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纳米流体的制备、表征及性能研究

李长江  
【摘要】:纳米流体是指以一定的方式和比例,在液体介质中添加纳米级的金属或非金属粒子形成的一类新型传热工质。与传统传热流体或含有微米级固体颗粒的流体相比,纳米流体具有导热能力高、稳定性好、对设备磨损小等优点。纳米流体在能源生产、电力供应、发动机冷却、集成电路中微孔道冷却等众多方面具有巨大的应用前景,从而成为材料、物理、化学、传热学等研究的热点。 目前研究的内容主要集中在以下七个方面:纳米流体体系的研究;纳米流体的制备方法研究;纳米流体的稳定性;纳米流体的内部结构;纳米流体的流变特性;纳米流体导热性能的研究;纳米流体的应用。 本论文主要进行以下几个方面研究: 一. CePO4纳米流体的制备与表征 1)利用探头式强力超声技术,采用一步化学法制备了CePO4纳米流体。采用XRD、TEM、SEM、Zeta电位、静置沉降等技术和手段对CePO4纳米流体进行分析和表征。研究发现,采取H3PO4溶液等摩尔逐滴滴加到Ce(NO3)3溶液的方式,强力超声时间为30 min,浓度小于0.3 M时可制备稳定性好具有纤维状结构的CePO4纳米流体;增大反应体系的pH值,CePO4由长径比较大的纤维状变为长径比较小的短棒状;CTAB的加入,使CePO4纤维长度变短且成束状,使CePO4纳米流体出现明显的触变性。 2)采用水热和掺入Eu、La的方式,大幅度提高了CePO4发光强度,利用荧光标识技术,采用荧光显微镜可实现对纳米流体内部结构的直观表征;利用冷冻复型技术,也可更加直观的观测到CePO4纳米流体聚集结构,提出了表征纳米流体的内部结构新方法。 二. CaCO3纳米流体的制备与表征 1)利用工业化的CaCO3料浆,采用改进后的浮选-分散两步法制备了CaCO3纳米流体。该法制备工艺简单、工序少、易于批量化生产,又克服了传统两步法在纳米流体的制备、存储、运输等过程中纳米颗粒易团聚的缺点,可实现CaCO3纳米流体的低成本、工业化制备。 2)在阴离子表面活性剂PMAA-NH4存在的情况下,当超声时间为20 min,pH值在9.1-9.5之间可制备粒径小、团聚少、分散性好、稳定性好的CaCO3纳米流体;表面活性剂P90的加入不利于CaCO3纳米流体的稳定。 3)利用冷冻复型技术,更加直观的观测到CaCO3颗粒约20 nm,均匀分散在流体中,团聚很小,这为CaCO3纳米流体的稳定性提供更为直观的证据,提出了纳米流体的内部结构新方法。 三.纳米流体的流变特性研究 1)制备的CePO4纳米流体为非牛顿型纳米流体,在5-100 s-1剪切速率范围内呈现出剪切变稀现象,在100-300 s-1剪切速率范围内粘度基本保持不变;制备的CaCO3纳米流体为牛顿型纳米流体,在5-100 s-1剪切速率范围内粘度基本保持恒定。此外,在相同剪切速率下,CePO4纳米流体和CaCO3纳米流体粘度均随体积分数的增加而增大。 2) CePO4纳米流体和CaCO3纳米流体的相对粘度均随体积分数的增加而增大。经典的相对粘度公式不适用于这两种体系,为了计算目的提出了适用于CePO4纳米流体和CaCO3纳米流的公式,相关因子分别为0.975和0.988。 3) CePO4纳米流体和CaCO3纳米流体的粘度均随温度的升高而降低。 四.纳米流体导热仪的设计与组装 根据瞬态热丝法测量纳米流体导热系数的原理,自己设计组装了纳米流体导热系数测试装置,对测试装置进行了误差分析。通过测试乙二醇和蒸馏水的导热系数,对仪器进行了校验,证明测试装置具有较高的精度,可以用于纳米流体导热系数的测定。 五.纳米流体导热性能研究 采用第五章设计组装的纳米流体导热系数测试仪,测试两种纳米流体的在不同体积分数和温度的导热系数,研究发现,CePO4纳米流体导热系数随体积分数的增加先降低然后又有升高趋势;低导热系数的CaCO3纳米颗粒也可提高基液的导热系数,但提高幅度有限;随着温度的升高,纳米粒子微运动的强度加剧,粒子与粒子、粒子与液体间碰撞的频率加大,能量传递的速率加快,纳米流体导热系数增大。


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