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学校代码：10252 学 号：082310079 学校代码：10252 学 号：082310079 上海理工大学硕士学位论文 纳米微粒加入低温保护剂溶液冻结热物 性研究 姓姓 名名 高志新 系系 别别 能动学院 专专 业业 制冷及低温工程 研究方向研究方向 低温生物热科学技术 指导教师指导教师 刘宝林 教授 学位论文完成日期 2010 年 12 月 university of shanghai for science and technology master dissertation the effect of nanoparticles on thermodynamic parameters of cryoprotective agents name zhi-xin gao department power engineering specialty refrigeration and cryogenics engineering research direction technology of low-temperature biology supervisor professor bao-lin liu complete date december 2010 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版。允许论文被查阅和借阅。本人授权上海理工大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 年 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 日 摘 要 生物体虽然能在低温状态下长期保存，但却极易在降温、复温过程中遭受损 伤而死亡。对于复杂的细胞组织和器官,玻璃化方法可以完全避免由于结晶导致的 各种冰晶损伤，被誉为是一种极具潜力的解决方法。但是由于受到降温速率和低 温保护剂溶液浓度的限制，相对复杂和较大的组织无法实现玻璃化的低温保存。 将纳米微粒加入溶液中能起到显著的强化传热作用，但是在溶液降温过程中对纳 米悬浮液的冻结特性的研究还鲜有报道。为了研究纳米微粒对低温保护剂玻璃化 能力的影响，分析纳米微粒加入低温保护剂溶液后在降温过程中的热力学行为是 非常必要的。同时若能找到一种合适的纳米材料在适当的浓度和粒径下显著促进 溶液的传热效率，增强溶液的玻璃化能力，将对复杂细胞、器官和组织的成功低 温保存具有重要的现实意义。 本实验主要通过试剂配置以及 dsc 方法测量了加入纳米微粒后低温保护剂 溶液的悬浮稳定性及冻结热物性的变化，研究了加入不同粒径，不同质量分数纳 米微粒的低温保护剂溶液在不同浓度下的过冷度，比热等热物性参数，以及溶液 的玻璃化和反玻璃化特性。主要结论如下： 1. 采用超声震荡方法制备了均匀稳定的纳米微粒悬浮液。 分析了纳米微粒加 入低温保护剂后溶液的悬浮稳定性。 超声波功率大小对悬浮液的分散性和 稳定性影响并不显著。 超声波作用时间对悬浮液的分散性和稳定性影响明 显。超声时间过短（1h 以内） ，超声波还未能完全阻止粒子聚集而引起沉 降；超声时间过长（大于 3h）,则已经分散的粒子会在强烈的震荡之下重 新聚集，本试验结果表明超声震荡 2h 能取得最佳的分散效果。实验结果 还表明随着纳米粒径的增加，纳米悬浮液的稳定性随之降低，沉淀现象愈 明显。 2. 比热容是纳米悬浮液溶液的重要热物性参数， 本文主要测量了不同质量分 数的纳米微粒加入低温保护剂后的比热值， 以及纳米微粒加入不同浓度的 低温保护剂溶液后的比热变化。加入质量分数 0.1%的纳米微粒后悬浮液 的比热与纯溶液相比变化不明显。但是加入质量分数 0.2%及以上的纳米 微粒后悬浮液的比热值明显降低。当悬浮液发生玻璃化转变过程中，纳米 悬浮液的比热容降低且随着纳米微粒质量分数的增加而减小； 同时加入相 同粒径和质量分数的纳米微粒的悬浮液，低温保护剂溶液的浓度越高，纳 米悬浮液的比热容越低。 3. 低温保护剂溶液中加入一定量的纳米微粒能显著的促进晶核的形成， 降低 溶液的过冷度。当溶液的浓度在 0-15%的范围内时，加入纳米微粒后溶液 成核温度变化不明显， 但是当溶液浓度高于 15%时， 加入纳米微粒能显著 的提高溶液的成核温度，降低溶液的过冷度。实验结果同时表明，加入纳 米微粒的粒径越大、质量浓度越高，溶液过冷度的降低的越显著。 4. 本文还通过差示扫描量热仪（dsc）试验系统，分析了不同粒径，不同质 量分数的纳米微粒加入 pvp 低温保护剂溶液后的玻璃化性质。实验结果 表明了加入一定量的纳米微粒能显著的影响悬浮液的玻璃化性质。 且随着 纳米微粒质量分数的增加， 溶液的玻璃化转变温度与反玻璃化温度均显著 降低。不同粒径纳米微粒的对悬浮液反玻璃化性质的影响不同，40nmha 纳米微粒对低温保护剂悬浮液的反玻璃化温度影响最显著， 溶液的玻璃化 稳定性也最低。 关键词：纳米关键词：纳米 保护剂保护剂 稳定性稳定性 比热容比热容 过冷度过冷度 玻璃化玻璃化 abstract as the reason of the destructive effect of extracellular ice formation cryopreservation by freezing fails to provide effective protection to tissues or organs. vitrification was developed as an alternative to freezing to solve the problems of human organ cryopreservation. vitrification is essentially the solidification of a supercooled liquid by adjusting the composition, cooling rate, and sometimes pressure to avoid crystallization. relatively high concentrations of cryoprotective agents (cpas) are required to achieve a glassy state and relatively fast cooling and warming rates are required to avoid damage associated with ice crystallization. these rapid cooling rates may not be possible to achieve as the size of biomaterials become larger. modern nanotechnology provides new challenges and opportunities for thermo-science. nano-cpas are a new type of heat transfer carriers by suspending nanoscaled metallic or nonmetallic particles in base caps. nano-cpas are expected to exhibit heat transfer properties superior to those of conventional heat transfer fluids.the purpose of this paper is to study experimentally and theoretically the enhancement of nanoparticles to the heat transfer of nano-caps, as following: 1. preparation and stability of nano-cpas. this paper presents a preparation method of nano-cpas by directly mixing nanoscaled powders into base cpas fluids. some auxiliary dispersants are necessary to obtain the even distributed and stabilized suspensions. with this method, several types of cpas of different volume fraction have been prepared. the stability and evenness of suspensions were evaluated using the tem photographs. some factors influencing the stability and evenness of nano-cpas, such as the property of base cpas fluid, the dimension and the property of nanoparticles, are discussed. 2. to study the effects of the nanoparticles on thermodynamic parameter of pvp cryoprotectant solutions, the dsc were used to measure of the pvp solutions with/without nanoparticiles in the paper. consider the result shows that the specific heat decreases with the increasing of the concentration of nanoparticles. the paper takes the explanation about this phenomenon by the interaction between the nanoparticles and solution. 3. in order to investigate the subcooling efficiency of nanoparticles as nucleation agents in cryoprotectant solutions at cryogenic temperatures, the frozen parameters of these solutions with different concentrations of ha nanoparticles were measured by using differential scanning calorimetric. the results indicate that the variation of supercooling does not change significantly in the concentration range of 0% to 15%. however, when the concentration of the solution is higher than 15%, the nanoparticles can significantly improve the nucleation temperature of the solution. experimental results also show that supercooling temperature increase with the increment of nanoparticles size and concentration. 4. in order to investigate the effects of nanoparticles on the vitrification of cryprotective agent solutions at cryogenic temperatures, the vitrification and devitrification temperature of these solutions with different particle size and concentrations of ha nanoparticles w ere measured by differential scanning calorimeter (dsc). experimental results indicate that the vitrification can be significantly affected by nanoparticles. and with the mass fraction of nanometer particles increasing, the vitrification and devitrification temperature of solutions significantly reduced. different effects of nanoparticles on the vitrification are affected by different particle size. the effects of 40nmha nanoparticles are the most obvious. and the vitrification stability of solutions is the minimum. key words: nanoparticles，cryoprotectant，stability，specific heat， supercooling，vitrification 目 录 摘摘 要要. abstract . 第一章 绪 论. 1 1.1 低温生物医学技术. 1 1.2 溶液玻璃化转变理论. 3 1.3 纳米微粒强化传热机理分析. 5 1.4 纳米微粒在低温生物医学中的应用及研究进展. 7 1.4.1 国外研究现状. 7 1.4.2 国内研究进展. 8 1.5 立题的背景和意义. 8 1.5.1 立题背景. 8 1.5.2 课题意义. 9 1.6 本课题的目的及主要研究内容. 9 第二章 纳米悬浮液制备及稳定性分析. 10 2.1 引言. 10 2.2 纳米悬浮液制备及稳定性试验. 10 2.2.1 实验材料及设备. 10 2.2.2 制备方法.11 2.3 试验结果及悬浮液稳定性分析. 12 2.3.1 超声震荡时间对纳米悬浮液分散和稳定性的影响. 13 2.3.2 超声功率对纳米悬浮液分散和稳定性的影响. 14 2.3.3 不同粒径对纳米悬浮液分散和稳定性的影响. 14 2.4 本章小结. 15 第三章 纳米微粒对低温保护剂比热的影响. 16 3.1 引言. 16 3.2 实验设定. 16 3.2.1 实验材料（试剂）与设备. 16 3.2.2 dsc 测定溶液比热的方法 . 17 3.2.3 实验方法与步骤. 18 3.2.4 实验数据处理. 19 3.3 实验结果分析与讨论. 19 3.3.1 未冻结状态纳米微粒对溶液比热的影响. 20 3.4 本章小结. 22 第四章 纳米微粒对低温保护剂溶液过冷度的影响. 23 4.1 序言. 23 4.2 实验. 23 4.2.1 实验材料（试剂）与仪器. 23 4.2.2 试验方法与步骤. 23 4.2.3 实验数据处理. 23 4.3 结果分析与讨论. 24 4.3.1 悬浮液成核温度判断及降复温相观察. 24 4.3.2 不同浓度纳米悬浮液成核温度的比较. 26 4.3.3 不同粒径纳米悬浮液过冷度比较. 26 4.3.4 不同质量分数纳米悬浮液过冷度比较. 27 4.4 本章小结. 28 第五章 纳米微粒对低温保护剂玻璃化性质的影响. 30 5.1 序言. 30 5.2 纳米悬浮液玻璃化性质试验设定. 30 5.2.1 实验材料与设备. 30 5.2.2 实验方法与步骤. 31 5.2.3dsc 测量悬浮液玻璃化转变温度方法 . 31 5.2.4 实验数据处理. 32 5.3 实验结果分析与讨论. 32 5.3.1 纳米微粒对低温保护剂溶液玻璃化转变温度的影响. 33 5.3.2 纳米微粒对低温保护剂溶液反玻璃化温度的影响. 34 5.4 本章小结. 35 第六章 结论与展望. 36 附附 录录. 39 参考文献参考文献. 41 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果. 46 致致 谢谢. 47 第一章 绪论 第一章 绪 论 1.1 低温生物医学技术 低温生物医学技术 低温生物学是生物科学的一门分科。它与在常温下进行的研究不同，从本质 上来说，它是研究由于温度这个物理量的变化而引起的对生物体的影响。低温保 存是低温生物学的一个重要研究方向，其主要内容是研究细胞及组织的低温损伤 规律，特别是与细胞内外水结晶相关的损伤。真正的低温保存始于 1949 年，在一 次实验中，英国生物学家c.polge和a.u.smith等人在偶然的场合发现了掺入甘油的 溶液能使精子经历低温不死亡。这一重要发现在nature杂志上发表后，引起了 极大的重视，被誉为低温生物学发展的里程碑1。此后大批的研究人员被吸引到这 一课题上来。许多的生物学家摸索出掺入另外一些溶液也能实现若干较简单细胞 的低温保存。但是单纯生物学实验却无法解决复杂细胞、组织的低温保存，必须 加强更加深入的机理研究，加强生物学家与其它学科专家相结合，才有可能解决 这个交叉学科的一些难题。 生物体的主要成份是水，被保存的细胞或组织均是放置在一定的溶液中降温 的。温度降低会引起细胞所处的溶液中产生冰晶生长、溶液浓度升高等物理变化， 也会引起细胞内水份通过细胞膜对外渗透，胞内浓度上升等。这些过程若控制不 当， 则会损伤细胞并导致细胞死亡。 温度对生物细胞和组织的影响可以用 arrhenius 公式进行描述。它反映了温度这一参数对生物体内生化反应速度的影响： （1-1） )/exp(rteak a = 其中常数；k反应速率；ar气体常数；t绝对温度；活化能； a e aarrhenius 因子。 温度越低，生物细胞或组织反应速率越小即生物体可保存的时间也就越长。 例如：若一生物体在 4环境下能存活 2 小时，那么，它在-40下能保存数日， 在-80下可保存数月。而在-196（液氮温度）下则可望保存数个世纪2。这一 机理成为生物组织和细胞在低温下长期保存的理论基础。 1.1.1 生物材料低温损伤机理生物材料低温损伤机理 迄今为止，普遍采用的低温保存方法都是将细胞、组织放置于含抗冻剂的溶 液中缓慢降温和复温的。也称之为平衡冻结法-“两步法” 。限于条件的限制，此 法目前依然较为普遍采用。其主要步骤是：首先将待保存的生物材料放在含有抗 冻剂的溶液中进行预处理，然后以较慢的冷却速率将生物材料及保护剂溶液同时 冷却至某一温度。第二步是在样品降温至预没温度后，再将其迅速投入液氮中， 此时样品以较高的降温速率被冷却至液氮温度。 1 第一章 绪论 在平衡冻结过程中，降温速率过慢时，细胞外的溶液由于结冰而导致浓度升 高，此时细胞内的水分将会透过细胞膜渗出，胞内溶液的浓度随之升高。细胞将 由于脱水而发生皱缩2， 。对细胞产生不可逆的致命损伤（这种低温损伤主要发生 在0到-60这段温度范围内，我们称这个温度范围为“危险温度区” ） 。利用低温 显微镜可以清晰地观察到这一现象3-5。降温速率较快时，由于胞内的水份来不及 渗出，在细胞内会形成冰晶。在复温时，这些冰晶将继续长大而对细胞造成损伤； 1972年，mazur等首先从中国仓鼠组织培养细胞的低温保存试验数据分析中，提 出了慢速冷冻保存对细胞、组织损伤的两因素假说6。 图 1-1 冷冻损伤的两因素假说 图1-1形象的表明了此两因素的综合作用， 对生物材料的影响。 这个假说认为 造成冷冻损伤有两个独立的因素：一是“胞内冰损伤” ，这是由于冷却速率过快 引起的。冷却速率越快，此损伤越大。另一是“溶质损伤” ，这是由过慢冷却所 产生的。慢速冷冻时，细胞脱水收缩引起细胞内原生质和细胞器的变化是造成损 伤的主因，而且在渗透收缩过程中膜压力的增加也造成了损伤7。细胞在高浓度 的溶液中暴露的时间越长，冷却速率越慢，此损伤越大。由传热学理论两因素假 说也可以归结为：在冻结过程中，细胞内外的浓度差和温度差对其传热传质的影 响： 1. 传热强于传质的过程（胞内冰损伤） 2. 传质强于传热的过程（溶质损伤） 除了细胞、组织在降温和复温过程外，还有许多其他的因素会造成损伤，如： 抗冻剂的种类、浓度及其加入和取走的方式；过高的储存温度；冷冲击等等。 长久以来，针对不同的细胞和组织，低温生物学家一直在寻找不同种类和浓 度的低温保护剂，以及合理的降温、复温程序，希望能在上述两类损伤之间，找 到一种较合理的，既能防止“胞内冰损伤” ，又能避免“溶液损伤”的途径；亦即 在传热与传质过程中寻找一个最合理的控制过程。为此许多科学家建立了一些数 理模型，进行了理论分析与计算，并与实验结果相比较。 对复杂的多组分生物系 2 第一章 绪论 统进行降温、复温过程的热分析和热控制，是热物理学在这一方面的杰出贡献8。 1.2 溶液玻璃化转变理论溶液玻璃化转变理论 细胞、组织在低温状态下，由于没有足够的热能进行生化反应，生物学时间 减慢甚至停止，因而能够长期保存。但是细胞在低温保存时，必须经历从室温到 低温（通常-196） ，再从低温回复到生理状态的降温和升温两个过程，可能两次 遭受由于结冰而引起的一些列损伤的威胁，因此，避免细胞内外结冰的形成和生 长，是低温保存获得成功的重要问题之一。 在前面讨论的低温保存方法：平衡冻结法（两步法） ，即通过寻求适合于不同 细胞的最佳冷却速率，以避免慢速冻结可能引起的“溶液损伤” ，以及快速冻结可 能引起的“胞内冰损伤” 。即使是在最佳冷却速率下，仍然不能避免细胞内外结冰 引起的电解质浓度过高和冰晶的机械损伤。 1937 年luyet9 在研究中发现： 如果在 降温过程中冷却速率足够快，溶液将直接由液态转变为玻璃态，避免了冰晶的生 成。这一重要发现很快引起了低温生物学家的广泛关注。人们将细胞和低温保护 剂溶液以足够快的降温速率，过冷到所谓的玻璃化转变温度，使溶液完全固化成 玻璃态（非晶态） ，并以这种玻璃态在低温下长期保存。在这种低温保存过程中， 细胞内外完全避免了结晶，从而避免了通常的慢速冻结过程中，由于冰晶的形成 和生长对细胞、组织造成的各种损伤。 图 1-2 两种固化途径:和是到达非晶态固态的途径, 冷却速率q1q2，tg1tg2是达到晶态的途径 如图 1-2 所示，液体冷却固化可能有两种不同的方式：一是经过相变，不连续 地固化成晶体，这个过程被称为晶态相变（crystallization phase change） ；另一是 不经过相变，连续地固化成非晶体（玻璃） ，这个过程又称为玻璃化转变（glass transition或verification）10。 3 第一章 绪论 玻璃态在通常情况下被人们定义为一种非晶态的固体，同时也被看作是一种 过冷的液体（黏度高达 101014pa.s） ，以至于它似乎以一种亚稳态的固体形态存在， 在这种亚稳态的状态下，能支持本身的重量，不会因重力作用而流动。从微观角 度上讲，玻璃体的射线衍射曲线与液态曲线很相似，二者同属“近程有序，远 程无序”的结构，只不过玻璃体比液体的“进程有序”程度要高11。 图 1-3 聚合物的粘度和温度的关系 -6 -1 4 9 14 19 00.511.52 lg ? tm/t 玻璃态 橡胶态 液态 tg tm (纵坐标是粘度的对数值；横坐标tm是聚合物的熔点温度) 图 1-3 给出了某些聚合物粘度与温度的关系。温度降低时，粘度急剧上升。现 在大多数科学家已同意将粘度1014pa.s作为玻璃态的一个判断标志，而将某物 质=10 14pa.s所对应的温度称为玻璃化转变温度(glass transition temperature)，记 为。当时，称为玻璃态区；反之，称为橡胶态区 g t g tt 12,13。 玻璃化转变过程是一个非平衡的动力学过程，对于某一特定的物质，其玻璃 化的形成能力主要取决于动力学因素，如降温速率的大小等。在不同的降温速率 和初始浓度下，溶液可能达到两种不同的玻璃化状态：一是完全的玻璃态；另一 是部分结晶的玻璃态。通过快速降温的方法，使纯水或含水稀溶液实现玻璃化， 所需的降温速率数量级要高达 104106/ s14，且由于溶液热容量的原因，所能够 实现完全玻璃化的样品体积极小。因此目前实现完全的玻璃化冻结几乎是不可能 的。而我们通常所说的玻璃化转变温度是指最大冻结浓缩溶液液发生玻璃化转变 时的温度，定义为tg15。目前科学家探索的实现水溶液玻璃化的途径大致分为三 种。 1. 完全玻璃化方法：对纯水或者稀溶液，玻璃化转变温度（tg ）要比熔融温度 tm低得多，达到 20100k或者更低。只有通过超高的冷却速率，才能使样品以 超快速地降温到玻璃化转变温度tg温度以下，迫使冰晶未及形成，从而实现完 全的玻璃化。对于相对浓度在 20%以下的溶液，若实现完全的玻璃化所需的临 4 第一章 绪论 界冷却速率更高，一般在 103k/s。通常这种方法仅只适用于体积很小的细胞或 样品。 2. 部分玻璃化方法：对稀溶液采取“两步法”降温。首先是以一般的速率降温， 使细胞外的溶液中生成冰晶；此时细胞内的水份会通过细胞膜向细胞外渗透； 胞内溶液的浓度逐渐提高；接着是以较高的速率降温，从而实现细胞内高浓度 溶液的玻璃化。这种方法称为“部分玻璃化方法” 。 3. 玻璃化溶液方法：当溶液的浓度较高时，即接近cg；此时tg已和tm非常接近， （tm-tg）值较小；在一般的降温速率下即可实现玻璃化。在低温生物医学的 研究中，人们正在寻找这样一类高浓度的溶液，使得细胞、组织以及溶液能在 一般的降温速率下实现玻璃化。 其中最重要的一点就是这种高浓度溶液应不致 对细胞、组织产生损伤。此类溶液被称为“玻璃化溶液” ；这种实现玻璃化的 方法被称为“玻璃化溶液方法” 。 在实际的低温保存过程中，对于具有一定初始浓度的溶液，从室温开始冷却； 随着温度的下降，溶液首先过冷到凝固点以下的某一温度（一般在tm与th之间） 开始析出冰晶；随着结晶潜热的释放，溶液温度升高，回到tm；温度保持不变溶 液沿着平衡的熔融线不断析出冰晶；冰晶周围未冻结溶液的浓度不断升高；一直 到达熔融线tm与玻璃化转变曲线tg的交点，此时的溶液达到最大冻结浓缩状态 （maximally frozen-concentrated state）cg；持续降温，则剩余的溶液部分将不再结 晶，而成为非晶态（玻璃态） 。最终形成的状态是非晶态包围在冰晶周围，形成镶 嵌着冰晶的玻璃态16。 在生物材料低温玻璃化保存方面，很多的学者作了大量的工作，并取得了令人 的可喜的成果17-20。整体而言影响降温速率的主要因素是外界的冷量不能及时的 传递到样品的内部，在溶液中形成了巨大的温度梯度，不均匀的温度场加剧了冰 晶的生长，不利于玻璃化的转变。减小样品和溶液的热阻是实现快速冷却的有效 方法。纳米微粒技术为提高溶液的导热系数，降低溶液内部的热阻提供了一种可 能。 1.3 纳米微粒强化传热机理分析 纳米微粒强化传热机理分析 科学家在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下，隔离出来的几个、几 十个可数原子或分子，能显著地表现出许多新的特性。纳米技术是一门在量子级 设计和组建新型材料的科学。它具有表面效应，量子尺寸效应，体积效应以及宏 观量子隧道效应四种基本特性。 1. 表面效应。即随着纳米粒径的减小，纳米微粒表面原子数与总原子数之比急剧 5 第一章 绪论 增大后所引起性质变化。其表面热、表面能及表面结合能均迅速增大，从而表 现出很高的活性。 2. 量子尺寸效应，当纳米材料颗粒尺寸达到某一定值时，费米能级附近的电子能 级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阈值向短波方向移动。使其具有了高 度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性质和还原性等特性。 3. 体积效应，当纳米微粒的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时，纳米周 期性的边界条件被破坏，使其内压、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性 和熔点等特性与普通粒子相比都有较大的变化。 4. 宏观量子隧道效应，纳米材料能在低温状态下继续保持超顺磁性，对光线有强 烈的吸收能力，能大量吸收紫外线，对红外线亦有强烈吸收特性，在高温下， 仍具有高强、高韧、优良稳定性等。 正是由于纳米微粒这些特性，不仅在高科技领域有着不可替代的作用，也为 传统产业带来了生机和活力。上世纪九十年代，美国argonne 国家实验室的choi 等4人首次提出了一个崭新的概念纳米流体：即以一定的方式和比例，将金属 或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质溶液中,制备成均匀、稳定、 高导热的新型换热介质。从而立即引起了强化传热领域的高度关注，这也是纳米 技术应用于热能工程领域的创新性研究21。 最早开始研究固液两项混合液体强化传热研究的是maxwell22， 他提出并建 立悬浮液的有效导热系数的数学模型，后来许多研究23-25又继续发展了多项体系 的有效热导率理论。传统的多项混合有效热导率模型对于解释纳米流体中热导率 的提高都是完全失败的。目前大量的文献分析可以总结得出影响纳米流体热导率 的原因可能有以下四种： 1. 布朗运动直接传递热量； 2. 纳米颗粒表面与溶液之间形成交界层； 3. 颗粒做布朗运动导致液体产生对流换热； 4. 溶液中的颗粒形成凝聚团。 针对不同的原因许多学者对原有传统模型进行修正，试图对纳米流体传热机 制做出更合理解释26-29。有些研究人员从交界层的角度出发对纳米流体有效热导 率的提高进行了解释30-35。还有研究者对纳米颗粒凝聚团做了研究36,38。最近又 有研究者从布朗运动引起对流换热的角度出发来解释纳米流体的传热机制38-45。 南京理工大学热能工程实验室很早便开展的纳米微粒强化传热研究工作，他 们制备了cuo-水和cu-变压器油等纳米悬浮液， 运用瞬态热线法测试了其导热系数 以及在不同流动状态下的对流换热系数46。中科院的范庆梅和卢文强47，通过分 6 第一章 绪论 子动力学模拟方法对纳米微粒悬浮液的热导率和勃度进行了理论研究，这种方法 是基于分子运动的动力学规律的一