石墨微流體的有效導熱系數(shù)*

崔國根 楊曉西 丁靜 楊建平

(1.華南理工大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣東廣州510640;

2.東莞理工學院能源與化工系，廣東東莞523106;3.中山大學工學院，廣東廣州510275)

傳熱工質是影響器件散熱效率的一個重要因素［1-3］.1995年，Choi等［4］首先提出“納米流體”的定義，即1～100 nm的金屬或者非金屬粒子懸浮在基液中形成的穩(wěn)定流體，他們在研究中首次使用添加納米尺寸粉體的流體作為換熱工質，從此開啟了納米技術在傳熱技術領域的應用研究.

Das等［5］對納米流體的制備、性能表征以及應用進行了一系列的研究分析;YazΙcΙogˇlu、Mujumdar等［6-7］分別對納米流體的導熱、換熱性能強化做了較為詳盡的研究，并對納米流體的應用提出了很好的建議;Mahian等［8］對納米流體在太陽能熱利用方面進行了研究;Murshed等［9］針對納米流體的熱物性以及電動力學性能進行了詳盡的研究分析;Sureshkumar等［10］對納米流體的換熱性能(特別是納米流體在熱管中的換熱性能)進行了研究.

石墨具有高導熱、高導電、化學穩(wěn)定、耐高溫、高潤滑等優(yōu)良的特性;同時由于石墨的片狀結構，其在流體中不容易團聚沉淀，容易分散.我國石墨資源豐富，生產成本低，這都有利于石墨的批量生產和推廣應用.

19世紀60年代初，Brodie［11］將天然石墨與硫酸和硝酸等化學試劑作用后加熱，發(fā)現(xiàn)了膨脹石墨，然而其應用則在百年之后才開始.陳志剛等［12］對膨脹石墨的制備、結構和工業(yè)應用進行了相關研究;張正國等［13］對膨脹石墨復合材料的相變性能進行了系列研究，發(fā)現(xiàn)膨脹石墨的添加顯著提高了基體的有效導熱系數(shù)，同時提高了其儲能能力;李冬冬等［14］利用改性石墨作為橡膠復合材料，顯著提高了橡膠的有效導熱系數(shù).

朱海濤所在課題組研究了納米尺寸石墨在水中的穩(wěn)定性和有效導熱系數(shù)，結果表明，分別添加0.5%(體積分數(shù)，余同)、1%、2%的石墨粉體，對應的石墨納米流體有效導熱系數(shù)分別提高9%、12%、34%［15］.

影響石墨基微流體傳熱性能的因素有很多，如石墨微流體的黏度和流動狀態(tài)以及微流體本身的物理、化學特性等.文中首先通過物理、化學方法對天然石墨進行改性，獲得雙親石墨(既能穩(wěn)定分布在油性環(huán)境中也能穩(wěn)定在水性環(huán)境中)，然后研究了改性后的雙親石墨在石墨微流體中的體積分數(shù)以及改性條件等對石墨微流體有效導熱系數(shù)的影響.

1 石墨微流體的制備及結構特征

研究中選用宏達石墨公司生產的可膨脹石墨，用美的公司生產的家用微波爐(MM721NG1-PS型)加熱處理30～90s得到膨脹石墨;將膨脹石墨分別加入去離子水、乙二醇、二甲基硅油3種基液中(石墨體積分數(shù)為0.2%～1.0%)，用磁力攪拌器攪拌，使石墨跟液體充分混合，混合均勻后，使用美國Sonics公司生產的VCX130型超聲波粉碎儀超聲粉碎解離，形成石墨微流體，粉碎解離后流體中石墨的直徑約為5μm.超聲粉碎是得到既定石墨尺寸的關鍵性一步，超聲處理時間和輸出功率是控制粉體大小的重要參數(shù).

固定超聲波粉碎儀功率(總功率100 W，采用40%的功率)進行處理，處理時間依次為3～8min.超聲處理后的石墨微片的SEM照片如圖1所示;石墨含量0.4%、微波處理30 s、超聲3 min條件下，不同基液的石墨微流體的光學照片如圖2所示.

圖1 超聲處理后的石墨微片SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM image of ultrasonic-treated graphite micro sheet

2 石墨微流體的有效導熱系數(shù)

導熱性是石墨微流體的一個重要特性.文中采用瞬態(tài)熱線法測試流體的有效導熱系數(shù)［16］，重點研究了石墨含量、微波處理時間和超聲處理時間3個因素對石墨微流體有效導熱系數(shù)的影響.

2.1 石墨含量對石墨微流體有效導熱系數(shù)的影響

圖2 不同基液的石墨微流體的光學照片F(xiàn)ig.2 Optical images of graphite-based microfluids with different base fluids

實驗用石墨片為微波處理1min、超聲處理3min以后的樣品，實驗溫度為25℃.不同基液的石墨微流體的有效導熱系數(shù)隨石墨含量的變化如圖3所示.3種基液(去離子水、乙二醇、二甲基硅油)的有效導熱系數(shù)分別為0.59、0.25、0.19W/(m·K).

由圖3可見，添加石墨片后有效導熱系數(shù)顯著提高，而且隨著石墨片含量的增加，微流體的有效導熱系數(shù)增大，這是因為當石墨含量較低時，石墨分散在基液中后，粒子間相互分離，石墨與石墨之間的相互作用較弱，整體有效導熱系數(shù)較小，隨著石墨含量的增加，石墨粒子間的相互作用增強，甚至形成類似于鏈狀或者網(wǎng)狀結構的導熱網(wǎng)鏈，有效導熱系數(shù)明顯增加，隨著石墨含量的進一步增加，形成的導熱網(wǎng)鏈數(shù)量增加，有效導熱系數(shù)持續(xù)增大［17-18］.石墨含量從0.2%升高至1.0%時，去離子水基石墨微流體的有效導熱系數(shù)從0.69W/(m·K)增至1.21W/(m·K)，乙二醇基石墨微流體的有效導熱系數(shù)從0.33W/(m·K)增至0.49W/(m·K)，二甲基硅油基石墨微流體的有效導熱系數(shù)從0.30W/(m·K)增至0.73W/(m·K).經(jīng)計算，相比于其基液，去離子水基石墨微流體、乙二醇基石墨微流體、二甲基硅油基石墨微流體有效導熱系數(shù)的提高幅度分別為14.91%～102.09%、34.13%～93.17%、33.87%～225.69%.值得一提的是，因為基液的不同，石墨含量相同時，各微流體的有效導熱系數(shù)提高幅度差別很大，3種基液中，有效導熱系數(shù)提高幅度依序為二甲基硅油﹥乙二醇﹥去離子水.顯然，對于石墨來說，油性液體優(yōu)于水性液體.這是由于天然石墨的親油性所致，既使天然石墨通過表面改性引入了少量親水基團，但是其親油性仍然大于親水性，所以跟油性分子具有較好的附著力.由于在油性液體中，兩相滲透較好，附著力強，所以界面熱阻小，有效導熱系數(shù)大.

但是，由于油性硅油黏度大，動力泵功率消耗大，更為關鍵的是其自身的有效導熱系數(shù)比較低，從而限制了它的工業(yè)應用.乙二醇和水具有很好的相容性，同時具有較高的有效導熱系數(shù)和油性溶液的特征，乙二醇和去離子水的混合物是未來導熱流體基液的最佳選擇.

圖3 不同基液的石墨微流體的有效導熱系數(shù)與石墨含量的關系Fig.3 Effective thermal conductivity of graphite-based microfluids in different base fluids versus graphite volume fraction

2.2 微波處理時間對石墨微流體有效導熱系數(shù)的影響

微波加熱是使石墨快速膨脹、層間脫離的有效方法.膨脹石墨在微波加熱的高溫氣化過程中，片層的連接處首先被層間化合物的分解氣流脹開，使石墨快速高倍膨脹.石墨含量為0.4%的乙二醇基石墨微流體經(jīng)微波處理不同時間后的有效導熱系數(shù)如圖4所示.由圖4可見，微波處理時間與石墨微流體的有效導熱系數(shù)近似成反比關系.

圖4 乙二醇基石墨微流體有效導熱系數(shù)與微波處理時間的關系Fig.4 Effective thermal conductivity of graphite-based microfluids with ethylene glycol as base fluid versus microwave time

高溫膨脹時間對石墨膨脹體積有一定的影響，這是因為膨脹時間不夠就達不到膨脹的效果;隨微波作用時間的延長，膨脹時間過長，會造成石墨的粉碎性膨脹，破壞石墨的網(wǎng)狀結構［3］，所以，長時間的微波處理會使石墨的孔徑增大，本身結構更加疏松，而且膨脹得更加均勻，這種情況下，經(jīng)過相同時間的超聲處理，石墨更加容易被超聲打碎，而且石墨片尺寸更小，從而使石墨片的比表面積降低，降低了石墨自身的導熱性能，從而削弱了微流體的導熱性能.

2.3 超聲處理時間對石墨微流體有效導熱系數(shù)的影響

超聲解離是納米流體制備過程中重要的一環(huán).超聲粉碎是利用超聲空化作用產生的局部高溫高壓使膨脹石墨上的石墨微片脫離支撐納米石墨微片.由于納米粉體的表面能大，粉體之間極易形成團聚體而聚沉，超聲處理能破壞粉體間的范德華鍵，從而使納米流體穩(wěn)定分散.對于具有較大長徑比的粉體(如碳納米管)的流體分散過程來說，超聲解離可以降低其纏繞，提高其分散性，同時截斷粉體，從而降低其形成的納米流體的有效導熱系數(shù).Xie等［19］研究發(fā)現(xiàn)，隨著機械研磨時間的延長，碳納米管納米流體的有效導熱系數(shù)先升高后降低.碳納米管微觀照片顯示:隨著機械處理時間的延長，液體中的纏繞碳納米管首先解離，而后慢慢被截斷而變短;由于碳納米管長徑比降低，導致其流體導熱效率降低.超聲解離可以打開石墨的多層結構，形成層數(shù)較少或者單層的石墨，提高石墨跟基質流體的接觸面積，同時由于超聲處理打開了石墨多層結構，降低了石墨的密度.然而，同碳納米管一樣，長時間的超聲處理會使石墨片層解離，石墨片層的尺寸減小;同時過度超聲也會在石墨片上產生缺陷，降低石墨自身的導熱性能，從而削弱微流體的導熱性能.

文中通過實驗測試經(jīng)不同時間超聲處理后得到的石墨微流體的有效導熱系數(shù)，探索超聲處理時間對石墨微流體有效導熱系數(shù)的影響，結果如表1所示.

表1 石墨微流體有效導熱系數(shù)提高幅度與超聲處理時間的關系Table 1 Increment of effective thermal conductivity of graphitebased microfluidics versus ultrasonic time

由表1可見，超聲處理時間對流體的有效導熱系數(shù)影響較大，隨著超聲處理時間的延長，有效導熱系數(shù)的增幅減小.這是由于隨著超聲時間的延長，石墨片層的平均尺寸逐漸變小、直徑減小，石墨片的直徑和厚度比顯著降低，從而導致石墨流體的有效導熱系數(shù)降低.

3 結論

通過對石墨含量、超聲處理時間、微波處理時間及基液種類對石墨流體有效導熱系數(shù)影響的研究，得出如下主要結論:

(1)不同基液的石墨微流體的有效導熱系數(shù)均隨石墨含量的升高而升高，石墨含量為1.0%時，以去離子水、乙二醇以及二甲基硅油為基液的石墨微流體的有效導熱系數(shù)提高幅度分別為102.09%、93.17%、225.69%;

(2)基液的種類對石墨微流體的有效導熱系數(shù)有一定影響，石墨含量、超聲處理時間及微波處理時間相同時，以二甲基硅油為基液的石墨微流體的有效導熱系數(shù)增幅最大，乙二醇次之，去離子水最小;

(3)微波處理時間與石墨微流體的有效導熱系數(shù)近似成反比關系;

(4)隨著超聲處理時間的延長，石墨微流體的有效導熱系數(shù)增幅顯著降低.

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