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改善导热、摩擦、光热转换性能…氮化硼在纳米流体还挺牛

2022-02-11 11:08:38

在过去的几十年中,对于纳米科学发展十分迅速,因此研究人员开始探索如何将纳米材料技术应用于强化传热领域。1995年时,美国Argonne国家实验室Choi首次提出了“纳米流体”概念,从此将纳米技术与热能工程这一传统领域创新性地结合了起来。

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纳米流体是通过在传统的液体中添加一定量的纳米粒子(尺寸在1-100nm),从而制备的均匀、稳定的新的传热介质。它与传统的传热流体相比,可有效提高热系统的传热性能,满足一些特殊条件(微尺度条件)下的强化传热要求,因此被认为是一种新型的传热流体。


不过纳米流体的潜力并不止于此,在作为热源与冷却设备之间的桥梁用于热交换系统后,逐渐又扩展到了摩擦学、太阳能集热器和生物医学等领域。在过去的十年中,有关纳米流体的研究引起的国内外研究者的兴趣并成为了关注的热点之一。


纳米流体的组成


纳米流体一般由固体颗粒及基液组成。所使用的基液一般是导电流体,如乙二醇或水;另外润滑剂、油、生物流体及聚合物溶液也被用于制备纳米流体。可选择的纳米颗粒则包含化学稳定的金属(Cu、Au、Al和Fe)、金属氧化物(TiO2、Al2O3、CuO、SiO2、Fe3O4和ZrO2)、非金属(氮化硼、单壁和多壁碳纳米管、石墨烯和石墨)、金属氮化物(AIN、BN、Si3N4)、金属碳化物(SiC)。

由于纳米流体的稳定性是其广泛应用的关键性瓶颈。随着使用时间的增长,纳米流体的不稳定性将会导致系统性能严重下降,因此提高纳米流体的长期稳定性及其可重复使用性是在工业领域大规模应用的基本要求。

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而二维纳米片由于具有较大的比表面积和较高的化学稳定性,在防止纳米颗粒聚集方面起到关键作用,因此,由纳米片材料支撑的纳米颗粒往往比单独使用的纳米颗粒表现出更加优越的性能。于是具有片状结构的氮化硼突然受到了研究该领域的科学家的青睐,开始对其展开大量研究。


氮化硼的优势


六方氮化硼(h-BN)是一种类似于石墨的等电性材料,具有与石墨类似的片层结构,被称为白石墨,具有独特的结构、优异的机械强度、较高的热稳定性、抗氧化性和化学惰性,是一种很有应用前景的材料。若将h-BN片层结构剥离开得到厚度为几个纳米的片状h-BN,则能成为氮化硼纳米片(BNNS),是另一种二维纳米材料。

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为了使片状h-BN在基液中具有更好的分散性能,对其功能化进行了大量研究。Zhi等人通过超声离心法,利用N,N-二甲基甲酰胺等有机溶剂和官能团之间的极性相互作用来剥离h-BN纳米片。Lie等人报道h-BN可以在路易斯酸碱作用下通过球磨被长烷基链胺功能化使得表面缺陷的数量增加,也研究了通过边缘功能化直接实现h-BN纳米片的水分散。

不过,氮化硼最为突出的,还是它用于纳米流体后表现出的应用优势。具体如下:



①改善摩擦学性能


摩擦几乎存在于所有运动的系统中(钻孔、切削、切割、加工和成型等),过高的摩擦会造成能量损失、机械故障和工作效率低等。为了较大限度地减少摩擦带来的不利影响,通常会使用固体或液体润滑剂,一般主要以后者作为消除摩擦。

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随着纳米科学技术的迅速发展,一大批二维材料的发现彻底改变了摩擦学领域,将这些材料添加到传统润滑剂中不仅可以有效降低了磨损和摩擦系数,同时又可以提高其承载能力。Han.W等采用四球摩擦实验评估了BN纳米粒子(~20nm)对液体石蜡的摩擦学行为的影响。试验结果表明,BN纳米粒子不仅降低了液体石蜡的摩擦系数,而且还可以提高其耐磨性。Lee等人报道当直径为300nm和厚度为30nm的BNNSs加入到水中可以明显的改善水的摩擦学性能,30天的静置沉降之后,发现纳米流体的摩擦学行为几平没有变化,说明所制备的纳米流体具有很好的可靠性。



②改善传热性能


在电子电气行业,如何提高设备的热管理能力是一个很重要的课题。目前许多电子产品和机械设备都会使用空气冷却来消除废热。但空气的热导率系数极低,限制了散热设备的设备的散热效率,而液态冷却由于散热效率高、运行过程安静等优点可以有效解决电气电子行业较高热流密度下的散热问题。

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一些相关报道表明,高导热BN纳米粒子的引入可以有效的提高传统流体散热效率。Ertürk课题组报道当在水中添加BN的量为0.1vol%、0.5vol%和1vol%时,水的传热效率分别提高了约7%、10%和15%。Das等人报道在BN的浓度为0.10vol%时,水的导热系数增加了16.08%。Yu等人采用溶剂剥离法将微米级BNNNSs均匀的在水中,当水中BNNSs的含量为24vol%时,所制备的BN/水纳米流体的热导率高达2.39W/mK,对应导热率增强约为298%。



③增强光热转换效率


利用太阳辐射对水进行加热是利用太阳能进行的许多有益的工作之一。太阳能的有效利用可以降低甚至取代通过化石燃料燃烧为设备提供所需的热水的传统方式。集热器是太阳能热水系统的关键部件,它可以收集清洁的太阳能并转化为热能用于水的加热。通过集热器增加传热的方法可分为两类:被动法和主动法。与主动法相比,被动法不需要外力的作用。利用纳米流体作为直接收吸太阳能集热器中的传热介质是一种提高传热的被动方法

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许多研究报告已经证明,BN纳米材料加入到水中不仅可以保持长期稳定性,而且还表现出了显著的热导率增强。这些结果表明,BN/水纳米流非常适合用作太阳能集热器中的传热介质。Chatur和Nitnaware等人对纯水和BN/水纳米流体在太阳能热水器中的性能进行了比较,与纯水相比,在水中加入3wt%的BN后,平板太阳能集热器的效率得到了明显的提高。



④提高载药能力


碳纳米材料在生物传感、医学成像和癌细胞靶向治疗等医学领域中已经得到了广泛研究,但是碳纳米材料具有一定的细胞毒性限制了其在临床中的应用,因此开发碳材料的代替物是非常有意义的。而BN作为碳纳米材料的结构类似物,其性能与碳材料相匹配,低的细胞毒性、优异的化学稳定性和高的热稳定性使其在医学领域具有强竞争优势。

Chen等人研究了BNINTs与肾细胞的相容性。将未经任何处理的BNNTs纳米流体(浓度为100mg/mL)加入到肾细胞进行了测试,结果显示BNNTs没有任何的细胞毒性。Zhang和Golberg等人证明具有可控硼释放的BN纳米流体可以使前列腺癌细胞凋亡。Weng等人开发了一种简单的方法直接合成了具有高水溶性的BN材料,该BN材料展示很好的生物相容性并可以负载比自身重量高三倍的抗癌药物。与游离药物相比,药物负载到BN载体上可以更好的的降低前列腺淋巴癌细胞活性。这些结果表明BN纳米流体在药物的装载、运输和释放等领域有巨大的潜力。


结语


不过需要注意的是,虽然较低浓度的BN已被证实可以在水中长期均匀分散,但高浓度BN材料能否在不同的流体介质中有效地分散稳定,才是决定氮化硼复合纳米流体能否规模化应用的关键所在,因此这方面还需要对新工艺投入更多研究才行。


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