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磷酸锆负载二氧化钛纳米流体：导热性能与分散稳定性的协同探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业和科学技术的快速发展进程中，高效的热管理系统在众多领域中都发挥着至关重要的作用，如电子设备散热、能源转换与存储、航空航天以及汽车工业等。作为热管理系统中的关键要素，换热工质的性能优劣直接决定了整个系统的能源利用效率和运行稳定性。传统的换热工质，像水、油和乙二醇溶液等，由于其固有的较低导热系数，在面对日益增长的高功率密度散热需求时，往往显得力不从心，难以满足实际应用的要求。例如，在电子芯片散热领域，随着芯片集成度和运行速度的不断提高，产生的热量急剧增加，如果不能及时有效地散发出去，将会导致芯片温度过高，进而严重影响其性能和使用寿命。

纳米流体作为一种新型的换热工质，是通过将纳米级别的金属、金属氧化物或碳纳米材料等均匀分散在传统基础流体中而形成的。纳米流体中的纳米颗粒具有极高的比表面积和独特的小尺寸效应，这些特性赋予了纳米流体比传统换热工质显著更高的导热系数。相关研究表明，即使在纳米颗粒添加量极低的情况下，纳米流体的导热系数也能得到大幅提升，从而极大地增强了其在换热系统中的传热能力。例如，将少量的氧化铜纳米颗粒添加到水中形成的纳米流体，其导热系数相较于纯水有了明显提高，在电子设备散热等领域展现出了良好的应用前景。然而，纳米颗粒在基础流体中极易发生团聚现象。由于纳米颗粒具有巨大的表面能，它们之间存在着较强的相互吸引力，这使得纳米颗粒容易聚集在一起形成团聚体。当团聚体的尺寸达到一定程度后，在重力的作用下就会发生沉降，导致纳米流体的均匀性遭到破坏，进而使其导热性能和稳定性大幅下降，最终失去作为高效换热工质的优势。因此，如何有效地提高纳米流体中纳米颗粒的分散稳定性，成为了纳米流体研究和应用领域中亟待解决的关键问题。

磷酸锆（ZrP）是一种具有独特层状结构的化合物，其片层之间存在着可交换的阳离子，这种结构赋予了磷酸锆良好的离子交换性能和吸附性能。同时，磷酸锆还具有较高的化学稳定性、热稳定性以及机械强度。这些优异的性能使得磷酸锆在催化、吸附、离子交换以及材料改性等众多领域都得到了广泛的应用。例如，在催化领域，磷酸锆可以作为催化剂载体，有效地提高催化剂的活性和稳定性；在吸附领域，磷酸锆能够吸附水中的重金属离子和有机污染物，实现水体的净化。二氧化钛（TiO?）是一种重要的半导体材料，具有良好的光催化性能、化学稳定性和生物相容性。在纳米流体中，TiO?纳米颗粒因其较高的导热系数和独特的光学性质，被广泛应用于提高流体的传热性能和光热转换效率。例如，在太阳能光热利用领域，TiO?纳米流体可以将太阳能有效地转化为热能，提高太阳能的利用效率。将TiO?纳米颗粒负载在磷酸锆上制备成磷酸锆负载二氧化钛纳米流体，有望结合两者的优势。磷酸锆的层状结构可以为TiO?纳米颗粒提供稳定的支撑，有效抑制TiO?纳米颗粒的团聚，从而提高纳米流体的分散稳定性；而TiO?纳米颗粒的高导热性则可以进一步提升纳米流体的导热性能。这种新型纳米流体在高效热管理系统、太阳能光热利用以及电子设备散热等领域都展现出了巨大的潜在应用价值。例如，在电子设备散热中，使用磷酸锆负载二氧化钛纳米流体作为散热介质，能够更有效地将芯片产生的热量传递出去，确保芯片在较低温度下稳定运行，提高电子设备的性能和可靠性；在太阳能光热系统中，该纳米流体可以提高集热器的集热效率，降低系统成本，推动太阳能的大规模应用。因此，深入研究磷酸锆负载二氧化钛纳米流体的导热和分散稳定性具有重要的理论意义和实际应用价值，对于推动纳米流体在换热领域的发展和应用具有积极的促进作用。

1.2国内外研究现状

在纳米流体的研究领域，国内外学者针对磷酸锆负载二氧化钛纳米流体展开了多方面的探索，在制备方法、导热性能以及分散稳定性等方面均取得了一定成果。

在制备方法上，水热法是合成磷酸锆纳米碟片较为常用的手段。通过精确调控反应温度、时间以及反应物浓度等关键参数，能够成功制备出纯度高、粒径分布均匀且剥离形态完整的磷酸锆纳米碟片。为了实现二氧化钛纳米颗粒在磷酸锆表面的有效负载，硅烷偶联剂异氰酸丙基三乙氧基硅烷（IPTS）发挥了重要作用。它能够在两者之间搭建起化学连接的桥梁，从而形成稳定的磷酸锆负载二氧化钛复合颗粒。后续利用四丁基氢氧化铵（TBAOH）对复合颗粒进行剥离处理，可获得分散性良好的纳米流体。这种方法制备的复合颗粒中，二氧化钛与磷酸锆的质量比会对其形貌产生决定性影响。当两者质量比为1:2时，单个碟片负载的颗粒数目达到最多，且周围无多余散落颗粒，此配比在实验范围内被证明是复合纳米颗粒的最佳选择。

对于该纳米流体的导热性能研究，实验数据表明，二氧化钛纳米流体本身具有较高的导热系数，相较于水可提高26.3%。然而，当将二