的降低和汽泡直径的增加.Tian等[70]分析了不同类型的表面活性剂（十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵和聚山梨醇酯20）对二氧化硅纳米流体颗粒沉降性和池沸腾换热系数的影响（图4(d)），表面活性剂的加入可以明显提高沸腾换热性能；纳米流体中添加了阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠的沸腾换热系数和加热面粗糙度要高于添加阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和非离子表面活性剂聚山梨醇酯20的情况，而且表面活性剂的添加降低了表面张力并促进了汽泡的脱离频率.此外，不仅数值模拟分析验证了二氧化硅纳米流体可以强化池沸腾换热性能[73,82]，而且更多的研究进一步证实了二氧化硅纳米颗粒在沸腾表面的存在可以显著提高池沸腾临界热流密度和核态沸腾换热系数（图4(e)）[83-84].这些研究结果不仅验证了二氧化硅纳米流体在池沸腾换热中的重要作用，而且从不同角度揭示了强化换热的机理，为高效纳米流体换热体系的构建提供了重要理论与技术支持.

5 二氧化硅纳米流体流动沸腾换热

纳米流体流动沸腾是纳米液体工质在流动过程中被加热发生相变的形式，纳米流体的流动可以是自然循环也可以是依靠泵等外部源的强制循环.二氧化硅纳米流体流动沸腾换热体系目前也是以两步法为主，常用的液体工质包括水、乙醇和R-134a等，纳米流体的分散性可以依靠超声、pH调节、磁力搅拌和表面活性剂等多种处理方式进行调节（表1）.

对于二氧化硅纳米流体流动沸腾换热的研究，国内外学者的关注相对较少.陆鑫与杨峻[76]，以及杨文斌与杨峻[77]对二氧化硅纳米流体在重力热管中的换热性能进行了系统分析，结果发现在去离子水中添加质量分数为1%的二氧化硅纳米颗粒可以将换热性能提高5.6%～9.6%左右，而在普通水质中添加质量分数为1%的二氧化硅纳米颗粒仅能将换热性能提高1.63%～1.7%左右；对于分散在乙醇中的二氧化硅纳米流体，在0～2%的质量分数范围内，质量分数为1.5%时换热效果最好，而且颗粒尺寸越小纳米流体的换热性能越高，另外充液率为32%时的换热效果要显著优于充液率为24%和40%的情况.Kujawska等[78]对二氧化硅纳米流体工质在热管中流动沸腾前后的表面张力和接触角进行了分析，纳米流体比水呈现出更低的表面张力和接触角，而且沸腾后的纳米流体工质比新制备的工质具有更高的表面张力和更低的接触角，这种现象可能是由于在热管沸腾实验中纳米颗粒的沉积导致颗粒的浓度降低所导致的.Henderson等[75]将二氧化硅纳米颗粒分散至R-134a液体中并观察了纳米流体在水平管内的流动沸腾换热性能（图5(a)），结果发现纳米流体工质比纯R-134a工质的换热系数降低了55%，其原因可能是纳米颗粒的分散性较差导致颗粒团聚以及在换热表面形成颗粒薄膜热阻.此外，Zhang等[79]观察了分散在水中的二氧化硅纳米流体在脉冲热管内的流动沸腾换热性能（图5(b)），纳米颗粒的添加不仅可以促进工质的相转变过程，而且能够增加工质的瞬时流速和驱动力，在颗粒质量分数为1%条件下二氧化硅纳米流体的换热性能可以增加40.1%.这些结果从不同角度证实了纳米颗粒粒径、颗粒质量分数、工质类型、充液率和分散性等关键参数可以对二氧化硅纳米流体的流动沸腾换热性能产生至关重要的影响，为高效相变对流换热体系的设计提供了重要依据.

图5 二氧化硅纳米流体流动沸腾强化换热研究体系.(a) 分散至R-134a中二氧化硅纳米流体在水平管中的流动沸腾换热装置[75]；(b) 分散至水中二氧化硅纳米流体在脉冲热管中的流动沸腾换热装置[79]Fig.5 Silica nanofluid-based flow boiling heat transfer enhancement platforms: (a) flow boiling heat transfer setup of R-134a-based SiO2 nanofluids in a horizontal tube[75]; (b) flow boiling heat transfer setup of water-based SiO2 nanofluids in a pulsating heat pipe[79]

6 结论

二氧化硅纳米颗粒以其良好的机械和化学稳定性、丰富的结构形式和多样化的合成方法等优势引起国内外研究者广泛的关注，并在热能存储、传感器、环境、医药和催化等各个领域发挥着关键的作用.本文对二氧化硅纳米流体在强化对流换热方面的研究进展进行了系统综述，介绍了二氧化硅纳米流体的性质和制备方法，讨论并总结了二氧化硅纳米流体在单相对流（自然对流和强制对流）和相变对流（池沸腾和流动沸腾）领域的研究现状.尽管取得了一系列重要的实验和理论研究发现，但是二氧化硅纳米流体在对流换热领域仍然面临着诸多挑战.下面列举了目前存在的一些关键问题以及未来可能的发展方向，为下一步高性能纳米流体液冷换热技术体系的合理构建提供相应的借鉴和参考.

（1）对于二氧化硅纳米流体增强对流换热性能的机制，目前的数值分析和实验观察研究仍不是很完善，一些研究证实二氧化硅纳米颗粒在加热表面沉降形成多孔层是提高临界热流密度和换热系数的关键，但是考虑到长期性能可靠性和系统安全性的问题，需要对二氧化硅纳米流体的稳定性进行综合优化，为了尽快地实现工业化应用，材料、化学、电子、机械和能源等不同学科领域的学者进行协作推动高性能二氧化硅纳米流体换热体系产业化发展也是十分必要的.

（2）随着未来高端和微型电子芯片的不断推出，采用无噪声和快速散热的液冷技术代替已趋于极限的风冷技术将是不可避免的，国内外研究者从不同角度证实了二氧化硅纳米流体可以强化单相和相变对流换热性能并提高温度分布均匀性，但是目前也有个别的研究认为二氧化硅纳米流体的强化对流换热作用并不显著，由于这些研究中二氧化硅纳米颗粒的来源和测试工况均不相同，需要采取统一的测试条件以更精确地揭示二氧化硅纳米流体在冷却换热领域中的实际性能.

（3）对于二氧化硅纳米流体的制备与表征，现有的研究基本以两步法为主要手段进行制备，并利用电子显微镜和动态光散射法进行表征，不仅操作工艺复杂，而且很难实时准确地反映纳米流体的物化性质，因此迫切需要发展新的二氧化硅纳米流体制备与表征工艺以推动其产业化应用.

（4）在颗粒结构和换热器件结构对二氧化硅纳米流体换热性能的影响方面，研究者主要利用单一换热器装置对不同尺寸的球形颗粒进行了大量研究，近年来研究发现纳米颗粒的形貌、孔径和表面甚至是换热器的结构都对换热性能产生关键影响，尽管目前的关注仍然相当有限，但是这些为高效纳米流体的研发和高性能微通道液冷体系的合理设计提供了重要思路.