纳米技术在传热中的应用

1、纳米技术在传热中的应用摘要：随着半导体技术的飞速发展，器件的尺寸已进入到微/纳米尺度。由于量子效应、表面及界面效应，使得微尺度下的热物性与宏观尺度下有了明显的区别。人们针对微观传热领域的特点，发展了声子玻尔兹曼传输方程、分子动力学等方法，取得了一定的成果，但仍存在不少问题。本文综述了当前研究的现状，以及目前所面临的挑战和问题。关键字:纳米技术强化传热导热 对流 辐射前言：随着科学技术的发展和能源问题的日益突出，热交换系统的传热负荷和热强度日益增大，这就对强化传热技术提出了更高的要求。而传统的纯液体换热工质（如水、油、醇等）已很难满足一些特殊条件下的传热和冷却要求，因此，研制导热系数高、传热性能

2、好的高效新型换热工质是当前强化传热技术的重点。纳米技术是在前沿科学的基础上发展起来的高新技术，其研究与开发还处于起步阶段。 纳米材料由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应等，使纳米材料在 力学性能、电学性能、磁学性能、热学性能等方面与传统的固体材料有着不同的特殊性质， 使其成为了近十年来材料科学与工程的新兴领域，被誉为21世纪最有前途的材料，有着极为广泛的市场应用前景。如何充分利用纳米材料已知和仍然未知的特殊性能以拓展其应用领 域是目前摆在国内外科研工作者面前急需解决的问题。国内外研究现状：1995年，美国Argonne国家实验室的Choi1等人首次提出了一个崭新的概念纳米流

3、体：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。Choi和Eastman2等人分别测试了 Cu-水、Cu-机油、A12O3、SiO2-水、TiO2- 水等纳米流体导热系数。实验结果表明，以不到5%的体积比在水中添加氧化铜纳米粒子，形成的纳米流体导热系数比水提高60%以上。Eastman等3采用气相沉积法制备了 CuO/水、Cu/机油、A12O3/水等几种纳米流体， 通过电镜观察及静置实验发现，纳米流体悬浮液中粒子分散性较好、悬浮稳定性较高。Wilson等4通过浓缩金属盐制备金属纳米粒子，用该方法制备了 AuPd合金胶状颗粒，其TEM照片表明纳米粒子分散

4、均匀且具有非常窄的尺度分布。可见，单步法把纳米粒子的制备与纳米流体的制备结合在一起，所制得的纳米颗粒粒径小，纳米颗粒在流体中分散好，无需加入分 散剂或改性处理就能得到稳定悬浮的纳米流体。但是该方法适合在低蒸汽压的流体中制备含金属粒子的纳米流体，并且对设备要求较高，费用高，产量小，不易于工业化生产。Liu5等人研究了悬浮液内固体颗粒的体积含量和颗粒尺寸对其在流动中引起的压力 降带来的影响，结果表明当悬浮液的固相体积含量小于20%时，与单项流体相比，悬浮液流动引起的压力降并无明显增加。根据这一结果，Choi认为使用纳米流体作为传热介质，在提高传热系数时， 可显著节约泵动力， 这将导致开发高效热流体

5、重大的技术突破，把纳米流体应用于新型换热器，可减少尺寸和重量、降低运行成本、提高总体性能。谢华清6等把纳米 Al2O3、SiC粉体，在分散剂的作用下，通过超声、磁力搅拌分散 到水、乙二醇、泵油中制得纳米流体；宣益民7等把金属 Al、Cu纳米粉体，在分散剂的作 用下，通过超声分散到水、机油、航天传热液等介质中制得纳米流体。显然，两步法制备工 艺简单、工序少、花费少，易于批量化生产，几乎是用于所有的流体介质，因而在纳米颗粒 制备的基础上采用两步法合成纳米流体存在潜在的经济优势。Lee等8实验研究了悬浮液中纳米颗粒表面电荷对热传导率的影响，表明纳米流体的 pH值很大程度上影响了流体的热性能。pH值越

6、偏离颗粒的零电位，悬浮液中纳米颗粒就越稳定。Vadasz9 认为纳米流体瞬间热传导过程可以为导热系数增加提供一个合理的解释。Keblinski和Choi10等定性研究了纳米流体中导热强化的可能机制，分析了纳米颗粒 在基液中的布朗运动、纳米颗粒表面吸附的薄液层、纳米颗粒内部热载子弹性散射以及纳米 颗粒团聚等四个方面因素对纳米流体导热系数强化的作用机理。随后，清华大学王补宣等在Keblinski与Choi的纳米流体强化导热系数分析观点的基础上，运用分形理论和考虑纳米 粒子表面颗粒吸附液体效应，建立了有效导热系数模型，分析了低浓度非金属纳米颗粒悬浮 液导热系数增强的机理。宣益民等根据布朗运动理论模拟

7、纳米粒子的无规则运动及其在流体 中的聚集过程，运用分形理论描述纳米粒子团的聚集结构，并考虑纳米粒子的运动传热，建立了纳米流体的导热系数模型。用其模型预测Cu -水纳米流体的导热系数，理论值与其实验结果较一致，而考虑纳米粒子聚集结构时，获得导热系数理论值与实验值更为吻合。他们还通过引入纳米粒子的相互作用势及流体分子对纳米粒子的布朗力的影响，建立了纳米流体的格子Boltzmann模型，模拟了静止及流动状态下纳米粒子的分布。结果说明纳米流体 中纳米粒子的形态受布朗运动和粒子间作用势的影响，纳米流体的布朗运动可以有效地抑制粒子的聚集和沉降，使粒子分布更均匀，有利于纳米流体的能量传输纳米技术在传热领域的

8、应用原理：1）纳米技术在导热中应用的机理自Borom提出AlN是良好的声子热导体后，人们对 AlN的研究产生了浓厚的兴趣 9。 绝缘非磁性陶瓷，热传导主要是晶格间非谐振作用产生的声 子传导。导热率K为：。 3 V / （ 3）/3式中 c一单位体积声子的热容；v一声子运动的速度（即晶体内传播的声速）; l一声子的平均自由程； 3 声子振动频率；3 D一德拜（Debye）振动频率。对于一定物质，v为常数，在低温下（即10K以下）热容c随温度T3趋于零，在超过德 拜温度QD（AlN 为950K）的高温下，c接近于恒量 3NKB（KB 波尔兹曼常数；N阿佛加德 罗常数）。因而，导热率 K在低温下取决

9、于热容，而在德拜温度以上的高温下，则受与温度 成反比的声子平均自由程支配。在10K德拜温度之间，温度是影响导热率的重要因素。由此可见，影响导热率的因素除温度外，主要由声子平均自由程决定；自由程的大小由声子的碰撞或散射决定。影响热传导性质的声子散射主要有以下两类结构：第一类是晶格本身的缺陷;第二类是位于连续多晶体处的晶界缺陷。晶格本身的缺陷主要是由于原料中的杂质引入 的。氧杂质是 AlN中的主要杂质，该杂质进入晶格后，使晶格发生局部畸变，由此产生应 力作用，引起位错、层错等缺陷。这些缺陷引起声子散射，降低了 AlN的导热率。晶界缺陷主要是由于烧结行为引入的。改善以上两种缺陷的最主要的方法就是在烧

10、结AlN时添加烧结助剂。纳米粉末由于表面积和表面原子所占比例都很大，所以具有很高的能量状态，在较低的温度下便有较强的烧结能力。它可以与AlN粉末中的氧发生反应，生成液相，使烧结趋于致密化，并把氧固定在晶界中，以得到较高的热导率。2) 纳米技术在对流传热中的应用机理美国Argonne国家实验室的 Choi1等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在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。但是迄今为止，还没有一个比较精确的理论描述纳米流体的导热系数， Hamilton和Crosser5提出了一个模型，用来计算当两相导热系数比大于100时的液-固混合物的导热

11、系数：7 _ 氐 十 小 一 1)耳一 3 1J W 、 耳二 + (n- I)坎+ df 耳%)式中 E P一不连续粒子相的导热系数 ；E f一介质液体的导热系数；a 一粒子的体积份额；n经验形状因子，n =3/W, W指粒子的球形度，其定义为体积和粒子相等的球的表 面积之比以上公式适合于悬浮有微米或毫米级固体粒子的两相混合物，在没有合适的公式用来 计算纳米流体导热系数的情况下，可用以上公式进行估算。 从以上模型可以看出纳米流体的导热系数同时依赖于粒子的体积份额和球形度。对于一给定的粒子形状，悬浮有纳米固体粒子的纳米流体的导热系数随着粒子体积份额的增加而增大；当粒子体积份额一定时，通过减小粒

12、子的球形度可以增大纳米流体的导热系数，这说明了纳米粒子的形状和性质对纳米流体的导热系数有很大的影响。3) 纳米技术在辐射换热中应用的机理对于纳米材料，由于晶粒尺寸小到了纳米量级，使材料的结构特别是晶格结构发生了 根本的变化，进而导致其红外吸收发生明显变化。对纳米材料光谱的研究近年来有许多的报道，主要集中在纳米氧化物、氮化物和半导体纳米材料上。对大多数纳米材料而言，其红外 吸收将随着材料粒径的减小主要表现出吸收峰的蓝移和宽化现象，但也有的纳米材料由于晶格膨胀和氢键的存在出现蓝移和红移同时存在的现象。关于纳米材料红外光谱的吸收特征是一个非常复杂的过程。对蓝移和宽化等现象可以 做如下的解释。首先，导

13、致纳米材料红外吸收蓝移的因素可归因于小尺寸效应。这种观点主要建立在键的振动基础上。由于纳米材料的尺寸很小，表面张力较大，颗粒内部发生畸变使 键长变短，这就导致键的振动频率升高，使光谱发生蓝移。另一种观点是量子尺寸效应导致能级加宽，利用这一观点也可以解释同样的吸收带为何在纳米态下发生蓝移。其次，在纳米材料的制备过程中， 很难控制材料的粒径一致。 由于颗粒的大小有一个分布， 使得各个纳米 颗粒子表张力有差别， 晶格畸变程度也不相同， 因此纳米材料的键长也有一个分布， 这是引 起吸收带宽化的原因之一。另外，界面效应也可以引起纳米材料吸收带的宽化。这是因为纳米材料表面原子数很大，在界面处存在大量的缺陷

14、，原子配位数不足，失配键较多，使得界面和纳米粒子内的键长不一样，还有界面上原子的排列有一定差异等导致整个纳米材料的键 长有一个很宽的分布。纳米流体传热特性研究中存在的问题纳米流体是个全新的概念，纳米流体的应用涉及纳米材料科学、热物理科学、物理化学等诸多学科，是多学科的交叉和渗透。目前，我们对纳米流体这种材料的性能和局限性了解不多， 从理论上解释纳米流体的热物性和传热行为还停留在初步阶段。特别是还没有人从热传递， 流变学和相变行为的综合角度去定义和理解纳米流体；同时，对纳米流体中导致导热系数增加的纳米颗粒尺寸效应的重要性知之甚少，对粒子稳定分散需要的条件还不清楚；布朗运动的作用、颗粒之间的相互作

15、用、粒子团聚以及应用场效应等对导热系数增加的作用也不很清 楚这些未知因素将严重阻碍纳米流体的快速实际应用。所以纳米流体近期的主要目标仍在于解决以下方面的问题：(1) 由于实验条件、试件的材料和制作工艺的差异，使得这些实验结果之间缺乏统一的评 标准；(2) 纳米流体悬浮液的稳定性问题；(3) 纳米流体传热机理的理论研究。综上所述纳米流体导热性能表现出许多特异的行为，测量得到的纳米流体的导热系数显著高于理论计算值，现有的关于固液混合物导热性能的理论均不能解释这种现象，应该基于对微尺度传热和纳米颗粒在纳米流体内的物理和化学行为的研究，发展新的纳米流体导热性能理论来解释这些现象。新理论的应用，将有助于

16、优化设计纳米流体的性质以及特殊用途。总结：纳米技术在改变传统的强化传热观念方面，具有广阔的应用前景。但是现阶段纳米技术应用于传热领域的理论基础、测试方法和手段还处于初级阶段，有待于进一步的提高。人们发展了许多理论模型，理论方法研究微尺度下的热传导，在各方面都取得了很大的进展，但也面临诸多问题，本文仅讨论了其中一部分当前的进展和所面临的问题。总体来说，这一领域的理论还不够成熟，要充分理解微/纳尺度下的热传导，还要需要大量的实验和分析，需要开发一些新的概念和方法，也需要一定的时间。参考文献1 Choi。U S。Enhancing Thermal Conductivity of Fluids wit

17、h Nanoparticles , Developments and applications of non -Newtonian flowsJ 。 Appl。Phys 1995, (66): 99-103。2 Eastman J A , Choi U S and Li, et al。Enhanced Thermal Conductivity through the Development of Nanofluids。 In: Kornarneni S, Parker J C and Wollenberger H J。 Nanophase and Nanocomposite Materials

18、J。 Heat Trans- fer 1999 , (121): 280-289。3 Eastman J A , Choi S U S , Li S, et al。J。Appl。Phys。Lett。，2001, 78(6): 718-720。 4 Wilson O M , Hu X Y , Cahill D G , etal。J。Phys。Rev。B, 2002, 66: 224301-1-6。 5 K V Liu , U S Choi , K E Kasza。 Argonne National Lab Re-portJ 。 Chemical Engineering Science, 1964, (19): 897-901。6 谢华清，吴清仁，王锦昌，等。 J。硅酸盐学报，2002。30(3) : 272-276。7 Xuan Y M , Li Q o J o International Journal of Heat and Fluid Transfer , 2000, 21: 58 - 64。 8 Koo J