TiO2纳米颗粒形貌对热管工作性能的影响

牛艳芳 蒋丽丽 王冬至 杜润生 赵蔚琳

文章编号：1671-3559（2024）01-0094-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231108.003

摘要：为了研究介质形貌对热管工作过程的影响，利用水热法制备棒状、片状、菱状3种形貌的TiO2纳米颗粒， 采用两步法制备3种形貌TiO2-水纳米流体， 对热管内不同形貌工作介质的导热性能、热管工作过程的启动性能、等温性能和热阻进行试验研究， 分析TiO2纳米颗粒形貌对热管工作性能的影响。 结果表明：热管内片状TiO2-水纳米流体的导热系数大于菱状、棒状TiO2-水纳米流体和基液水的；当加热功率相同时， 片状TiO2-水纳米流体热管启动温度最低，为（38.2±0.5）℃， 并且相对于棒状、菱状TiO2-水纳米流体热管，

片状TiO2-水纳米流体热管稳定工作时蒸发段与冷凝段的平均温度差减小2～3 ℃， 总热阻减小4.4%～28.3%。

关键词：TiO2纳米颗粒；热管；工作介质

中图分类号：TQ051.5

文献标志码：A

开放科学识别码（OSID码）：

Effects of TiO2 Nanoparticle Morphology on

Working Performances of Heat Pipes

NIU Yanfang1， JIANG Lili1， WANG Dongzhi2， DU Runsheng3， ZHAO Weilin2

（1. School of Engineering， Shandong Yingcai University， Jinan 250104， Shandong， China;

2. School of Materials Science and Engineering， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

3. Lanling County Yixin Mining Technology Co.， Ltd.， Linyi 277700， Shandong， China）

Abstract： To study the effects of medium morphology on working process of heat pipes， TiO2 nanoparticles with rod， flaky， and rhombus shape were prepared by using hydrothermal method， and TiO2-water nanofluids with three morphologies were prepared by using two-step method. The thermal conductivity of working medium with different morphologies in heat pipes， start-up performance， isothermal performance， and thermal resistance of heat pipes working process were experimentally studied， and effects of TiO2 nanoparticle morphology on working performances of heat pipes were analyzed. The results show that the thermal conductivity of flaky TiO2-water nanofluids in heat pipes is greater than those of rhombus and rod-shaped TiO2-water nanofluids and base liquid water. When the heating power is same， the start-up temperature of flaky TiO2-water nanofluid heat pipes is the lowest， which is （38.2±0.5） ℃， and the average temperature difference between evaporation section and condensation section of the flaky TiO2-water nanofluid heat pipes is 2-3 ℃ smaller than the corresponding average temperature difference of the rod and rhombus-shaped TiO2-water nanofluid heat pipes， and the total thermal resistance is reduced by 4.4%-28.3%.

Keywords： TiO2 nanoparticle; heat pipe; working medium

收稿日期：2022-09-01          網络首发时间：2023-11-10T07：59：00

基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2021ME193）；2021年山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目（2022TSGC1332）

第一作者简介：牛艳芳（1988—），女，山东泰安人。讲师，硕士，研究方向为微纳粉体的制备及其在热工中的应用。E-mail： niuyanfang@

ycxy.com。

网络首发地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1715.006

纳米流体是指将一定比例的金属或非金属纳米颗粒均匀地分散到基液中，制成的一种稳定的混合悬浮液。自1995年Choi等［1］首次提出这一概念以来，纳米流体作为一种新型传热工质不断地被学者们研究、应用与发展，取得了可观的成就［2］。纳米流体能在传热领域起到强化换热作用的主要原因是：1）金属或非金属纳米颗粒的导热系数大于基液的，使得混合悬浮液具有较强的导热能力，从而增强了传热；2）金属或非金属纳米颗粒的布朗运动加快了能量的传递，改善了纳米流体传热性能［3］。目前，常被应用于纳米流体的有铜［4］、银［5］等金属纳米颗粒，氧化铜［6］、氧化铝［7］、二氧化硅［8-9］、二氧化钛（TiO2）［10］等金属氧化物纳米颗粒，以及石墨烯［11-13］、碳纳米管［14］等非金属纳米颗粒。其中TiO2纳米粒子因具有稳定的物理和化学性质、较大的导热系数、无污染无毒性、制备方式简单、粒子种类形貌多样等特点而被国内外的研究者所关注。史继媛等［15］利用瞬态热法对导热油基TiO2纳米流体在20～60 ℃的导热性能进行了研究， 结果表明， 随着温度的升高， 该纳米流体的导热系数的增加率约为20%～38%。 陈谢磊［16］研究了TiO2-氨水纳米流体的对流换热特性， 结果表明， 与质量分数为25%的氨水基液相比， TiO2-氨水纳米流体的对流换热性能明显改善， 当TiO2纳米颗粒质量分数为0.3%时，对流换热系数增大了15.1%。Zhang等［17］研究了纳米颗粒含量和温度对TiO2-水纳米流体热物性的影响，发现纳米流体的热导率和有效热导率随温度和纳米颗粒含量的增加而增大。尽管许多学者都从不同角度探讨TiO2纳米流体的热物理性能以及传热性能；但是对于TiO2纳米颗粒形貌对热管工作性能影响的研究极少，因此，本文中采用水热法合成棒状、片状和菱状的TiO2纳米颗粒，并分别制备不同颗粒形貌的TiO2-水纳米流体，探讨TiO2纳米颗粒形貌对热管工作性能的影响，为拓展纳米流体在传热领域中的应用提供参考。

1  实验

1.1  实验试剂与仪器

实验试剂包括：三氯化钛（TiCl3）、氢氟酸（HF）、钛酸四丁酯（TBOT），国药集团化学试剂有限公司；乙腈（C2H3N）、甲酸（CH2O2），天津市富宇精细化工有限公司。上述试剂均为分析纯。所用水为去离子水。

实验仪器包括：DF-101型集热式恒温磁力搅拌器， 河南省巩义市予华仪器有限责任公司；KH-100DB型数控超声清洗机，江苏省昆山禾创超声仪器有限公司；GZX-9076MBE型电热恒温鼓风干燥箱， 上海博迅实业有限公司医疗设备厂；UV-5500型紫外-可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；Quanta FEG 250型场发射扫描电子显微镜（SEM），美国FEI公司；KD2 Pro型热特性分析仪，美国Decagon公司；D8 Adrance型X射线衍射仪（XRD），德国Bruker公司。

1.2  不同形貌TiO2纳米颗粒的制备与结构表征

本文中采用水热法分别制备棒状、片状和菱状3种形貌的TiO2纳米颗粒［18］。

1）制备棒状TiO2纳米颗粒。在烧杯中加入20 mL去离子水中， 再将4 mL TiCl3缓慢加入，将混合溶液磁力搅拌均匀后，移入容积为50 mL的聚四氟乙烯内衬的反应釜中，将密封好后的反应釜放入恒温干燥箱中，在恒温180 ℃下加热24 h。反应结束后自然冷却至室温，用去离子水和无水乙醇清洗反应产物数次后烘干，即得到棒状TiO2纳米颗粒。

2）制备片状TiO2纳米颗粒。在烧杯中加入20 mL TBOT， 将3.2 mL HF缓慢加入，磁力搅拌均匀后，将溶液放入反应釜中，并将反应釜放入恒温干燥箱，在200 ℃下反应24 h。自然冷却至室温，用去离子水和无水乙醇清洗反应产物数次后烘干，即得到片状TiO2纳米颗粒。

3）制备菱状TiO2纳米颗粒。在烧杯中加入6 mL C2H3N， 再将18 mL CH2O2 缓慢加入，磁力搅拌均匀后，继续边搅拌边向混合溶液内加入体积分数为0.8%的TBOT。将溶液移入反应釜中，将反应釜放入干恒温燥箱，在160 ℃下反应4 h。自然冷却至室温，反应产物用无水乙醇和去离子水清洗后烘干，即得到菱状TiO2纳米颗粒。

采用SEM对所制得的3种形貌的TiO2纳米颗粒进行微观形貌表征， 结果如图1所示。 由图可知， TiO2纳米颗粒的棒状、片状和菱状形貌非常清晰，3种形貌的TiO2纳米颗粒的当量直径为（64.62±0.4） nm。 3种形貌TiO2纳米颗粒的XRD谱图如图2所示。由图可知，棒状TiO2纳米颗粒为金红石晶型（标准衍射卡片号为21-1276），片状和菱状TiO2纳米颗粒为均为锐钛矿晶型（标准衍射卡片号为21-1272）。

1.3  不同形貌TiO2-水纳米流体的制备

采用两步法制备不同形貌TiO2-水纳米流体。取前述制得的一定量的棒状、片状和菱状的TiO2纳米颗粒分别分散到去离子水中，水浴超声3 h，制得质量分数为0.3%的不同形貌TiO2-水纳米流体。

为了考察3种纳米流体悬浮稳定性，采用紫外-可见分光光度计对静置一定时间的流体进行吸光度分析，如图3所示。从图中可以看出，静置1～25 d的不同形貌TiO2-水纳米流体的吸光度變化幅度较小，表明3种形貌TiO2纳米流体具有很好的悬浮稳定性。

1.4  不同形貌TiO2-水纳米流体的导热性

纳米流体导热系数的测量方法很多，按照测量机制可分为稳态法和非稳态法，其中非稳态法中的瞬态热线法是比较常用的测量方法。本文中采用瞬态热线法，利用KD2 Pro型热特性分析仪对不同形貌TiO2-水纳米流体的导热性能进行测试。

将棒状、片状和菱状TiO2-水纳米流体应用于热管中，通过测试热管内3种形貌纳米流体导热性能、热管工作过程启动性能、等温性能和热阻表征其工作性能。

3种形貌TiO2-水纳米流体和基液水的热管材质均为紫铜， 外径为6 mm， 总长为800 mm， 内装一层孔径为74 μm的铜丝网吸液芯， 充液体积为6 mL， 设置每个热管蒸发段、绝热段、冷凝段长度分别为400、150、250 mm。 热管工作性能实验测试装置如图4所示。 蒸发段采用电加热带加热， 冷凝段采用低温恒温水槽进行水循环冷却。 热管壁面上焊有7支经过标准校正后的铜-康铜热电偶测量壁面温度， 其中蒸发段温度点为T1、T2、T3、T4， 绝热段温度点为T5， 冷凝段温度点为T6和T7。 为了防止热量散失， 热管外用保温材料包裹。 在实验过程中， 加热功率的调节由电压调节器控制， 冷却水流量由玻璃转子流量计计量。 壁面温度的测量通过数据采集记录仪连接到计算机上完成数据采集工作。

1.5  数据处理和不确定性分析

考察热管工作性能的一个重要指标是热阻R，计算公式为

R=ΔTQ ，（1）

式中：Q为加热功率；ΔT为蒸发段与冷凝段的平均温度差。 在实验过程中， 标定后的热电偶精度为0.1 ℃，加热系统恒温水槽精度也为0.1 ℃， 因此实验结果最大的不确定度为2.02%。

2  结果与讨论

2.1  颗粒形貌对热管内工作介质导热性能影响

3种形貌TiO2-水纳米流体和基液水的导热性能对比如图5所示。从图中可以看出：3种形貌TiO2-水纳米流体的导热系数都随着温度的升高而增大。当温度相同时，3种形貌的TiO2-水纳米流体按照导热系数由大到小的顺序是片状TiO2-水纳米流体、菱状TiO2-水纳米流体、棒状TiO2-水纳米流体。同时，3种纳米流体的导热系数都大于基液水的，当温度为65 ℃时，片状、菱状、棒状TiO2-水纳米流体的导热系数分别比基液水的提高了40.1%、36.5%、33.5%。 纳米流体导热系数增加涉及到很多因素， 如布朗运动、粒子-流体界面分层和粒子聚集效应等， 但是关于颗粒形貌对纳米流体的导热性能的影响至今没有明确机制。 就本文中的实验结果而言，3种形貌纳米颗粒的当量直径相近；但是，由于形貌不同，片状颗粒具有更大的表面积，因此在流体内部进行热交换时与液体之间具有更大接触面积，相互碰撞接触的概率更大，强化热量传递效率，促进了快速导热，导致片状TiO2-水纳米流体的导热系数更大。

2.2  颗粒形貌对热管启动性能的影响

当加热功率分别为25、35 W，冷却水体积流量为1.38 cm3/s时3种形貌TiO2-水纳米流体和基液水热管启动过程中蒸发段平均温度的变化如图6所示。从图中可以看出：当热管受热后蒸发段平均温度都快速升高， 到达某温度后升温速率逐渐平缓， 表明热管已顺利完成启动过程， 进入正常的工作状态。 当加热功率相同时， 基液水热管启动滞后于TiO2纳米流体热管， 片状TiO2-水纳米流体热管启动最快， 启动温度最低。表1所示为加热功率分别为25、35 W时3种形貌TiO2-水纳米流体热管和基液水热管的启动温度的范围。由表可以看出，当加热功率相同时，3种形貌TiO2-水纳米流体热管启动温度明显低于基液水热管的，且片状TiO2-水纳米流体热管的启动温度最低。

2.3  颗粒形貌对热管壁面温度的影响

加热功率为25、35 W时3种形貌TiO2-水纳米流体和基液水热管壁面温度分布如图7所示。 从图中可以看出， 热管壁面温度沿长度方向由蒸发段向冷凝段方向逐步降低。 分析图7（a）发现：在加热功率为25 W时， 片状TiO2-水纳米流体热管蒸发段温度最低， 其次为棒状TiO2-水纳米流体热管， 菱状TiO2-水纳米流体热管蒸发段温度略高于片状、棒状TiO2-水纳米流体热管蒸发段温度。 基液水热管冷凝段壁面温度比3种形貌TiO2-水纳米流体热管的低。 分析图7（b）发现， 虽然加热功率增大， 但片状TiO2-水纳米流体热管的蒸发段壁面温度仍低于棒状、菱状TiO2-水纳米流体热管的蒸发段壁面温度， 同时， 棒状TiO2-水纳米流体热管出现奇异现象， 蒸发段壁面温度陡升， 最高达到78.36 ℃， 即出现局部过热现象， 根据热管的工作原理［19］， 可以判定出现奇异现象的原因为毛细极限。

2.4  颗粒形貌对热管温差及热阻的影响

为了表征热管等温性能，给出加热功率为15、20、25、30、35 W时3种形貌TiO2-水纳米流体热管和基液水热管稳定工作时蒸发段与冷凝段的平均温差，如图8所示，其中蒸发段、冷凝段的温度点分布见图4。从图中可以看出：随着加热功率增大，所有热管的平均温度差呈线性增大。当加热功率相同时，片状TiO2-水纳米流体热管的平均温度差始终最小，比棒状、菱状TiO2-水纳米流体热管的相应平均温度差小2～3 ℃，表明其等温性能更好。除棒状TiO2-水纳米流体热管在加热功率35 W时出现过热现象导致温差最大外，基液水热管的平均温度差均大于3种颗粒形貌纳米流体热管的平均温度差，表明TiO2纳米流体热管的等温性能优于基液水热管的。

3种形貌TiO2-水纳米流体热管及基液水热管的总热阻对比如图9所示。 从图中可以看出，隨着加热功率的增大， 3种形貌TiO2-水纳米流体热管和基液水热管的总热阻呈小幅减小趋势， 其中片状TiO2-水纳米流体热管的总热阻最小， 基液水热管的热总热阻最大（加热功率为35 W时例外）。

3  结论

本文中制备了不同颗粒形貌的TiO2-水纳米流体，探讨TiO2纳米颗粒形貌对热管工作性能的影响，得到如下结论：

1）热管内工作介质TiO2-水纳米流体的导热系数都随着温度的升高而增大。当温度相同时，3种形貌的TiO2-水纳米流体按照导热系数由大到小的顺序是片状TiO2-水纳米流体、菱状TiO2-水纳米流体、棒状TiO2-水纳米流体、基液水。当温度为65 ℃时，片状、菱状、棒状TiO2-水纳米流体的导热系数分别比基液水的提高了40.1%、36.5%、33.5%。

2）随着加热功率的增大，片状TiO2-水纳米流体热管蒸发段的壁面温度始终低于棒状、菱状TiO2-水纳米流体热管蒸发段的，而且棒状TiO2-水纳米流体热管出现过热的奇异现象。

3）棒状、片状、菱状TiO2-水纳米流体热管和基液水热管在加热功率分别为15、20、25、30、35 W时都能正常启动，当加热功率相同时，片状TiO2-水纳米流体热管启动最快。

4）当加热功率相同时，相对于棒状、菱状TiO2-水纳米流体热管， 片状TiO2-水纳米流体热管稳定工作时蒸发段与冷凝段的平均温度差减小2～3 ℃， 总热阻减小4.4%～28.3%。

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（责任编辑：刘  飚）