纳米球、纳米花、纳米棒、纳米线：CuO形貌与纳米流体的强化传热

来源：科学通报

向液体基质中添加纳米颗粒，可以得到传热性能优异的“纳米流体”。过去20多年中，纳米流体在换热系统中多有应用，相关研究也备受关注。

传统的纳米流体基液主要是水。然而水的沸点很低，不能应用于较高的温度，且容易引起器件的磨损和腐蚀。于是，热稳定性好、无毒、可循环利用的二甲基硅油成为了另一个选择。但是，相比于水，二甲基硅油的导热系数太低，必须通过添加高导热系数的金属氧化物纳米颗粒，来提升其强化传热效率。

在各种金属氧化物纳米颗粒中，具有良好热物理性能的CuO颗粒是较为常用的一种。以不同工艺制备的各种形貌和结构的CuO纳米粒子和CuO复合材料，如纳米线、纳米块、纳米球等都有应用。然而，尚没有系统性的理论和实验研究，来说明纳米颗粒形貌是如何影响纳米流体的强化传热性能的。

CuO纳米球(a、b)、纳米花(c、d)、纳米棒(e、f)、纳米线(g、h)的SEM图（图源论文，下同）

为此，我们制备了添加CuO纳米球、CuO纳米花、CuO纳米棒、CuO纳米线的二甲基硅油纳米流体，研究颗粒体积分数、形状等对热导率的影响，并对其强化传热机理和理论预测模型进行了较为深入的分析。

不同CuO形貌纳米流体热导率（a）和热导率提升率（b）与氧化铜体积分数的关系

结果表明，随着体积分数的增加，CuO纳米流体的热导率呈近似线性增加。

在0.75％体积分数下，CuO纳米球、纳米花、纳米棒、纳米线纳米流体的热导率分别为0.155、0.168、0.189和0.233 W/(m K)，对应的热导率分别提高了7.00%、16.11%、51.62%和60.78%。

可以看出，在相同体积分数下，热导率呈现出CuO纳米球＜CuO纳米花＜CuO纳米棒＜CuO纳米线的规律，即CuO纳米流体的热导率和CuO的长径比正相关。与零维的纳米球和准零维的纳米花相比，一维的纳米棒和纳米线具有较高的长径比和较长的声子平均自由程。在纳米流体中，较高的长径比可以增加彼此接触的概率，为热载流子传输找到能量损耗最小的路径，从而构建出更快速的导热传输网络。

我们还将实验结果与几个经典的理论预测模型进行了比较，发现：

Maxwell、Jeffrey、Bruggeman和Looyenga模型可以对规则的零维纳米球进行较好的模拟，但对CuO纳米花的预测值偏小；

Murshed模型与实验数值偏差较大，不适合预测CuO纳米流体的热导率；

Hamilton-Crosser模型能较好地预测各种CuO纳米流体的热导率，但对纳米线、纳米棒的预测值偏小，这是由于该模型虽然考虑了形状因子的存在，但忽略了温度、团聚等其他因素的影响。

理论模型和实验数据的分析