随着科学技术的快速发展，换热成为困扰许多器件的一大难题，传统的换热介质（水、乙二醇、导热油）由于导热系数低，易在生产过程中出现热疲劳现象，导致设备损坏。所以研制具有高换热性能的换热介质，成为当下提高设备换热效率的新趋势。纳米流体作为新一代高导热系数传热介质，被认为是解决上述问题的有效途径之一，但由于纳米颗粒具有较大的密度、比表面积和表面能，所以如何维持纳米流体的长时间稳定，成为当下纳米流体进一步发展的关键。接下来，小编将为大家详细介绍纳米流体及维持其稳定性的有效办法。

影响纳米流体导热性的因素（图源：文献1）

什么是纳米流体？

纳米流体是将纳米尺寸的颗粒以一定的方式和比例添加到水、乙二醇、油等基液中，制备成均匀稳定且具有高导热性的纳米颗粒悬浮液。相较普通的固液悬浮液，纳米流体拥有较高的热导率，强化了流体的传热性能，降低了运行成本；其粒径比较小，比表面积大，增大了纳米颗粒与基液的换热面积；在流体中纳米颗粒的不规则运动可以有效增强流体的扰动与对流换热；纳米颗粒的尺寸非常小，不易引起管道堵塞，可以作为润滑介质，减少管道和设备的磨损。尽管纳米流体具有以上诸多优势，但由于纳米颗粒本身具有较大的比表面积和表面能，难以保持长时间的稳定，易出现聚沉现象，导致流体在换热设备中无法达到预期效果，可能造成换热设备堵塞，加剧设备的腐蚀与老化。因此，纳米流体的长期稳定性及其可重复利用性是目前主要的一个技术挑战。目前，主流的纳米流体制备方法有单步法和两步法两种。

（1）单步法

单步法是在合成纳米颗粒的过程中，将纳米颗粒直接分散到基液中得到纳米流体的方法，纳米颗粒与纳米液体是同步合成的。这一方法适用于热导率较高的纳米颗粒悬浮液的制备，制备出来的纳米流体稳定性高、纯度高、粒径小、有良好的悬浮性能，但其存在制作成本较高、设备繁琐、无法批量生产的问题。作为一种将纳米颗粒的生产和分散过程结合到基础流体的制备方法，常使用物理气相沉积法或化学液相法来制备纳米颗粒，其中气相法比较多见。

单步法制备流程（图源：文献2）

（2）两步法

两步法是先单独制备出纳米颗粒，再将纳米颗粒以某种手段掺杂入基液中，借助超声波的作用，在基液中添加分散剂，以防止其聚集。两步法具有有效防止颗粒聚集、提高颗粒在基体溶液中的分散性、工艺简单、成本低的优点，其核心是防止纳米粒子发生团聚，保证长期存放后粒子不会从溶液中沉淀出来。在制备过程中，必须要掌握好超声波的作用时间，时间过短会导致颗粒在溶液中分布不均匀，易发生聚集现象。

两步法制备流程（图源：文献2）

稳定性表征方法

纳米流体的稳定性不仅决定了纳米流体的物理性质（热导率、黏度等），还会影响到纳米流体在实际应用过程中的其他特性。目前，评价纳米流体稳定性的方法主要有沉降观察法、粒度显微法、Zeta电位测量法和吸光度测量法。

（1）沉降观察法

沉降观察法是评价纳米流体稳定性最基本、最简单的技术，它主要通过测量上清液层高度或沉降情况来评价纳米流体的稳定性。在静态环境中，纳米流体会因重力的作用自然沉降，并出现明显的分层情况。依据斯托克斯定律可知，纳米颗粒粒径越小，沉降速度越小，因此较小的纳米颗粒往往呈现的稳定性越好。虽然沉降观察法的操作步骤非常简单，但它无法用准确数值来表示纳米流体的稳定性，存在一定的模糊性；它不适用于研究一些分散性良好，但没有明显分层的纳米流体的分散稳定性。

V1：颗粒沉降速度；r：颗粒半径；ρ：颗粒密度；ρ1：流体密度；η：流体黏度

斯托克斯定律

（2）粒度显微法

粒度显微法是一种利用电子显微镜（SEM）和投射显微镜（TEM）来测定纳米颗粒尺寸、形状和分散状态的方法。这种方法相较沉降观察法精度更高，可以直接观察到非常小的颗粒，结合不同的显微镜技术，可以分析不同类型的颗粒，但其只能定性分析纳米流体的稳定性，不能定量分析纳米流体。

（3）Zeta电位测量法

纳米流体的稳定性取决于颗粒之间的表面作用力，如范德华力、静电排斥力。静电排斥力可以用Zeta电位表示，分散的颗粒越小，Zeta电位绝对值越高，当其绝对值大于30时，稳定性好；如果Zeta电位绝对值为0-5，此时纳米颗粒之间的吸引力大于排斥力，悬浮液将出现沉淀。

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（4）吸光度测量法

吸光度测量法是一种利用物质对特定波长光的吸收特性来进行定量分析的技术。根据比尔-朗伯定律，当溶液中物质的摩尔吸收率和光程固定时，溶液的吸光度与悬浮纳米颗粒的含量成正比，较高的吸光度意味着悬浮在溶液中的纳米颗粒的质量分数较高，一旦纳米颗粒聚集并沉降，流体中剩余的纳米颗粒对光的吸收量会大大减少，光穿透流体的强度会更高。

A：吸光度；ε：摩尔吸收率；b：光程；c：摩尔浓度

比尔-朗伯定律

增强稳定性的方法

目前，提高纳米流体稳定性的分散方法主要分为物理分散与化学分散两种。物理分散方法包括磁力搅拌、超声分散技术，但单独使用物理分散通常难以获得较好的效果，需要搭配化学分散法使用。化学分散法包括添加分散剂、调节基液pH值、表面改性技术，化学分散法使通过改变纳米颗粒的表面物理、化学性质，而实现纳米颗粒的分散。

1、磁力搅拌

磁力搅拌是通过磁场的作用来驱动搅拌子在液体里旋转，从而实现液体搅拌，进而减少颗粒团聚，保证纳米流体稳定性的方法。由于磁力搅拌器存在转速限制，一般情况下，较难达到良好的分散状态，需配合超声波分散技术使用，以达到较好的分散状态。磁力搅拌的应用较为普遍，是较为基础的增强纳米流体稳定性的方法，但该方法无法保证纳米流体长期稳定性，需要配合其他方法进行使用。

Paul等利用行星式高能球磨机在室温下合成了Al-Zn纳米颗粒，并通过两步法将适量的超细Al-Zn纳米颗粒加入EG中，在磁力搅拌一段时间后，借助超声波处理，制备出具有良好稳定性的杂化纳米流体。

磁力搅拌器（图源：博大精科）

2、超声分散技术

超声分散技术是一种利用超声波在液体中产生的空化效应来分散固体颗粒的技术。超声波通过液体介质时，会在液体中产生压力波，这些压力波在液体中会形成低压区域，使气泡经历形成、生长、崩溃三个阶段，其中气泡在崩溃时会产生极高的温度和压力，会对周围的物质产生极强烈的冲击和剪切力，从而将纳米颗粒团簇分解为小颗粒，使其均匀地分散到基液中。这一方法可以通过间接法（超声波浴）和直接法（超声波探头）两种方式实现，其中间接法的超声波场范围较大，但强度不集中，存在较大差异；直接法的探头附近有个小而集中的场，超声过程中可以保持较小的处理体积，从而使纳米流体在超声场中均匀循环。但需要注意的是，超声分散技术仅适用于不易团聚的纳米颗粒。由于超声波的机械作用和空化效应，溶液中分散的颗粒原子或分子极容易因碰撞而形成新的团簇，因此确定合适的超声时长、最佳的超声参数与方式至关重要。

Chung等为了量化超声处理过程中超声能量场的强度和分布，开发了一种潜入式探头型超声处理装置（直接法）。相比于间接法，在打破纳米颗粒团簇和减小平均团簇大小方面更有优势，且对不同类型的纳米颗粒和基液所需的超声处理时长是不同的。

超声波振荡器（图源：上海五相仪器）

3、调节基液pH值

纳米颗粒的表面电荷会随着pH值的变化而发生变化，当基液的pH值发生变化时，液体体系的Zeta电位绝对值也会相应的发生变化，该值越大，就说明纳米颗粒间的静电排斥力越强，颗粒越不易团聚。经过大量的实验验证可知，纳米流体的pH值与纳米颗粒的种类、质量分数、纳米流体的温度和分散剂种类有关，可通过调节纳米流体pH值以提高其稳定性，进而将其应用到实际工程中。一般情况下，颗粒表面会紧紧吸附一层反离子（固定层），它们与颗粒表面存在极强的相互作用，几乎不移动；固定层之外，是存在大量自由离子的扩散层，这些自由离子与纳米颗粒电性一致，离子浓度随着与纳米颗粒之间距离的增大而减小。通过调节基液的pH，可以有效改变颗粒表面的电荷密度，进而影响双电层的结构，从而达到调整纳米流体稳定性的目的，当纳米颗粒的双电层较厚时，就可以有效抑制纳米颗粒的团聚。

Li等研究了pH值对金纳米流体的影响，发现当pH值小于10时，制备的金纳米颗粒形貌不均匀且粒径较大，而随着pH的增加，Zeta电位不断增大，颗粒分布均匀且粒径较小，即颗粒间静电排斥力增加，颗粒不易团聚。

Kamlghribi等进行了pH值对CuO纳米颗粒分散在不同基液中稳定性影响的实验研究，发现当pH=10.2且进行一定时间超声处理后，纳米流体可以稳定较长时间。

颗粒双电层结构示意图（图源：文献3）

4、添加表面活性剂

添加分散剂或者表面活性剂是提高纳米流体稳定性的常用方法。表面活性剂分子具有两亲性，当它们被添加到纳米流体中时，表面活性剂的疏水端会吸附到纳米颗粒的表面，亲水端则会朝向液体介质，这种排列方式可以有效降低纳米流体的界面张力与界面自由能，在颗粒间形成空间位阻，促使纳米颗粒分散，不会因相互吸引而团聚形成沉淀。除此之外，表面活性剂的添加还可以促使纳米颗粒的Zeta电位增加，增加悬浮颗粒的亲水性。但如果表面活性剂浓度过高，纳米流体会出现饱和吸附现象，不利于其分散稳定性及换热；如果表面活性剂的浓度过小，容易导致颗粒团聚，因此表面活性剂的选择十分重要，需要选择与基液、纳米颗粒匹配的表面活性剂。根据表面活性剂能否在水中电离，可将其分为离子型和非离子型表面活性剂；根据离子型表面活性剂的电离情况，又可以将其分为阴离子和阳离子表面活性剂。

表面活性剂/分散剂种类（图源：文献4）

Das等分别在Al₂O₃-H₂O纳米流体中添加了CTAB、SDBS和SDS三种表面活性剂。结果表明，当纳米颗粒与SDBS质量比为2：1时，纳米流体的稳定性最好，在静置一段时间的情况下无明显团聚现象。

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5、纳米颗粒表面改性技术

纳米颗粒表面改性技术是指通过物理、化学或生物的方法去改变纳米颗粒的表面性质，从而提高纳米颗粒在特定应用中的性能，如原子层结构、官能团、表面疏水亲水性、反应特性等。表面改性技术不仅可以提高纳米颗粒的分散性与表面活性，从而改善颗粒与其他物质的相容性，还可以根据需求对颗粒的形状、亲疏水性进行改造，以实现颗粒在特殊场景中的应用。常用的颗粒表面改性技术可以分为物理改性和化学改性。

Jouyandeh等使用电化学法合成了磁性氧化铁纳米颗粒和经聚乙二醇修饰的MIO纳米颗粒，发现所有合成的MIO纳米颗粒均具有超顺磁性，且经过聚乙二醇修饰后的MIO平均粒径更小，PEG对MIO的改性阻止了纳米颗粒的团聚。

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小结

纳米流体在换热领域的应用潜力巨大，但由于颗粒间较强的作用力、表面能，纳米颗粒极易团聚成簇并在重力作用下沉淀，进而影响纳米流体的稳定性与换热效果。上述我们提及的方法都可以有效解决纳米流体长期稳定性低的问题，但如何使这些方法能够绿色、低成本的应用于工业生产，是我们还需要思考的问题。

参考文献：

1、杜文桥.石墨烯基纳米流体的制备、性能及应用[D].长春工业大学.

2、陈海飞，崔永盛，陈亚伟，等.纳米流体材料在喷雾冷却中的研究进展[J/OL].现代化工.

3、张玉华,曾鸿亮,全四龙.基于zeta电位的造纸中段废水处理过程中絮凝剂投加量的优化控制[J].武汉理工大学学报.

4、江巍雪,汤新宇,宋金蔚,等.纳米流体的制备、稳定性及热物性研究进展[J].材料导报.

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