金納米流體的制備及其性能研究

牛艷芳

(山東英才學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250104)

納米流體是具有高導(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)，由納米粉體分散到傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中制備而成。因其優(yōu)良特性，目前在能量傳遞領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。制備納米流體通常使用的納米材料有銅、銀、氧化銅、氧化鋁、二氧化硅、碳化硅等，通常使用的基液有水、油、丙酮、癸烯和乙二醇等，且對(duì)這部分納米流體的研究可明顯表現(xiàn)出其良好的換熱特性[5-10]。近年不乏有研究金納米流體制備的科學(xué)工作者[11]，但鮮有文章深入探究其具體熱物性，因此，本文試驗(yàn)研究了金納米流體導(dǎo)熱性、黏度、接觸角和表面張力等熱物性能，旨在為金納米流體在換熱設(shè)備、工程加工等領(lǐng)域的使用提供參考。

1 金納米流體的制備及表征

圖1 金納米流體吸收值隨波長(zhǎng)變化曲線

本文選用南京先豐納米科技有限公司生產(chǎn)的金納米粉體，以兩步法制備出濃度分別為0.05、0.1、0.15、0.2 g/L的金納米流體。本文采用吸光度法分析了所制備的金納米流體懸浮穩(wěn)定性。圖1為金納米流體吸光度隨波長(zhǎng)變化曲線，圖中表明，在525 nm處出現(xiàn)吸收峰，但該吸收峰低于最大吸收值，故選用最大吸收值波長(zhǎng)(300 nm)進(jìn)行測(cè)定。圖2為波長(zhǎng)為300 nm時(shí)0、30、60 d后金納米流體的吸光度，結(jié)果表明，60 d后，吸光度比制備當(dāng)天下降了7.5%，且無(wú)明顯沉淀，表明金納米流體穩(wěn)定性良好。

圖2 波長(zhǎng)為300 nm時(shí) 0、30、60 d后金納米流體的吸光度

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

2.1 熱物性分析儀

導(dǎo)熱系數(shù)是研究納米流體性質(zhì)的主要指標(biāo)。本文使用KD2-Pro熱物性分析儀對(duì)金納米流體的導(dǎo)熱系進(jìn)行測(cè)量，該儀器的測(cè)量原理為“瞬態(tài)熱線法”。

2.2 黏度計(jì)

在流體傳熱換熱過(guò)程中，流體黏度的大小對(duì)系統(tǒng)的流動(dòng)阻力影響極大，隨之影響到傳熱換熱過(guò)程的能耗及效果。本文選用博勒飛DV2T黏度計(jì)測(cè)定水基納米流體的黏度。

2.3 表面張力儀

流體在固體表面的潤(rùn)濕性對(duì)其導(dǎo)熱性能有較大影響，潤(rùn)濕性較好的流體，在固體比壁面的熱阻較小，傳熱性能較強(qiáng)，而表面張力是表征流體潤(rùn)濕性能的重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)利用JK99全自動(dòng)張力儀對(duì)金納米流體表面張力進(jìn)行測(cè)定。

2.4 接觸角測(cè)量?jī)x

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

接觸角是潤(rùn)濕程度的量度，對(duì)研究金納米流體的傳熱特性，分析研究金納米流體的潤(rùn)濕性十分必要。本文使用JC2000D1型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量了金納米流體的靜態(tài)接觸角。

3.1 導(dǎo)熱系數(shù)

圖3 金納米流體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線

圖3為金納米流體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線。由圖可知，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)均高于基液水的導(dǎo)熱系數(shù)，且均隨金納米流體濃度的增加不斷增大。25℃下，濃度為0.05、0.1、0.15、0.2 g/L的金納米流體導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.62、0.68、0.72、0.78 W/mk。這是因?yàn)闈舛仍龃?，單位體積內(nèi)分散的金納米顆粒增加，納米顆粒與液體的微對(duì)流、顆粒與顆粒間的熱傳導(dǎo)增強(qiáng)，能量傳遞效率增加，導(dǎo)熱性能相應(yīng)增強(qiáng)。從圖中還可以看出，納米流體導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高而明顯提高，當(dāng)溫度由25℃上升到65℃，濃度為0.2 g/L的金納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)從0.78 W/mk增大到1.05 W/mk，增加了34.6%。這主要是因?yàn)闇囟仍礁?，布朗運(yùn)動(dòng)越明顯，納米顆粒與基液的微對(duì)流、顆粒之間的熱傳導(dǎo)增強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)增加。

3.2 黏度

圖4 金納米流體黏度隨溫度變化曲線

圖4為金納米流體黏度隨溫度變化曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，金納米流體的黏度值降低較為顯著。對(duì)于濃度為0.2 g/L的金納米流體，65℃時(shí)的黏度比25℃時(shí)降低了27.1%。同時(shí)隨金納米流體濃度的增大，其黏度值呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。25℃時(shí)，濃度為0.05～0.2 g/L的金納米流體的黏度值分別為1.115、1.129、1.148、1.176 mP·s，與基液相比，分別增加了6.2%，7.5%，9.3%，12.0%。因?yàn)榧{米顆粒及基液分子不停做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，濃度越高，流體內(nèi)納米粒子數(shù)量越大，納米粒子之間、粒子與基液分子之間的相互作用力越大，黏度值也就越大[12-13]。

3.3 潤(rùn)濕性能

3.3.1 表面張力

圖5 金納米流體表面張力隨溫度變化曲線

圖5為金納米流體的表面張力隨溫度的變化情況。由圖可知，同基液水相比，含有金納米顆粒的流體表面張力均有明顯降低。25℃時(shí)濃度為0.05～0.2 g/L的金納米流體，其表面張力比基液水最大降低9.3%，最少降低6.5%。這主要是因?yàn)橥核啾?，納米流體氣液界面上的部分液體分子受Au的吸附作用，使得液層內(nèi)致密度降低，向下的施加作用力減弱，從而導(dǎo)致表面張力減弱。同時(shí)可以看出，隨金納米流體的表面張力隨測(cè)量溫度從25℃升高到65℃而不斷減小。這是因?yàn)闇囟葧?huì)直接影響分子間的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)溫度升高時(shí)，液體受熱膨脹，液體分子動(dòng)能增加，分子間距增大導(dǎo)致分子間剪切力減弱，吸引力減小，液體內(nèi)聚能因此降低，從而導(dǎo)致金納米流體表面張力減小。

3.3.2 接觸角

圖6 以玻璃為基底的金納米流體接觸角變化曲線

圖7 以銅片為基底的金納米流體接觸角變化曲線

圖6、7分別是以玻璃及銅片為基底金納米流體接觸角變化曲線。由圖可知，金納米流體在玻璃片、銅片上均表現(xiàn)為潤(rùn)濕特性，其中在玻璃片上的潤(rùn)濕性比在銅片上好，表現(xiàn)為接觸角小于在銅片上的接觸角。對(duì)于不同粗糙度玻璃基底，接觸角均隨金納米流體濃度的增加而降低。濃度由0.05 g/L增加至0.2 g/L時(shí)，以粗糙度為0.016 μm的玻璃片為基底的金納米流體的接觸角分別為38.91、34.91、26.10、20.84°。濃度由0.05 g/L增加至0.2 g/L時(shí)，以粗糙度為0.033 μm的銅片為基底的金納米流體接觸角分別增大了30.05%、53.44%、56.08%。Chinnam等[14]揭示了納米流體內(nèi)部的顆粒對(duì)固著在基底表面液滴的作用，固體顆粒對(duì)液滴施加額外的向下的力，因此，基液中加入固體顆粒后接觸角將減小，液體中存在的納米顆粒越多，向下的力的作用效果也就越強(qiáng)，而接觸角將進(jìn)一步減小。

4 結(jié)論

本文表征了金納米流體并進(jìn)一步研究了其導(dǎo)熱系數(shù)、黏度、表面張力、接觸角性能，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)均高于基液水的導(dǎo)熱系數(shù)，且導(dǎo)熱系數(shù)隨著濃度的增加不斷增大。

(2)隨著溫度升高，納米流體導(dǎo)熱系數(shù)明顯提高。

(3)濃度及溫度均是影響金納米流體黏度值的重要因素，濃度越高其黏度值越大，溫度越高其黏度越低。

(4)不同濃度的金納米流體的表面張力均為不同程度的降低。

(5)金納米流體在玻璃片、銅片上均表現(xiàn)為潤(rùn)濕特性，其中在玻璃片上的潤(rùn)濕性比在銅片上好。