【摘 要】
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纳米流体作为一种新型的传热介质,在工业生产,微电子设备,能源应用等领域具有广阔的应用前景。不过,纳米流体在实际生产应用中存在很难兼具高热导率和高稳定性的问题,严重限制了纳米流体的应用。新型的碳纳米材料,尤其是石墨烯和碳纳米管,由于其独特的结构,具备较高的比表面积,高的热导率和强的机械性能等优异特性,在纳米流体领域得到广泛研究和应用。尤其是碳纳米材料与其他纳米颗粒合成的碳基复合纳米材料成为近年来制备
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纳米流体作为一种新型的传热介质,在工业生产,微电子设备,能源应用等领域具有广阔的应用前景。不过,纳米流体在实际生产应用中存在很难兼具高热导率和高稳定性的问题,严重限制了纳米流体的应用。新型的碳纳米材料,尤其是石墨烯和碳纳米管,由于其独特的结构,具备较高的比表面积,高的热导率和强的机械性能等优异特性,在纳米流体领域得到广泛研究和应用。尤其是碳纳米材料与其他纳米颗粒合成的碳基复合纳米材料成为近年来制备高导热和高稳定性纳米流体的研究热点。然而,石墨烯纳米片易堆叠和碳纳米管易发生缠绕聚集的现象,降低了其在基液中的稳定性,导致在实际应用中很难达到理论的性能,极大限制了其在实际生产中的大规模应用。为了解决这一问题,本文设计了两种碳纳米复合材料:一种为具有独特自支撑结构的三维类石墨烯多孔碳及银纳米颗粒复合材料;另一种为银纳米颗粒/碳纳米管复合材料。对两种复合材料的制备工艺进行了详细研究,并且将所合成的碳基纳米复合材料制备成纳米流体,对其稳定性、导热性和流变性能进行了系统研究。本文的主要研究结果如下:(1)采用水溶性的聚乙烯醇为碳源,乙酸镍为催化剂,氢氧化钾为活化造孔剂,通过调整多种工艺参数,研究控制三维类石墨烯多孔碳(3D GPC)的成孔形貌;通过在制备过程中添加银盐,在不添加任何还原剂的条件下,合成了负载有银纳米颗粒的三维类石墨烯复合材料(Ag/3D GPC),并确定了最佳的制备工艺。所制备的3D GPC,石墨化结晶程度较高,比表面积高达1592.7 m2/g,具有微孔、中孔和大孔的分级多孔结构;Ag纳米颗粒粒径为10 nm左右,均匀地分布在3D GPC的内表面。(2)使用上述3D GPC和Ag/3D GPC制备了水基和乙二醇(EG)基纳米流体,并对其性能进行了详细研究。结果表明:所制备的纳米流体具有良好的稳定性、导热性和流变性能。在不添加任何表面活性剂的情况下,静置22天后,0.08 wt%的3D GPC和Ag/3D GPC纳米流体最大沉降率分别为80%和31%;较低浓度(<0.08 wt%)的纳米流体则可以在基液中稳定分散六个月。当温度为65℃时,质量分数为0.1 wt%的Ag/3D GPC纳米流体导热系数比纯水提高了95.5%,高达1.253 W/(m.K)。Ag/3D GPC水基和EG基纳米流体的粘度均服从Arrhenius模型,随着温度的升高而降低,随着质量浓度的增加而增加。(3)采用超声辅助浸渍和化学还原相结合的方法,实现了银纳米颗粒在碳纳米管表面(Ag/CNT-O)和内部(Ag/CNT-I)可控生长。银纳米颗粒由于负载碳纳米管的位置不同,生长出的颗粒尺寸和所形成的纳米流体的性能有所不同。内部填充的Ag纳米颗粒在5-10 nm左右,外侧生长的在10-15 nm左右。纳米流体的稳定性和导热性显著提升。(4)在不添加任何分散剂的条件下,制备了Ag/CNT纳米流体,对比研究了Ag/CNT-O和Ag/CNT-I流体的性能。Ag/CNT纳米流体具有良好的稳定性、导热性和流变性能。相同条件下,Ag/CNT-I纳米流体的稳定性比Ag/CNT-O纳米流体更高。Ag/CNT水基和EG基纳米流体的导热系数随温度和质量浓度的增加而提高,在相同条件下,f-CNT、Ag/CNT-I和Ag/CNT-O纳米流体的导热系数均服从Ag/CNT-I>Ag/CNT-O>f-CNT的规律。Ag/CNT水基和EG基纳米流体的粘度服从Arrhenius模型,随着温度的升高而降低,随着质量浓度的增加而增加,并且,在相同条件下,两种纳米流体的粘度均小于碳纳米管流体的粘度。
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