经典文章回顾-铜纳米流体导热系数的提高：填料几何形状的影响

研究背景

向液体中添加纳米材料、导热粒子构成纳米流体是提高液体导热性的有效策略。到目前为止，大多数研究的重点是金属氧化物，如氧化铝、氧化铜、和钛基液体，因为它们成本低，化学稳定性好，在表面改性方面用途广泛。然而，由于氧化物纳米流体呈球形或类似的形貌，其热导率的增强通常发生在高颗粒负载的组分中。高颗粒负载导致粘度显著增加，这导致泵送功率增加，否定了热导率增益的优势。近年来，在金属纳米材料的合成方面取得了重大进展，可以精确调整颗粒的大小、形状、组成甚至表面化学结构。金属纳米流体已被发现在非常低的填料负载下可提高热导率。蒙纳士大学Wenlong Cheng课题组研究了了铜纳米材料热导率的增强对其填充形貌依赖性。

相关成果以 “Enhanced Thermal Conductivity of Copper Nanofluids: The Effect of Filler Geometry”为题，发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF= 10.383）上。

研究内容

本文首次研究了具有四种不同颗粒形状的铜纳米流体的热导率。虽然没有观察到明显的渗透阈值，CuNWs的高展弦比和热导率的变化趋势表明，高展弦比CuNW纳米流体的增强机制以渗流为主。另一方面，由于遇到了大量的热界面，在低填料负载下不能实现热渗透，CuNCs和CuNSs在导电性方面表现出线性和边际增强。由于松散集料的形成，CuNSs比CuNCs具有更好的增强效果，提高了有效填充分数；虽然不能精确控制团聚程度和团簇形态。当纳米粒子系统形成团簇和渗透结构时，热导率值完全在有效介质理论的范围内，因此足以解释热导率的增强，而无需求助于奇异的机制，如纳米粒子边界上的有序基质表面层。增加填料的长径比可以减弱界面阻力的不利影响。因此，颗粒形状的影响是实现纳米流体适用于所提出应用的一个重要参数。

通过优化洗涤-再分散方案，在流体配方中使用PVP作为分散剂和抗坏血酸作为抗氧化剂，提高了纳米流体的稳定性。这些纳米流体配方能够在重复加热和冷却循环1000小时的时间内保持导热性。填料加载分数远低于1 vol %，使粘度的增加保持在最小值。这些进展清楚地显示了纳米流体向低填充分数、高展弦比纳米流体配方发展的趋势，以增强热输运。结果表明工程铜纳米流体在实际工业应用中的潜力。

研究数据

图1. (A) Cu长纳米线，(B) Cu短纳米线，(C) Cu纳米立方，(D) Cu纳米球的SEM显微图和尺寸分布。

图2. 长CuNWs、短CuNWs，CuNCs和CuNPs的x射线衍射图和插入TEM显微图。

图 3. 在25°C下，铜纳米球、铜纳米立方体、短铜纳米线和长铜纳米线的粒子负载对铜纳米流体导热性能的增强。每个数据点对应10次测量计算的平均值±标准差。有效介质理论边界由Hashin-Shtrikman模型计算

图4. 根据有效介质理论(EMT)和相应的实验数据计算了不同形状铜纳米流体在有和无界面热阻时复合材料有效导热系数与纵横比的关系。对于EMT计算(连通曲线)，固体符号表示没有界面电阻的导热性增强，而开放符号表示界面电阻为10-8 m2 K/W的增强。考虑到铜的体积导热系数为(400 W/mK)，水的体积导热系数为(0.610 W/mK)，填充分数为0.25 vol %。实验数据绘制了所有四种粒子形状在0.25 vol %负载下的数据，是10次测量的平均值±标准差。固体和开放符号分别代表20°C和70°C下的实验数据。

图5. 相对于填充量为0.25 vol %时的温度，铜纳米线、纳米球和纳米立方基纳米流体的导热增强。阴影区域是为了突出趋势。

图6. 铜纳米线和纳米球纳米流体在反复加热和冷却循环下的热循环。

图7. 铜纳米线基纳米流体相对于0.25%负载时间的稳定性，显示了后处理方案的效果。开放符号表示洗涤后重新分散在去离子水中的CuNWs，固体符号表示在含有2.5 mg/mL PVP和1 mg/mL抗坏血酸的去离子水中重新分散的CuNWs。在45°C下用去离子水（A）1次洗涤循环，（B）2次洗涤循环和（C）3 +次洗涤循环之后，CuNWs的相应SEM显微图。

图8. 0.25 vol %装载的长CuNWs，短CuNWs， CuNSs，和CuNCs的铜纳米流体的粘度随温度变化图。

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b03339

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