納米技術(shù)在傳熱中的應(yīng)用

1、納米技術(shù)在傳熱中的應(yīng)用摘要： 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，器件的尺寸已進(jìn)入到微/ 納米尺度。由于量子效應(yīng)、表面及界面效應(yīng)，使得微尺度下的熱物性與宏觀尺度下有了明顯的區(qū)別。人們針對(duì)微觀傳熱領(lǐng)域的特點(diǎn)，發(fā)展了聲子玻爾茲曼傳輸方程、分子動(dòng)力學(xué)等方法，取得了一定的成果，但仍存在不少問(wèn)題。本文綜述了當(dāng)前研究的現(xiàn)狀，以及目前所面臨的挑戰(zhàn)和問(wèn)題。關(guān)鍵字： 納米技術(shù) 強(qiáng)化傳熱 導(dǎo)熱 對(duì)流 輻射前言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和能源問(wèn)題的日益突出， 熱交換系統(tǒng)的傳熱負(fù)荷和熱強(qiáng)度日益增大， 這就對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的純液體換熱工質(zhì)(如水、油、醇等)已很難滿足一些特殊條件下的傳熱和冷卻要求， 因此， 研制導(dǎo)

2、熱系數(shù)高、傳熱性能好的高效新型換熱工質(zhì)是當(dāng)前強(qiáng)化傳熱技術(shù)的重點(diǎn)。納米技術(shù)是在前沿科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，其研究與開發(fā)還處于起步階段。納米材料由于量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等，使納米材料在力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能、熱學(xué)性能等方面與傳統(tǒng)的固體材料有著不同的特殊性質(zhì)，使其成為了近十年來(lái)材料科學(xué)與工程的新興領(lǐng)域，被譽(yù)為21世紀(jì)最有前途的材料，有著極為廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。如何充分利用納米材料已知和仍然未知的特殊性能以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域是目前擺在國(guó)內(nèi)外科研工作者面前急需解決的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀：1995年，美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Choi1等人首次提出了一個(gè)嶄新的

3、概念納米流體：即以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì)。Choi和Eastman2等人分別測(cè)試了Cu-水、Cu-機(jī)油、Al2O3、SiO2-水、TiO2-水等納米流體導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以不到5%的體積比在水中添加氧化銅納米粒子，形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比水提高60%以上。Eastman 等3采用氣相沉積法制備了CuO/ 水、Cu/ 機(jī)油、A12O3/ 水等幾種納米流體，通過(guò)電鏡觀察及靜置實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米流體懸浮液中粒子分散性較好、懸浮穩(wěn)定性較高。Wilson 等4通過(guò)濃縮金屬鹽制備金屬納米粒子，用該方法制備了 AuPd合金膠狀顆粒，其 TEM 照片

4、表明納米粒子分散均勻且具有非常窄的尺度分布?？梢?，單步法把納米粒子的制備與納米流體的制備結(jié)合在一起，所制得的納米顆粒粒徑小，納米顆粒在流體中分散好，無(wú)需加入分散劑或改性處理就能得到穩(wěn)定懸浮的納米流體。但是該方法適合在低蒸汽壓的流體中制備含金屬粒子的納米流體，并且對(duì)設(shè)備要求較高，費(fèi)用高，產(chǎn)量小，不易于工業(yè)化生產(chǎn)。Liu5等人研究了懸浮液內(nèi)固體顆粒的體積含量和顆粒尺寸對(duì)其在流動(dòng)中引起的壓力降帶來(lái)的影響，結(jié)果表明當(dāng)懸浮液的固相體積含量小于20%時(shí)，與單項(xiàng)流體相比，懸浮液流動(dòng)引起的壓力降并無(wú)明顯增加。根據(jù)這一結(jié)果，Choi認(rèn)為使用納米流體作為傳熱介質(zhì)，在提高傳熱系數(shù)時(shí)，可顯著節(jié)約泵動(dòng)力，這將導(dǎo)致開發(fā)高

5、效熱流體重大的技術(shù)突破，把納米流體應(yīng)用于新型換熱器，可減少尺寸和重量、降低運(yùn)行成本、提高總體性能。謝華清6等把納米 Al2O3、SiC 粉體，在分散劑的作用下，通過(guò)超聲、磁力攪拌分散到水、乙二醇、泵油中制得納米流體;宣益民7等把金屬 Al、Cu 納米粉體，在分散劑的作用下，通過(guò)超聲分散到水、機(jī)油、航天傳熱液等介質(zhì)中制得納米流體。顯然，兩步法制備工藝簡(jiǎn)單、工序少、花費(fèi)少，易于批量化生產(chǎn)，幾乎是用于所有的流體介質(zhì)，因而在納米顆粒制備的基礎(chǔ)上采用兩步法合成納米流體存在潛在的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。Lee 等8實(shí)驗(yàn)研究了懸浮液中納米顆粒表面電荷對(duì)熱傳導(dǎo)率的影響，表明納米流體的 pH 值很大程度上影響了流體的熱性能。

6、pH 值越偏離顆粒的零電位，懸浮液中納米顆粒就越穩(wěn)定。Vadasz9認(rèn)為納米流體瞬間熱傳導(dǎo)過(guò)程可以為導(dǎo)熱系數(shù)增加提供一個(gè)合理的解釋。Keblinski 和 Choi10等定性研究了納米流體中導(dǎo)熱強(qiáng)化的可能機(jī)制，分析了納米顆粒在基液中的布朗運(yùn)動(dòng)、納米顆粒表面吸附的薄液層、納米顆粒內(nèi)部熱載子彈性散射以及納米顆粒團(tuán)聚等四個(gè)方面因素對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)強(qiáng)化的作用機(jī)理。隨后，清華大學(xué)王補(bǔ)宣等在 Keblinski 與 Choi的納米流體強(qiáng)化導(dǎo)熱系數(shù)分析觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用分形理論和考慮納米粒子表面顆粒吸附液體效應(yīng)，建立了有效導(dǎo)熱系數(shù)模型，分析了低濃度非金屬納米顆粒懸浮液導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)的機(jī)理。宣益民等根據(jù)布朗運(yùn)

7、動(dòng)理論模擬納米粒子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)及其在流體中的聚集過(guò)程，運(yùn)用分形理論描述納米粒子團(tuán)的聚集結(jié)構(gòu)，并考慮納米粒子的運(yùn)動(dòng)傳熱，建立了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)模型。用其模型預(yù)測(cè) Cu 水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，理論值與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致，而考慮納米粒子聚集結(jié)構(gòu)時(shí)，獲得導(dǎo)熱系數(shù)理論值與實(shí)驗(yàn)值更為吻合。他們還通過(guò)引入納米粒子的相互作用勢(shì)及流體分子對(duì)納米粒子的布朗力的影響，建立了納米流體的格子 Boltzmann 模型，模擬了靜止及流動(dòng)狀態(tài)下納米粒子的分布。結(jié)果說(shuō)明納米流體中納米粒子的形態(tài)受布朗運(yùn)動(dòng)和粒子間作用勢(shì)的影響，納米流體的布朗運(yùn)動(dòng)可以有效地抑制粒子的聚集和沉降，使粒子分布更均勻，有利于納米流體的能量傳輸納米技術(shù)在

8、傳熱領(lǐng)域的應(yīng)用原理：1）納米技術(shù)在導(dǎo)熱中應(yīng)用的機(jī)理自Borom提出AlN是良好的聲子熱導(dǎo)體后，人們對(duì)AlN的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣9。絕緣非磁性陶瓷，熱傳導(dǎo)主要是晶格間非諧振作用產(chǎn)生的聲子傳導(dǎo)。導(dǎo)熱率K為：式中c單位體積聲子的熱容;v聲子運(yùn)動(dòng)的速度(即晶體內(nèi)傳播的聲速);l聲子的平均自由程;聲子振動(dòng)頻率;D德拜(Debye)振動(dòng)頻率。對(duì)于一定物質(zhì)，v為常數(shù)，在低溫下(即10K以下)熱容c隨溫度T3趨于零，在超過(guò)德拜溫度QD(AlN為950K)的高溫下，c接近于恒量3NKB(KB波爾茲曼常數(shù);N阿佛加德羅常數(shù))。因而，導(dǎo)熱率K在低溫下取決于熱容，而在德拜溫度以上的高溫下，則受與溫度成反比的聲子平均

9、自由程支配。在10K德拜溫度之間，溫度是影響導(dǎo)熱率的重要因素。由此可見，影響導(dǎo)熱率的因素除溫度外，主要由聲子平均自由程決定;自由程的大小由聲子的碰撞或散射決定。影響熱傳導(dǎo)性質(zhì)的聲子散射主要有以下兩類結(jié)構(gòu)：第一類是晶格本身的缺陷;第二類是位于連續(xù)多晶體處的晶界缺陷。晶格本身的缺陷主要是由于原料中的雜質(zhì)引入的。氧雜質(zhì)是AlN中的主要雜質(zhì)，該雜質(zhì)進(jìn)入晶格后，使晶格發(fā)生局部畸變，由此產(chǎn)生應(yīng)力作用，引起位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷。這些缺陷引起聲子散射，降低了AlN的導(dǎo)熱率。晶界缺陷主要是由于燒結(jié)行為引入的。改善以上兩種缺陷的最主要的方法就是在燒結(jié)AlN時(shí)添加燒結(jié)助劑。納米粉末由于表面積和表面原子所占比例都很大，所

10、以具有很高的能量狀態(tài)，在較低的溫度下便有較強(qiáng)的燒結(jié)能力。它可以與AlN粉末中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成液相，使燒結(jié)趨于致密化，并把氧固定在晶界中，以得到較高的熱導(dǎo)率。2）納米技術(shù)在對(duì)流傳熱中的應(yīng)用機(jī)理美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Choi1等人首次提出了一個(gè)嶄新的概念納米流體：即以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì)。但是迄今為止，還沒(méi)有一個(gè)比較精確的理論描述納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，Hamilton和Crosser5提出了一個(gè)模型，用來(lái)計(jì)算當(dāng)兩相導(dǎo)熱系數(shù)比大于100時(shí)的液-固混合物的導(dǎo)熱系數(shù)：式中p不連續(xù)粒子相的導(dǎo)熱系數(shù); f介質(zhì)液體的導(dǎo)熱系數(shù); 粒子的體積份額

11、; n經(jīng)驗(yàn)形狀因子，n =3/，指粒子的球形度，其定義為體積和粒子相等的球的表面積之比以上公式適合于懸浮有微米或毫米級(jí)固體粒子的兩相混合物，在沒(méi)有合適的公式用來(lái)計(jì)算納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的情況下，可用以上公式進(jìn)行估算。從以上模型可以看出納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)同時(shí)依賴于粒子的體積份額和球形度。對(duì)于一給定的粒子形狀，懸浮有納米固體粒子的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著粒子體積份額的增加而增大;當(dāng)粒子體積份額一定時(shí)，通過(guò)減小粒子的球形度可以增大納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，這說(shuō)明了納米粒子的形狀和性質(zhì)對(duì)納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)有很大的影響。3）納米技術(shù)在輻射換熱中應(yīng)用的機(jī)理 對(duì)于納米材料，由于晶粒尺寸小到了納米量級(jí)，使材料的結(jié)構(gòu)特別是

12、晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其紅外吸收發(fā)生明顯變化。對(duì)納米材料光譜的研究近年來(lái)有許多的報(bào)道，主要集中在納米氧化物、氮化物和半導(dǎo)體納米材料上。對(duì)大多數(shù)納米材料而言，其紅外吸收將隨著材料粒徑的減小主要表現(xiàn)出吸收峰的藍(lán)移和寬化現(xiàn)象，但也有的納米材料由于晶格膨脹和氫鍵的存在出現(xiàn)藍(lán)移和紅移同時(shí)存在的現(xiàn)象。關(guān)于納米材料紅外光譜的吸收特征是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程。對(duì)藍(lán)移和寬化等現(xiàn)象可以做如下的解釋。首先，導(dǎo)致納米材料紅外吸收藍(lán)移的因素可歸因于小尺寸效應(yīng)。這種觀點(diǎn)主要建立在鍵的振動(dòng)基礎(chǔ)上。由于納米材料的尺寸很小，表面張力較大，顆粒內(nèi)部發(fā)生畸變使鍵長(zhǎng)變短，這就導(dǎo)致鍵的振動(dòng)頻率升高，使光譜發(fā)生藍(lán)移。另一種觀點(diǎn)是

13、量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致能級(jí)加寬，利用這一觀點(diǎn)也可以解釋同樣的吸收帶為何在納米態(tài)下發(fā)生藍(lán)移。其次，在納米材料的制備過(guò)程中，很難控制材料的粒徑一致。由于顆粒的大小有一個(gè)分布，使得各個(gè)納米顆粒子表張力有差別，晶格畸變程度也不相同，因此納米材料的鍵長(zhǎng)也有一個(gè)分布，這是引起吸收帶寬化的原因之一。另外，界面效應(yīng)也可以引起納米材料吸收帶的寬化。這是因?yàn)榧{米材料表面原子數(shù)很大，在界面處存在大量的缺陷，原子配位數(shù)不足，失配鍵較多，使得界面和納米粒子內(nèi)的鍵長(zhǎng)不一樣，還有界面上原子的排列有一定差異等導(dǎo)致整個(gè)納米材料的鍵長(zhǎng)有一個(gè)很寬的分布。納米流體傳熱特性研究中存在的問(wèn)題納米流體是個(gè)全新的概念，納米流體的應(yīng)用涉及納米材料科

14、學(xué)、熱物理科學(xué)、物理化學(xué)等諸多學(xué)科，是多學(xué)科的交叉和滲透。目前，我們對(duì)納米流體這種材料的性能和局限性了解不多，從理論上解釋納米流體的熱物性和傳熱行為還停留在初步階段。特別是還沒(méi)有人從熱傳遞，流變學(xué)和相變行為的綜合角度去定義和理解納米流體;同時(shí)，對(duì)納米流體中導(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)增加的納米顆粒尺寸效應(yīng)的重要性知之甚少，對(duì)粒子穩(wěn)定分散需要的條件還不清楚;布朗運(yùn)動(dòng)的作用、顆粒之間的相互作用、粒子團(tuán)聚以及應(yīng)用場(chǎng)效應(yīng)等對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)增加的作用也不很清楚這些未知因素將嚴(yán)重阻礙納米流體的快速實(shí)際應(yīng)用。所以納米流體近期的主要目標(biāo)仍在于解決以下方面的問(wèn)題：(1)由于實(shí)驗(yàn)條件、試件的材料和制作工藝的差異，使得這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間缺

15、乏統(tǒng)一的評(píng)標(biāo)準(zhǔn);(2)納米流體懸浮液的穩(wěn)定性問(wèn)題;(3)納米流體傳熱機(jī)理的理論研究。綜上所述納米流體導(dǎo)熱性能表現(xiàn)出許多特異的行為，測(cè)量得到的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)顯著高于理論計(jì)算值，現(xiàn)有的關(guān)于固液混合物導(dǎo)熱性能的理論均不能解釋這種現(xiàn)象，應(yīng)該基于對(duì)微尺度傳熱和納米顆粒在納米流體內(nèi)的物理和化學(xué)行為的研究，發(fā)展新的納米流體導(dǎo)熱性能理論來(lái)解釋這些現(xiàn)象。新理論的應(yīng)用，將有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)納米流體的性質(zhì)以及特殊用途?？偨Y(jié)：納米技術(shù)在改變傳統(tǒng)的強(qiáng)化傳熱觀念方面，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)階段納米技術(shù)應(yīng)用于傳熱領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)、測(cè)試方法和手段還處于初級(jí)階段，有待于進(jìn)一步的提高。人們發(fā)展了許多理論模型，理論方法研究微尺度

16、下的熱傳導(dǎo)，在各方面都取得了很大的進(jìn)展，但也面臨諸多問(wèn)題，本文僅討論了其中一部分當(dāng)前的進(jìn)展和所面臨的問(wèn)題?？傮w來(lái)說(shuō)，這一領(lǐng)域的理論還不夠成熟，要充分理解微/納尺度下的熱傳導(dǎo)，還要需要大量的實(shí)驗(yàn)和分析，需要開發(fā)一些新的概念和方法，也需要一定的時(shí)間。參考文獻(xiàn) 1 Choi。U S。Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles， Developments and applications of non -Newtonian flowsJ。Appl。Phys 1995，(66)：99-103。 2 Eastman J A，Cho

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