CN102942906B - 一种高导热、低粘度水基含复合导热填料纳米流体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高导热、低粘度水基含复合导热填料纳米流体，按体积计，该纳米流体由以下组份组成：复合导热填料0.01～0.2份，水溶液99.8～99.99份。当复合导热填料的总体积份额为0.015%时，所得纳米流体导热系数提高达54%。和水的粘度相比，所得纳米流体粘度几乎不变。用本发明方法制备的含复合导热填料的纳米流体，具有高导热、低粘度、分散性及稳定性好等特点，为纳米流体实际应用于换热系统提供可能。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米流体，更具体地说，涉及一种高导热、低粘度水基含复合导热填料纳米流体。
背景技术
随着电子工业向着高性能、微型化、集成化的方向发展，对换热系统的高效低阻紧凑的性能指标的要求也越来越高，散热问题越来越尖锐，已成为影响其发展的一个瓶颈。例如，LED是新一代绿色光源和照明技术，然而制约大功率LED发展的一大因素是散热不畅，严重影响其可靠性和寿命。此外，在能源、化工、航空航天等领域，均对强化传热技术提出了更高的要求。因此，迫切需要开发新型高效的换热介质。1995年，美国Argonne国家实验室的科学家首次提出“纳米流体”的概念。纳米流体与传统流体相比，其导热系数和流动换热系数大幅度提高，从而显著改善传热性能，是一种具有广阔应用前景的新型高效换热介质材料。具有优异强化传热特性的纳米流体依赖于所添加的纳米材料的导热性能。石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，单层石墨烯面内的导热系数高达5300W/mK，大大超过了自然界中最好的体态晶体导热材料--金刚石1000-2200W/mK。碳纳米管具有优异的传热性能，近年来，含碳纳米管（CNT）纳米流体强化传热是热物理和材料领域的研究热点之一。然而，只添加碳纳米管或石墨烯一般要在添加量比较大的情况下才能获得导热性能高的纳米流体，添加量大势必会增加纳米流体的粘度，这将严重限制纳米流体在实际中的应用。研究表明，复合导热填料可在基础传热介质中易形成热传导网络，有利于基础传热介质导热性能提升。但目前为止，尚没有相关的文献或专利报道水基含石墨烯碳纳米管复合导热填料纳米流体的制备方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述缺陷，提供一种具有高导热、低粘度且具有良好稳定性及分散性的水基含石墨烯、碳纳米管复合导热填料纳米流体。
为实现本发明的目的，本发明的技术方案是：
一种高导热、低粘度水基含复合导热填料纳米流体，按体积计，该纳米流体由以下组份组成：
复合导热填料 0.01～0.2份，
含分散剂的水溶液 99.8～99.99份。
在本发明的一优选实施例中，所述复合导热填料为具有不同物理性质的石墨烯和碳纳米管的混合物。
在本发明的一更优选实施例中，所述石墨烯与碳纳米管的质量比为3:7～7:3。
在本发明的一更优选实施例中，所述石墨烯为单层石墨烯或多层石墨烯。
在本发明的一更优选实施例中，所述碳纳米管为具有可调长径比及直线度的单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管。
在本发明的一优选实施例中，所述分散剂为具有特殊分子结构的偶联表面活性剂，具体为1，3-N，N二甲基十二烷基溴化铵，可计为12-3-12，2Br-1。
在本发明的一优选实施例中，所述含分散剂的水溶液中分散剂的质量含量为0.1～0.5%。
本发明的另一目的是提供一种高导热、低粘度水基含复合导热填料纳米流体的制备方法，该方法包括以下步骤：
（1）向水中加入分散剂制得含分散剂的水溶液；
（2）采用机械球磨技术并通过控制球磨时间以调节碳纳米管的长径比和直线度；
（3）采用超声分散法将石墨烯和经过球磨之后的碳纳米管分散到含分散剂的水溶液中，制得稳定的含石墨烯、碳纳米管复合导热填料的纳米流体。
在本发明的一优选实施例中，所述步骤（2）中球磨时间为1～30小时。
本发明通过超声振动，将具有不同层数的石墨烯和不同管壁、不同长径比（直线度）的碳纳米管分散在含有分散剂的水溶液中，得到稳定的、均匀分散的纳米流体，在流体粘度几乎不改变的前提下，获得具有高导热性能的纳米流体，为纳米流体实际应用于换热系统提供可能。
具体实施方式
实施例1
制备质量含量为0.1%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.01%的复合导热填料与体积份额为99.99%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动10小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨5小时的单壁碳纳米管二者质量比为3:7。所形成的纳米流体稳定存在5小时，且其导热系数比水的导热系数提高6.6%。
实施例2
制备质量含量为0.2%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.01%的复合导热填料与体积份额为99.99%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动10小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨5小时的单壁碳纳米管二者质量比为1:1。所形成的纳米流体稳定存在8小时，且其导热系数比水的导热系数提高10.3%。
实施例3
制备质量含量为0.2%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.01%的复合导热填料与体积份额为99.99%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动10小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨5小时的单壁碳纳米管二者质量比为7:3。所形成的纳米流体稳定存在24小时，且其导热系数比水的导热系数提高16.8%。
实施例4
制备质量含量为0.3%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.015%的复合导热填料与体积份额为99.985%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动10小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨15小时的多壁碳纳米管二者质量比为7:3。所形成的纳米流体稳定存在2个月，且其导热系数比水的导热系数提高54%。
实施例5
制备质量含量为0.3%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.1%的复合导热填料与体积份额为99.9%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动15小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨15小时的双壁碳纳米管二者质量比为1:1。所形成的纳米流体稳定存在20天，且其导热系数比水的导热系数提高25.3%。
实施例6
制备质量含量为0.4%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.1%的复合导热填料与体积份额为99.9%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动15小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨25小时的多壁碳纳米管二者质量比为3:7。所形成的纳米流体稳定存在1个月，且其导热系数比水的导热系数提高32.4%。
实施例7
制备质量含量为0.4%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.2%的复合导热填料与体积份额为99.8%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动20小时左右。复合导热填料中单层石墨烯与球磨15小时的单壁碳纳米管二者质量比为7:3。所形成的纳米流体稳定存在25天，且其导热系数比水的导热系数提高28.7%。
实施例8
制备质量含量为0.5%的12-3-12，2Br-1水溶液，将总体积份额为0.01%的复合导热填料与体积份额为99.99%的12-3-12，2Br-1水溶液混合，超声振动20小时左右。复合导热填料中多层石墨烯与球磨5小时的单壁碳纳米管二者质量比为1:1。所形成的纳米流体稳定存在1周，且其导热系数比水的导热系数提高18.6%。
用本发明方法制备的水基含复合导热填料的纳米流体，具有高导热性能、低粘度，且具有良好的稳定性、分散性，非常有利于纳米流体在实际换热系统中的应用。
Claims (1)
1.一种高导热、低粘度水基含复合导热填料纳米流体，其特征在于，按体积计，该纳米流体由以下组份并经超声振动10小时制备而成：
复合导热填料 0.015％，
含分散剂的水溶液 99.985％；
所述复合导热填料为单层石墨烯与球磨15小时的多壁碳纳米管的混合物；单层石墨烯与球磨15小时的多壁碳纳米管二者质量比为7:3；所述分散剂为偶联表面活性剂，具体为1，3-N，N二甲基十二烷基溴化铵，可计为12-3-12，2Br-1；所述含分散剂的水溶液中分散剂的质量含量为0.3％。
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