纳米流体新型能源材料研究进展.pdf

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1、苣题i 仑述机械研究与应用一纳米流体新型能源材料研究进展李文星1 2，杨建玺2，连黎明2(1 河南科技大学机电工程学院，河南洛阳4 7 1 0 0 3；2 新乡学院机电Y-$t 学院，河南新乡4 5 3 0 0 3)摘要：纳米流体是将纳米粒子添加传统介质中，制备成的均匀、稳定、高性能的新型工质。目前研究表明纳米流体由于其高导热系数及流体中纳米粒子的特殊性质，显示了纳米流体在强化换熟特别是在能源领域的广阔应用前景。分别从纳米流体的基础物性包括制备与稳定性，以及纳米流体的导热与对流特性进行了综述，分析了纳米流体在能源利用中的研究进行，总结了纳米流体作为新型的能源材料存在的问题与未来发展方向。为纳米

2、流体新型能源材料的利用提供了研究参考。关键词：纳米材料；能源材料；稳定性；导热；对流中图分类号：T G l 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 6 4 4 1 4(2 0 1 0)0 6 0 0 0 1-0 3D e v e l o p m e n to fn e we n e r g ym a t e r i a ll l a n of l u i dL iW e n x i n 9 1”，Y a n gJ i a n x i 2，L i a nL i r u i n g。(1 E l e c t r o m e c h n i c a le n g i n e e r i n gc o

3、l l e g e；l l e n a nu n i v e r s i t yo f s c i e n c e&t e c h n o l o g y，L u o y a n gH e n a n4 7 1 0 0 3，C h i n a；2 E l e c t r o m e c h n i c a le n g i n e e r i n gc o l l e g e；X i n x i a n gu n i v e r s i t y。t t e n a nX i n g x i n a g4 5 1 0 0 3，C h i n a)A b s t r a c t：N a n of

4、l u i dm e s l 帽a d d i n gn a R op a r t i c l e st ot r a d i t i o n a lm e d i aa n d lp r o d u c el l o m o g e n e s，s t a b l e，h i s h p e r f o r m a n c en e wm e d i u m R e c e n tr e s e a r c hs h o w st h a tn a n o m e t e rf l u i d，d u et oi t sh i 曲t h e r m a lc o n d u c t i v

5、i t ya n df l u i di nt h es p e c i a lp r o p e r-t i e so ft h en a n op a r t i c l e s，h a sa b u n d a n tp r o s p e c t 印p l i c a t i o ni ne n h a n c e dh e a te s p e c i a l l yi nt h ee n e r g yf i e l d T h ep a p e rd e-s c r i b e sn a n o m e t e rf l u i df o u n d a t i o np r o

6、 p e r t yi n c l u d i n gt h ep r e p a r a t i o n，s t a b i l i t y，h a l l of l u i dt h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h es a m-m a r i z e dc o n v e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sr e s p e c t i v e l y I ta n a l y z e dt h en a n o m e t e rf l u i di nt h ee n e r g yu t i

7、 l i z a t i o na n ds u m m a r i z e st h ep r o b l e m sa n df u t u r ed e v e l o p m e n td i r e c t i o nf o rn a n of l u i d an e we n e r g ye x i s t i n gm a t e r i a l s w h i c hp r o v i d e sr e f e r e n c et ot h ea p p l i c a t i o no fl l a n of l u i d 嬲n e we n e r g ym a t

8、 e r i a l K e yw o r d s：n t l i l Om a t e r i a l s；e n e r g ym a t e r i a l；s t a b i l i t y；h e a tc o n d u c t i o n；c o n v e c t i o n1引言开发新能源、发展新能源材料及相应的能源技术，推进人类社会能源消费结构改进，不仅是我国也是世界各国寻求可持续发展必须面临的挑战。在众多的新能源技术中，纳米技术近年来正在引起世界各国学者的重视。纳米颗粒由于粒子尺寸与传导电子德布罗意波长以及超导态的相干波长物理尺寸相当甚至更小，其周期性边界条件受到破坏，纳

9、米颗粒的物理特性与普通材料发生了较大变化，同时由于纳米颗粒粒径的变小表面效应急剧增大，出现了特殊的能源利用价值和特性uJ，纳米材料的量子效应、大比表面积效应以及界面原子排列和键组态的无规则特性也使得纳米颗粒的特性发生明显变化【3J。纳米流体作为能源材料最早在2 0 世纪8 0 年代被提出并被部使用，研究纳米流体的基础物性以及导热、对流特性不仅具有重要的科学意义，同时对于高效利用能源有着重要的应用意义。2 纳米流体基础研究进展随着纳米材料科学的发展，2 0 世纪9 0 年代以来，研究人员开始将纳米技术应用于能源工程领域。美国A r g o n n e 国家实验室的C h o i 等人Ho 在1

10、9 9 5 年提出了纳米流体概念：把纳米金属或非金属粉体分散到水、醇、油等介质中，制备成均匀、稳定的新型介质体系。2 1 纳米流体制备方法研究进展制备稳定存在分散均匀的纳米流体是研究纳米流体问题的基础b】。如何将纳米颗粒分散在液体介质中，形成分散性好，稳定性高，不团聚的纳米流体，成为研究纳米流体物性和工程应用纳米流体的基础。目前，应对不同的研究和工程需要纳米颗粒通常通过各种不同的方法被添加到水和有机溶剂中制成纳米流体【6 J。总体上纳米流体的制备方法有以下两类：(1)两步法制备纳米流体：早期的纳米流体研究多采用两步法制备得到纳米粉体，而后将纳米颗粒分散于流体基液中制备得到纳米流体H j。由于纳

11、米颗粒团聚的特殊性，将固体纳米颗粒粉体分散于流体中同时使得颗粒团聚体分散开来，普通的机械搅拌分散已远远不能达到要求，而需要超声分散，该方法的原收稿日期：2 0 1 0 一l O 1 2作者简介：李文星(1 9 6 8 一)，男，河南新乡人，副教授，研究方向：机械工程。万方数据苣题i 仑述一机械研究与应用一理是利用超声频振产生的空穴效应破坏纳米团聚体中颗粒间的吸引力，从而达到分散颗粒的目的。为了进一步的保证纳米流体的稳定性，对于超声分散过的纳米流体一般会进行再处理，目前再处理的方法主要有3 种：添加分散剂或调节p H 值，该方法实用性较强，是目前最为简单常用的方法；添加表面活性剂包裹纳米颗粒，该

12、方法也相对较为简单，但是由于颗粒材料表面的性质与表面活性剂的性质可能存在差异，活性剂种类的选择尤为重要；使用各种作用力再次分散团聚的纳米颗粒，其主要原理是利用高压冲击作用。(2)一步法直接制备纳米流体：近年来一步法制备纳米流体逐渐引起了研究者的重视，一步法制备纳米流体也被称为化学法制备纳米流体，它是利用化学反应，在液相中直接生成纳米颗粒，进而得到纳米流体。利用真空环境加热金属，使金属加热气化成金属烟雾，金属烟雾在碰到周围流动的冷油介质时迅速冷却成核，首先形成原子团簇，进而形成纳米颗粒，通过改变金属原材料和液体介质，就可以制备得到各种纳米流体，用该法制备的悬浮液稳定性较好，颗粒团聚少，能存放几周

13、或几个月的时间。近年来，研究者对一步法制备纳米流体进行了大量研究，虽然一步法制备纳米流体目前还没有实现工业化，但一步法制备纳米流体与两步法制备纳米流体相比有着独特的优势。用一步法制备的纳米流体可以很好的控制颗粒的尺寸和颗粒粒径分布，对于科学研究有重要的意义。2 2 纳米流体稳定性研究进展纳米流体的稳定性是纳米流体的一个重要性能指标，纳米流体的稳定性能直接决定了其工程适用性。为了分析纳米流体的稳定性，研究者对于纳米颗粒在流体中的分散过程进行了研究，对其分散过程进行了概述(以水为基液)哺】：颗粒排开周围水分子并占据一定的几何空间，水分子和颗粒表面的晶格阳离子或阴离子发生作用(水合作用)；一定数量的

14、晶格离子由于水合作用而转移到水中(溶解或表面选择性溶解)；在溶液中形成水合配离子，这些离子又向颗粒表面竞争吸附(选择性吸附)；产生表面电势形成颗粒表面双电层，形成界面结构化水膜。所以，为了得到高稳定性能的纳米流体，研究者认为对于纳米流体必须综合考虑颗粒与颗粒之间以及颗粒与基液之间的相互作用力，同时使得纳米颗粒分散时遵循两个基本原则：润湿原则(极性相似原贝)：颗粒必须被液体介质润湿，从而能很好的浸没在液体介质中；表面力原则：颗粒间的总表面力必须保持一个较大的正值，从而使颗粒间有足够的排斥力以防止颗粒因直接接触而团聚粘结。2 3 纳米流体导热特性研究进展流体导热系数作为一个关键的热物性参数，同时作

15、为作为一种新型的换热工质，也是国内外学者的研究重点之一。早期关于纳米悬浮液热传导的研究主要集中在添加了高浓度氧化物颗粒的流体的热物性改变。目前，对于纳米流体的导热的研究，国内外学者开展了大量的工作归J。1 9 9 3 年，日本T o h o k u 大学M a s u d a H 等分别在水中添加平均粒径为1 3n m 的Y A l：0 3 和2 7 n m 的T i O：粒子，制备了不同体积浓度的悬浮液，运用瞬态热线法测试了纳米粒子悬浮液的导热系数。实验结果表明，在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导热系数。在水中添加4 3 体积比1 一A 1 2 0 3 和T i O：粒子，形成的纳米粒

16、子悬浮液的导热系数比水分别提高3 2 和l l。两种纳米粒子悬浮液的粘度实验结果表明，悬浮液粘度并未明显增大，预计流动时将不会引起大的阻力损失，这是文献报道的首例关于纳米颗粒应用于强化传热新技术的研究。1 9 9 5年，美国A r g o n n e 国家实验室的C h o i 等人采用传统的固液相悬浮液导热系数关联式对纳米流体的导热系数进行了模拟计算，计算结果同样表明采用纳米流体可以显著提高热交换系统的传热性能；在随后的近十年的时间里研究者，对不同粒径分布和种类的纳米流体的导热性能进行了广泛的试验研究和理论研究，并建里起来了相应的分析方法和体系，其中应用最为广泛的是有效介质理论的M a x

17、w e l l 模型刚和B r u g g e-m a n 模型：M GM o a e-：鲁=普黼勰B r u g g e m a nM o d e l：k。廿=(3 4)一1)k。+3(1 一咖)一1 k f+么(2)3=(3 4)一1)2 k：+3(1 一咖)一1 2 k；+2 2+9 4)(1 一咖)k p k f(3)式中：后珊为有效热导率；k，为流体热导率；k。为颗粒热导率；咖为颗粒体积分数。4 纳米流体对流换热研究进展作为一种新型的强化传热工质，将纳米流体应用于工业实际，除了测定其导热系数外，研究纳米流体在流动状态下的传热性能是非常必要的。在纳米流体的对流换热实验中，由于流体的对流

18、换热特性不仅仅依赖于流体的导热系数，也与流体的比热容、密度以及粘度等物性参数有着密切关系，因此研究者从不同角度对纳米流体的对流换热进行了研究。实验表明在低浓度的情况下，流体的密度和比热改变不大，与基液性质相近。在测量A I：O，一水纳米流体的粘度时发现，颗粒分散性越好，粘度增大幅度越小，在添万方数据董题i 仑遵机械研究与应用一加3 v 0 1 A I：O，纳米颗粒时，粘度比水增大3 0 左右。在测量相同浓度她O，纳米流体时却观察到了3 倍的粘度增大。然而目前对纳米流体强化换热却有着不同的研究结果。部分研究表明纳米流体可以大幅度提高对流换热，如将C u O 分散于水中其对流换热系数可以提高1 5

19、，将C u 分散于水中湍流对流换热系数可以提高3 9。研究者也在试验的基础上提出了相应的对流换热试验关联式：N u d=C l(1+C 2 咖m 1 P e )m 掌P 培4(4)式中：咖为粒子的体积份额；R e d 为流体的雷诺数；P e d为颗粒的贝克列数；P r 缸为流体的普朗特数；C。，C：，m，m 2，m，分别为通过实验确定的系数和指数，另外，研究者探讨了纳米流体强化传热的机理，分析了纳米流体传热性能增强的原因：流体表面积和热容量的增加；导热系数的增加；由于颗粒和颗粒、颗粒和液体、颗粒和壁面之间的相互作用和碰撞，增强了流体的湍流强度，使液体截面温度分布平坦，减小层流底层厚度。而相对之

20、下，另一些研究者却得到了相反的试验结果，研究人员分别对A l：O。和 r i O：纳米流体的湍流状态下的对流换热系数以及阻力系数进行了试验测试，试验中两种纳米流体的粘度增加的比例远比对流换热系数增加的比例大，在相同流速条件下，两种纳米流体的对流换热系数反而比水小，在对A 1：O，和C u O 纳米流体的自然对流换热进行了试验测试，同样发现纳米流体的自然对流换热系数下降。研究人员认为，出现减弱对流换热的情况主要是因为纳米颗粒的添加使流体粘性的增大超过了由于导热的增加及颗粒运动对对流换热的增强作用，因此在对于纳米流体对流换人研究领域还存在一定争议，还需要开展大量的科学实验研究与机理分析研究，确定纳

21、米流体在强化换热中的机理作用，从而促进纳米流体新型能源材料的推广和利用。5 总结与展望国内外研究者在进行纳米流体的制备、导热系数和传热性能测试研究的同时，正在开展纳米流体强化传热机理以及应用基础的研究工作，已进行的研究工作显示了纳米流体在强化传热以及能源利用领域具有广阔的应用前景。美国能源部已将“纳水流体强化传热技术”项目列为美国国家重点研究项目，显示了纳米流体做为新型能源材料的研究日益受到重视。众多学者的研究表明，在对纳米流体研究方面还存在着一些问题，不同研究人员的试验结果缺乏一致性；如何高效制备分散稳定性好的纳米流体；对纳米流体物性改变的机理认识不够深入。对流体导热系数和粘度的数值模拟计算

22、欠缺。因此未来将在纳米流体能源利用中的研究还有重要的工作需要开展。参考文献：1】M a c k o w s k iDW，A l t o n k i r c hRA，M e n g u cMP，I n t e r n a la b s o r p t i o nc r o$0s e c t i o n si nas t r a t i f i e ds p h e r e，A p p l i e dO p t i c s1 9 9 0 2 张玉龙，李长德，张银生，等纳米技术与纳米塑料，中国轻工业出版社。2 0 0 2 3 T a k u y aI a n dH a j i m eI R a d

23、i a t i o nf o r c ei n d u c e db yr e s o n a n tl i g h t：f r o ma t o mt on a n o p a r t i c l e J】J o u r n a lo fL u m i n e s c e n c e，2 0 0 4(t o s)：3 5 1-3 5 4【4 C h o iS U s E n h a n c i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f f l u i d sw i t hn a n o p-a r t i c l e s A i n：D A S i

24、 g i n e r，H P W a n g(E d s)，D e v e l o p-m e n ta n dA p p l i c a t i o n so fN o n N e w t o n i a nF l o w s C F E D V 0 1 2 3 1 M D v 0 1 6 6，A S M E，N e wY o r k，1 9 9 5，9 9 1 0 5 5】彭飞，纳米流体稳定性研究 J 应用基础与工程科学学报，2 岫0 7(5)：5 7 7-5 8 0【6 彭晓峰纳米颗粒基础物性研究进展 J 应用基础与工程科学学报2 0 0 3(4)：1 6 7 1 7 3【7 N a n

25、 d yP，N a t u r a lc o f l v e c t i o no fr l f l l l O f l u i d s J H e a ta n dM a s sT r a n s f e r。2 0 0 3，3 9：7 7 5 7 8 4 8 王通南，纳米流体的能源特性研究进展 J 工程热物理学报，2 0 0 6 9 P a t e lH E T h e r m a lc o n d u c t i v l t i e so fn a k e da n dm o n o l a y e rp r o t e c-t e dm e t a ln a n o p a r t i

26、 c l eb a s e dn a n o f l u i d s：m a n i f e s t a t i o no fa n o m a l o u se n h a n c e m e n ta n dc h e m i c a le f f e c t s J A p p l i e dP h y s i c s-t t e m，2 0 0 3(8 3)：2 9 3 1-2 9 3 3 1 0 M a x w e l lJ c AT r e a t i s eo nE l e c t r i c i t ya n dM a g n e t i s m 2 n dE d i t i

27、o n M O x f o r dU n i v P t e-0 8，C e m b r i d g e，1 9 0 4 天水锻压两种新产品通过省级科技成果鉴定2 0 1 0 年1 2 月1 6 日，由甘肃省经济委员会、省科学技术厅以及省科研机构和大专院校组成的专家鉴定委员会。对天水锻压机床有限公司研制的T D L C A 3 0 1 5 数控激光切割机和X B B 一5 0 4 7 0 0X1 2 5 0 0 闭式钢板铣边机进行了新产品和科技成果鉴定，经过审查、查新和论证，最后专家委员会一致认为两种新产品均达到国际先进水平。本刊辑3 万方数据纳米流体新型能源材料研究进展纳米流体新型能源材料研

28、究进展作者：李文星，杨建玺，连黎明，Li Wen-xing，Yang Jian-xi，Lian Li-ming作者单位：李文星,Li Wen-xing(河南科技大学,机电工程学院,河南,洛阳,471003;新乡学院,机电工程学院,河南,新乡,453003)，杨建玺,连黎明,Yang Jian-xi,Lian Li-ming(新乡学院,机电工程学院,河南,新乡,453003)刊名：机械研究与应用英文刊名：MECHANICAL RESEARCH&APPLICATION年，卷(期)：2010,23(6)参考文献(20条)参考文献(20条)1.Maxwell J.C A Treatise on Ele

29、ctricity and Magnetism 19042.Mackowski D W.Altenkirch R A.Menguc M P Intemal absorption cross sections in a stmtified sphere3.Patel H.E Thermal conductivities of naked and monolayer protected metal nanoparticle basednanofluids:manifestation of anomalous enhancement and chemical effects 2003(83)4.张玉龙

30、.李长德.张银生 纳米技术与纳米塑料 20025.王通南 纳米流体的能源特性研究进展 20066.Takuya I.Hajime I Radiation force induced by resonant light:from atom to nanoptuticle 2004(108)7.Nandy P Natural convection of nano-fluids 20038.Choi S.U.S Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles 19959.彭晓峰 纳米颗粒基础物性研究进展 2003(04)10.彭

31、飞 纳米流体稳定性研究 2007(5)11.彭飞 纳米流体稳定性研究 2007(05)12.彭晓峰 纳米颗粒基础物性研究进展 2003(4)13.Choi S.U.S Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles 199514.Nandy P Natural convection of nano-fluids 200315.Takuya I;Hajime I Radiation force induced by resonant light:from atom to nanoptuticle 2004(108)16.王通

32、南 纳米流体的能源特性研究进展 200617.张玉龙;李长德;张银生 纳米技术与纳米塑料 200218.Patel H.E Thermal conductivities of naked and monolayer protected metal nanoparticle basednanofluids:manifestation of anomalous enhancement and chemical effects 2003(83)19.Mackowski D W;Altenkirch R A;Menguc M P Intemal absorption cross sections in a stmtified sphere20.Maxwell J.C A Treatise on Electricity and Magnetism 1904 本文链接：http:/