碳纳米管矿物油纳米流体的热物性研究 何国栋.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：143710 碳纳米管/矿物油纳米流体的热物性研究 何国栋，叶卓成，刘鉴，方晓明，张正国* （华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室，广州 510640） (Tel：02087112845, Email: cezhang@scut.edu.cn) 摘要：本文研究了从常温到中温范围内碳纳米管（MCNTs）质量分数为0.03%-0.12%的碳纳米管/矿物油基纳米流体的粘度、比热容、热导率等热物性。研究表明，浓度很小的碳纳米管就能对矿物油的热物性产生较大影响。由于碳纳米管的自润滑作用，纳米流体的粘度较基液有轻微的下降；比热容随着碳纳米管质量浓度的增加而递减；热导率随着碳纳米管质量浓度增加而增加。 关键字：纳米流体、粘度、比热容、热导率 1、引言 传热工质的好坏是影响传热效率的重要因素之一，但传统的传热工质都有各自的缺陷。如水、乙醇存在液程过窄，导热油导热系数低、高温容易分解，无机熔融盐容易堵塞管道等问题。因此寻找一种优良的传热工质是解决现有问题的关键之一，纳米技术的发展给传统流体缺陷的解决带来了一个方向。 纳米流体由上世纪90年代美国Argonne 国家实验室首次提出，将金属或非金属纳米粒子分散在基液中形成的稳定的多相液体。由于纳米粒子在各方面优异的性能，纳米流体在导热系数，粘度，比热容等方面对比基液都有很大的改变[1-4]。Baby经过研究表明，当向去离子水中加入体积分数0.05%的碳纳米管时，纳米流体的热导率提升20%[5]；Phuoc [6]研究了25℃时，MCNT质量分数为0.5%-3% 的水基纳米流体的热导率和粘度变化，结果表明，纳米流体的热导率提升2.3%-13%。MCNT浓度为0.5%时，对比基液粘度出现轻微下降，当浓度进一步升高时，对比基液粘度反而升高。Pakdaman等人[7]的研究显示，40℃时，在导热油中加入质量分数0.4%的碳纳米管，纳米流体的比热容下降42%。但是，前人的研究大部分集中在以水或其他在常温范围内的液体为基液的纳米流体，且与碳纳米管的结合较少有人涉及。 本论文选取可以适用于中温范围的矿物油作为基液，碳纳米管作为纳米添加剂，测量了碳纳米管/矿物油纳米流体的热物性，并考察了温度和碳纳米管（MCNT）的浓度对纳米流体导热系数，粘度和比热容的影响。 2、碳纳米管/矿物油纳米流体制备与测试 2.1 碳纳米管/矿物油纳米流体的制备 目前，纳米流体制备方法主要分为一步法和两步法, 一步法是指在制备纳米颗粒的同时将其分散到液体介质中[8, 9]。由于一步法制备方法复杂，且成本高昂，不适合大规模应用。故选择简单易行、费用低廉、广泛适用的两步法制备纳米流体。具体制备方法如下： （1）、将不同质量比（分别为0.03%、0.06%、0.09%、0.12%）的多壁碳纳米管加入矿物油中； （2）、将两相流体间歇超声4h（超声30min,暂停10min，如此反复），超声温度25℃，超声频率100W。 图1 碳纳米管透射电镜图 实验中采用南京纳米先锋公司生产的碳纳米管，图1是采用美国PHILIPS公司的TECNAI 10型透射电镜所作透视电镜图（TEM），测试电压为100KV，放大倍率为13500倍。可以清晰的看到明显的管状结构，碳纳米管管径在10nm左右。 2.2 碳纳米管/矿物油纳米流体的粘度测试 实验采用Brookfield DV-1旋转粘度计来测试粘度。具体步骤为：在样品池中添加规定体积的待测样品，选择合适的转子并安装；用油浴锅对样品池控温，当实际温度与预设温度相差±0.1℃后，让测试装置稳定30min后开始测量，根据测试结果调整转子的转速，使测试时实际旋转速度在设定旋转速度的10%至100%之间；最后，等示数稳定后开始读数，每隔1min记录粘度计读数，取5次读数的平均值作为该温度下的样品粘度值。测试温度从25-150℃。 2.3 碳纳米管/矿物油纳米流体的比热容测试 实验采用美国TA仪器公司的Q20型示差扫描量热仪（DSC）来测量矿物油及其纳米流体的比热容，实验中以蓝宝石作为参比样。利用间接法测量并计算矿物油及其纳米流体的比热容。具体操作步骤如下：首先，先用两个空样品皿，在测试温度范围内以10℃?min-1的升温速率进行升温，将热流量随温度变化曲线作为基线；然后，用分析天平称取一定量m′（22 mg）的参比样蓝宝石样品在用同样的升温速率和测试温度范围内进行升温，将热流量随温度变化曲线作为参比曲线；最后，在同样