含银纳米粒子的水悬浮液的热导率增强研究
摘要：将聚乙烯吡咯烷酮包覆的银纳米粒子分散在蒸馏水中制备纳米流体。这采用基于瞬态热线法的KD2-Pro热分析仪测量了纳米流体的热导率。分析了纳米粒子的粒径、浓度、表面活性剂和悬浮液温度对导热系数的影响。实验结果表明，纳米流体的导热系数随纳米颗粒尺寸的减小和浓度的增加而增大。即使银纳米粒子的体积分数为0.1%，粒径为20nm，其热导率也能提高54%。表面活性剂和温度对纳米流体的热导率增强有显著影响。将纳米流体的温度从30℃升高到60℃，可使其热导率提高到69%，而表面活性剂的加入使聚乙烯吡咯烷酮的热导率提高到34.2%，十二烷基硫酸钠的热导率提高到31.5%。实验结果与现有的理论模型进行了比较。除另有说明外，所有文章内容都是根据知识共享署名3.0未经授权的许可进行授权的。
命名法
水、油、乙二醇等传统传热流体固有的导热系数较低，影响了传热装置的效率和紧凑性。纳米技术的迅速发展和研究导致了新型传热流体纳米流体的发展。纳米流体是一种多相材料，在传统的传热过程中，通过悬浮极低浓度（小于1%）的粒径小于100nm的固体纳米颗粒而制成液体。固体纳米粒子在材质上可以是金属、金属氧化物或碳基材料，而在形状上可以是球形、圆柱形、纤维状或片状。，因为热传导发生在颗粒表面，而纳米颗粒表面的高比表面积和大量原子的存在增强了纳米流体的热传导。纳米流体具有超高的导热性和极强的稳定性，这两点可以作为开发用于传热系统的纳米流体的有利条件。此外，由于纳米颗粒体积小，可以显著减少堵塞和腐蚀。研究者对金属和金属氧化物纳米颗粒增强纳米流体热导率的作用进行了大量的实验和理论研究。研究发现，即使纳米颗粒的体积分数很小，纳米流体的导热系数也能得到很高的增强，纳米流体的传热势远高于金属氧化物纳米颗粒。由L.Godson、HE Patel、 Eastman、J.M.Salehi、Min Sheng Liu、Xian ju Wang和Taehyun Ch等几位研究人员进行了研究，结果表明，对于从0.00026–3%的低体积分数，其导热系数显著提高了14%到90%。Taehyun Cho等人用化学还原法开发了乙二醇银纳米流体，报道了纳米颗粒浓度为1000、5000、10000 ppm时，纳米流体的导热系数分别提高了10%、16%、18%。Warrier等人通过改变银纳米颗粒的体积浓度（对于不同尺寸的纳米颗粒，分别为1%和2%），显示乙二醇的导热率从6.1%提高到21.4%。银纳米粒子具有高的室温导热系数429W/mK，具有重要的应用价值。因此预估它们具有良好的热性能，最好适合于传热应用。此外，银通常被认为是人和动物的安全材料。在传统的传热流体中，水的导热系数很高（303K时为0613 W/mK），在许多热工应用中，如换热器、内燃机等，它主要用作冷却流体，在本研究中，银纳米粒子分散在蒸馏水中。实验分析了银-水纳米流体的粒径、颗粒体积分数、不同表面活性剂的加入量和温度对其导热性能的影响，并与现有的理论模型进行了比较。以往的研究大多是针对颗粒体积分数大于1%的情况进行的。表面活性剂的作用研究也不多。但在本工作中，颗粒体积分数变化小于1%，并研究了表面活性剂的作用。因此，这项研究在目前情况下是有意义的。
二、实验部分
A、 材料
平均粒径为20、30-50和50-80nm，纯度为99.9%，球形，包覆0.2w%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的银纳米粒子购自美国研究纳米材料公司（美国休斯顿）。三种尺寸的银纳米粒子的TEM图像如图1所示。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）平均分子量40000，十二烷基硫酸钠（SDS）平均分子量288.38（Sigma-Aldrich Chemicals Ltd.）为分析级，未经进一步纯化即作为接收品使用。采用超声波清洗槽（容量3升，功率100W，频率40khz）、磁搅拌器（1MLH）和岛津电子天平制备纳米流体。
FIG. 1. TEM images of silver nanoparticles (a) 20 nm, (b) 30-50 nm and (c) 50-80 nm
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