CN114620729A

CN114620729A - 钛碳化铝MAXene纳米粉体、纳米流体及其制备方法

Info

Publication number: CN114620729A
Application number: CN202210511873.3A
Authority: CN
Inventors: 陈新华; 张晨; 范宇; 郭振坤
Original assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Current assignee: China Porcelain Suzhou Nanometer Powder Technology Co ltd
Priority date: 2022-05-12
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2042-05-12
Also published as: CN114620729B

Abstract

本发明提供一种钛碳化铝MAXene纳米粉体及纳米流体及其制备方法。该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法包括：混合分散剂、第一基液和钛碳化铝MAXene钛碳化铝MAXene原料粉，使分散剂、钛碳化铝MAXene钛碳化铝MAXene原料粉溶于第一基液，以得到混合液，分散剂为聚丙烯酸纳，钛碳化铝MAXene钛碳化铝MAXene原料粉为微米级钛碳化铝MAXene钛碳化铝MAXene粉体；将混合液加入砂磨容器中，以利用研磨装置进行研磨处理，总研磨时间为5‑20小时；筛分研磨后的混合液，基于离心法分离得到钛碳化铝MAXene纳米颗粒，并基于烘干法得到干燥的钛碳化铝MAXene纳米粉体，钛碳化铝MAXene纳米粉体的平均粒径为71nm；基于超声震荡法，将钛碳化铝MAXene纳米粉体分散到第二基液中，以得到钛碳化铝MAXene钛碳化铝MAXene纳米流体。

Description

钛碳化铝MAXene纳米粉体、纳米流体及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种钛碳化铝MAXene纳米粉体、纳米流体及其制备方法。

背景技术

近年来，随着现代科学技术的不断发展，电子器件的需求日益增长。电子器件通常由大量的电子元器件组成，如变压器、集成电路、大功率晶体管、发光器件、扼流圈、大功率电阻等，并且电子器件中一般需要在单个芯片上放置更多数量的晶体管。而微加工和MEMS技术的发展使得制造在硅片面积小于10亿个晶体管的单芯片成为可能。如今，电子设备高性能要求使得芯片的集成度越来越高，封装尺寸也越来越小，功耗密度越来越大；另一方面，功耗的增加和体积的减小导致电子设备的组装密度越来越高。在这种情况下，电子器件产生的热流密度迅速升高，导致芯片温度增加，从而造成芯片故障。随着能耗的持续增加，节能散热的重要性越来越凸显，因此要求轨道交通、电动车、坦克热交换设备以及芯片先进封装设备的传热性能不断提升。

现有技术的电子设备中应用了诸如风冷、水冷的热容冷却方式。然而，若使用纯水作为车辆用冷却剂，则电子设备或电子系统存在换热效率不高的缺陷。此外，现有技术中虽然应用了诸如纳米流体的作为冷却剂，但是电子设备或电子系统之中应用的纳米流体存在稳定性（团聚）较低、热物性较差、平均粒径较大的缺陷。

发明内容

本发明提供一种钛碳化铝MAXene纳米粉体、纳米流体及其制备方法，旨在解决现有技术的电子设备中存在换热效率较低的缺陷、以及所应用的纳米流体存在的稳定性（团聚）较低、热物性较差、平均粒径较大的缺陷。

具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供一种钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，包括：

混合分散剂、第一基液和钛碳化铝MAXene原料粉，使所述分散剂、所述钛碳化铝MAXene原料粉溶于所述第一基液，以得到混合液，所述分散剂为聚丙烯酸纳，所述钛碳化铝MAXene原料粉为微米级钛碳化铝MAXene粉体，所述分散剂的质量为所述钛碳化铝MAXene原料粉的质量的3%，所述分散剂的浓度为5%，所述混合液粘度小于200Pa•s，所述钛碳化铝MAXene原料粉的质量为所述混合液的质量的5%-50%；

将所述混合液加入砂磨容器中，以利用研磨装置进行研磨处理，总研磨时间为5-20小时；

筛分研磨后的所述混合液，基于离心法分离得到钛碳化铝MAXene纳米颗粒，并基于烘干法得到干燥的钛碳化铝MAXene纳米粉体，所述钛碳化铝MAXene纳米粉体的平均粒径为71nm，离心转速为6000-7000rpm，并且离心时间为30分钟；

基于超声震荡法，将所述钛碳化铝MAXene纳米粉体分散到第二基液中，以得到钛碳化铝MAXene纳米流体，所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%至5%，超声震荡处理的时间为10-30分钟。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

所述利用研磨装置进行研磨处理包括：

步骤一：正向研磨第一预定时段后停止研磨第二预定时段，然后反向研磨所述第一预定时段后停止研磨第二预定时段，其中所述第一预定时段为10-50分钟，所述第二预定时段为15-40分钟，

步骤二：重复执行所述步骤一，当重复执行所述步骤一的时间达到预定时间阈值时，通过激光粒度仪测试所述混合液中的钛碳化铝粒度，

步骤三，若所述钛碳化铝粒度达到粒径预定值，则停止研磨，若所述钛碳化铝粒度未达到粒径预定值，则继续研磨，

其中所述研磨装置为砂磨机或者行星球磨机，所述粒径预定值为71nm。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

所述方法还包括：调节所述第二基液的pH值，以使所述第二基液的Zeta电位绝对值不低于25mV。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的密度为0.99713g/cm3；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的密度为0.99715g/cm3；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的密度为0.99720g/cm3。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度为1.014 Pa•s；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度为1.027 Pa•s；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度为1.139 Pa•s。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容为4.10 J/(kg•K）；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容为4.10 J/(kg•K）；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容为4.23 J/(kg•K）。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的热扩散系数为0.14mm2/s；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的热扩散系数为0.14mm2/s；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的热扩散系数为0.13mm2/s。

进一步地，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的导热系数为0.57W/(m•K)；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的导热系数为0.57W/(m•K)；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的导热系数为0.55W/(m•K)。

第二方面，本发明的实施例还提供一种钛碳化铝MAXene纳米粉体，其特征在于，所述钛碳化铝MAXene纳米粉体是根据上述钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备得到的，所述钛碳化铝MAXene纳米粉体应用于进一步制备钛碳化铝MAXene纳米流体，所述钛碳化铝MAXene纳米流体应用于电子设备的机械热交换系统，以对所述电子设备进行散热冷却。

第三方面，本发明的实施例还提供一种钛碳化铝纳米流体，所述钛碳化铝MAXene纳米流体是根据上述钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备得到的，所述钛碳化铝MAXene纳米流体应用于电子设备的机械热交换系统，以对所述电子设备进行散热冷却。

由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种钛碳化铝MAXene纳米粉体、纳米流体及其制备方法，在采用综合传热性能更好的新型传热工质代替传统传热工质以增加换热效率的同时，从改善纳米钛碳化铝流体的性能出发，克服了现有技术的电子设备中存在换热效率较低的缺陷、以及所应用的纳米流体存在的稳定性（团聚）较低、热物性较差、平均粒径较大的缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的不同离心条件的各个纳米流体样品组的粒径分布图；

图3a为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸处理的纳米流体的粒径分布图；

图3b为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸处理的纳米流体的粒径分布图；

图3c为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸处理的纳米流体的粒径分布图；

图4a为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的粒径分布图；

图4b为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的粒径分布图；

图4c为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的粒径分布图；

图5a为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的电镜图；

图5b为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的电镜图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明使用的各种术语或短语具有本领域普通技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语或短语作更详尽的说明和解释。如果本文涉及的术语和短语有与公知含义不一致的，则以本发明所表述的含义为准；并且如果在本申请中没有定义，则其具有本领域普通技术人员通常理解的含义。

现有技术的电子设备中应用了诸如风冷、水冷的热容冷却方式。然而，若使用纯水作为冷却剂，则电子设备或电子系统存在换热效率不高的缺陷。此外，现有技术中虽然应用了诸如纳米流体的作为冷却剂，但是电子设备或电子系统之中应用的纳米流体存在稳定性（团聚）较低、热物性较差、平均粒径较大的缺陷。

针对于此，第一方面，本发明的一实施例提出一种钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法。需要说明的是，本发明的具体实施方式包括以下内容（1）采用两步法制备出不同种类和浓度的钛碳化铝MAXene纳米流体，利用物理与化学分散方法相结合提高纳米粒子的稳定性，分析离心时间与离心转速、分散剂添加等因素是否影响纳米流体的稳定性；（2）利用热物性分析仪对制备出的钛碳化铝MAXene纳米流体导热系数进行测试，综合考虑粒子粒径及电势、纳米流体质量分数、分散剂的浓度等因素对导热性能的影响；（3）建立纳米流体自然对流的混合模型，搭建纳米流体流动与换热实验平台，并基于对Comsol软件模拟对加热管道出入口温度变化，对比模拟仿真与实验结果深入研究与纳米流体在自然对流模型中的传热管道的热特性，为其在实际应用中提供切实的帮助。

下面结合图1描述本发明的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法。

图1为本发明一实施例提供的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法的流程图。

在本实施例中，需要说明的是，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法可以包括以下步骤：

101：混合分散剂、第一基液和钛碳化铝MAXene原料粉，使分散剂、钛碳化铝MAXene原料粉溶于第一基液，以得到混合液，分散剂为聚丙烯酸纳，钛碳化铝MAXene原料粉为微米级钛碳化铝MAXene粉体，分散剂的质量为钛碳化铝MAXene原料粉的质量的3%，分散剂的浓度为5%，混合液粘度小于200Pa·s，钛碳化铝MAXene原料粉的质量为混合液的质量的5%-50%；

102：将混合液加入砂磨容器中，以利用研磨装置进行研磨处理，总研磨时间为5-20小时；

103：筛分研磨后的混合液，基于离心法分离得到钛碳化铝MAXene纳米颗粒，并基于烘干法得到干燥的钛碳化铝MAXene纳米粉体，钛碳化铝MAXene纳米粉体的平均粒径为71nm，离心转速为6000-7000rpm，并且离心时间为30分钟；

104：基于超声震荡法，将钛碳化铝MAXene纳米粉体分散到第二基液中，以得到钛碳化铝MAXene纳米流体，钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%至5%，超声震荡处理的时间为10-30分钟。

在其它的实施例中，本发明提出的基于分步法制备工艺的一种钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还可以用以下步骤来描述：首先将钛碳化铝MAX相粉末配置成一定固含量（5%-50%）的浆料，其中浆料体系（即，基液）根据需求而定，包括去离子水、无水乙醇、机油、或者其它有机溶剂，并且其中固含量根据浆料粘度而定，浆料粘度小于200Pa·s；根据所需的研磨要求将浆料倒入砂磨机的研磨桶，开启研磨机器进行研磨；在研磨结束（研磨时间可以为例如5小时）之后，取出利用筛子将研磨好的流体过滤到烧杯中，使用离心机或烘干法分离出纳米颗粒物；根据不同的应用需要，将所分离出的纳米粉体物通过进行超声震荡等分散方法分散到基液中，即可得到纳米流体。

换句话说，在该实施例中，可以先对钛碳化铝MAX相粉末进行称重，再称取一定量的分散剂加入到离心管中，并向离心管中加入一定量的水作为基液，使得添加剂和基液充分混合均匀，然后将事先称量好的钛碳化铝MAX相粉末倒入备好的研磨球容器中，并将定量的水、分散剂混合液倒入到研磨球容器中，使基液刚好高出研磨球为止（如果高度不够，则补加适量水），随后将研磨球容器放到研磨装置上进行不同时间的研磨。

具体地，钛碳化铝MAXene可以包括但不限于Ti₃AlC₂或Ti₂AlC等。

在本实施例中，需要说明的是，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还包括：利用研磨装置进行研磨处理包括：

步骤二：重复执行步骤一，当重复执行步骤一的时间达到预定时间阈值时，通过激光粒度仪测试混合液中的钛碳化铝粒度，

步骤三，若钛碳化铝粒度达到粒径预定值，则停止研磨，若钛碳化铝粒度未达到粒径预定值，则继续研磨，

其中研磨装置为砂磨机或者行星球磨机，粒径预定值为71nm。

具体地，研磨机器可以包括卧式棒销式砂磨机或行星球磨机，研磨转子材质可以包括氧化锆，研磨腔内筒材质可以包括氧化锆或碳化硅，研磨介质可以包括氧化锆珠（规格可以包括0.3-0.4mm，0.4-0.6mm，0.6-0.8mm，0.8-1.0mm，1.0-1.2mm）。

具体地，0.3L砂磨机动力系统为自吸式，1L动力系统为隔膜泵，两者都是循环磨。

具体地，研磨过程可随时在物料桶取样检测粒度，粒度合适即可停止研磨，并且研磨过程都需要外接冷水机的冷却循环水。

具体地，1L砂磨机需要外接空压机，隔膜泵。

在本实施例中，需要说明的是，本发明采用两步法制备出不同种类和浓度的钛碳化铝MAXene纳米流体，利用物理与化学分散方法相结合提高纳米粒子的稳定性，分析离心时间与离心转速、分散剂添加等因素是否影响纳米流体的稳定性。

具体地，针对步骤101，本发明对比分析了不同分散剂种类、不同分散剂浓度对钛碳化铝MAXene纳米流体的性能的影响。更具体地，如下文所述，本发明对比分析了1%浓度的聚丙烯酸PAA、3%浓度的聚丙烯酸PAA、5%浓度的聚丙烯酸PAA、1%浓度的聚丙烯酸纳PAAS、3%浓度的聚丙烯酸纳PAAS、5%浓度的聚丙烯酸纳PAAS对钛碳化铝MAXene纳米流体的性能的影响。

下面结合图2描述本发明的不同离心条件下的纳米流体样品组的粒径分布。

图2为本发明一实施例提供的不同离心条件下的各个纳米流体样品组的粒径分布图。

由于纳米流体的固体颗粒中存在部分密度较大的颗粒，其重力导致絮凝沉降，与此同时大量粒子表面产生的吸引势能会促使颗粒产生大量聚集现象，导致纳米流体的浓度上下层分布不均，可形成明显的固液分层。尽管物理搅拌可以使基液中的固体颗粒在基液中分散均匀，减少颗粒凝聚现象，然而不能使该情况长时间维持。在这种情况下，本发明基于超声震荡法使环境局部高压高温，分子间作用力由于微射流和强激波的作用下使之破坏，使纳米粒子之间的团聚作用被打乱。超声震荡法通过破坏在微观条件下团聚的大尺寸固体颗粒，大幅升高纳米流体的稳定性。破坏微观条件下团聚成的大粒径固体颗粒，提高朗运动，使得粒子间的碰撞机会提高，表面活性的上升会使粒子纳米流体的稳定性。然而，长时间的超声振荡会引起流体温度升高，其导致剧烈的分布聚集加快，导致大量沉淀现象发生，基于此，本发明首先确定合适的离心时间与离心转速。

具体地，在本实施例中，需要说明的是，该钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法可以包括：调节所述第二基液的pH值，以使所述第二基液的Zeta电位绝对值不低于25mV。

具体地，在动态光散射DLS粒径分析中，动态光散射DLS用来测量溶液或悬浮液中的粒径分布，实验室仪器为马尔文激光粒度仪，使用软件为zetasizer电位分析仪。

具体地，针对步骤103，本发明对比分析了不同离心转速、不同离心时间的纳米流体样品的团聚程度。更具体地，本发明对比分析了两个样品组，第一样品组的离心时间为20min，离心转速分别为2000 rpm、3000 rpm、4000 rpm、5000 rpm，第一样品组的离心时间为30min，离心转速分别为2000 rpm、3000 rpm、4000 rpm、5000 rpm。

结合图2，离心转速为5000rpm且离心时间为30min的样品粒径偏于预测结果原因在于：大量沉淀团聚在试管底部，此样品为最后一次取样的样品，沉淀样品粒径明显大于上层部分，所以导致此测量结果与预测结果有偏差。与预期一样随着转速的提高粒径越来越小，说明离心效果越明显，随着时间的上升离心效果越好。

进一步结合图2，相同离心时间条件下，随着转速升高，纳米流体的粒径越小，并且相同离心时间条件下，当转速相同时，离心时间越长，所得到的纳米流体的粒径越小。换句话说，随着转速和离心时间升高，粒径越来越小，分离效果越好。

基于此，本发明的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法采用的离心法的条件包括：离心转速为6000-7000rpm，并且离心时间为30分钟。

下面结合图3a至图3c描述本发明的经不同浓度聚丙烯酸的处理纳米流体的粒径分布。

图3a至图3c为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸处理的纳米流体的粒径分布图（即，Particle Size Distribution）。

结合图3a至图3c，需要说明的是，横坐标表示粒径颗粒大小（即，Particle Size），纵坐标表示不同粒径钛碳化铝MAXene纳米颗粒占总颗粒的体积分数。

结合图3a，当加入聚丙烯酸PAA浓度为1%时，所得样品的平均粒径为180nm；结合图3b，当加入聚丙烯酸PAA浓度为3%时，所得样品的平均粒径为184nm；结合图3c，当加入聚丙烯酸PAA浓度为5%时，所得样品的平均粒径为194nm。

基于此，可以看出的是，加入聚丙烯酸PAA后所得到的纳米流体粒径并没有明显变化，而且当聚丙烯酸PAA浓度上升后所得的样品的粒径反而上升，所以由此得知聚丙烯酸PAA对于钛碳化铝MAX相粉末（Ti₃AlC₂）并不是一种良好的分散剂。

下面结合图4a至图4c描述本发明的经不同浓度聚丙烯酸钠的处理纳米流体的粒径分布。

图4a至图4c为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的粒径分布图（即，Particle Size Distribution）。

结合图4a至图4c，需要说明的是，横坐标表示粒径颗粒大小（即，Particle Size），纵坐标表示不同粒径钛碳化铝MAXene纳米颗粒占总颗粒的体积分数。

结合图4a，当加入聚丙烯酸钠PAAS浓度为1%时，所得样品的平均粒径为128nm；结合图4b，当加入聚丙烯酸钠PAAS浓度为3%时，所得样品的平均粒径为94nm；结合图4c，当加入聚丙烯酸钠PAAS浓度为5%时，所得样品的平均粒径为71nm。

对于浓度相同且粒子相同的纳米流体来说，表面活性剂（分散剂）的添加量过低，使颗粒表面不能被分散剂有效覆盖，颗粒表面能的值依然非常高，表面活性剂对纳米流体的稳定性难以改善。当表面活性剂含量较高时，纳米颗粒周围的表面活性剂分子过于集中且富集较多，使其多余且无效纳米流体的热导率受溶液中分子链相互作用的影响。所以，当钛碳化铝MAX相粉末（Ti₃AlC₂）纳米流体内粒子浓度值达到一定时，存在表面分散剂和纳米粒子的最佳质量浓度比使纳米流体的热物性能得到最大的优化，导热系数都会受到表面活性剂添加量过高或过低的影响，从而影响纳米流体的导热系数。由所得加入不同浓度聚丙烯酸钠PAAS的样品可以看出，加入聚丙烯酸钠PAAS后所得到的纳米流体平均粒径变化十分明显，且当聚丙烯酸钠PAAS浓度上升到3%之后所得的样品的粒径下降到100nm以下，分散剂的添加使分散效果显著，纳米流体粒子的表面被分散剂的吸引力吸附，将其与正电粒子结合，剩余负电的粒子，所以电势显现为负电。分散剂吸附作用大大使粒子间隙增大，使范德华力减小的效果明显。降低了分子的引力势能。显著的增强了分散剂的效果。所以由此得知聚丙烯酸钠PAAS对于钛碳化铝MAX相粉末（Ti₃AlC₂）是一种十分良好的活性剂。

在进一步的实施例中，本发明分别取15毫升3%浓度聚丙烯酸钠PAAS和5%浓度聚丙烯酸钠PAAS的钛碳化铝MAX相粉末样品，分别加入玻璃瓶加水分散至300ml，超声波震荡二十分钟，无明显团聚。此外，本发明取超声后样品，制成钛碳化铝MAX相粉末的纳米流体，其质量分数分别为1%、3%和5%。由3%浓度聚丙烯酸钠PAAS制得的钛碳化铝质量分数为1%、3%、5%的样品编号分别为1号、2号、3号，同理由5%paas浓度聚丙烯酸钠PAAS制得的钛碳化铝质量分数为1%、3%、5%的样品编号分别为编号为4号、5号、6号，其中离心时间为30分钟，离心转速可以为6000rpm至7000rpm，例如6500rpm。

具体地，通过电动电势Zeta Potential来测得六个样品的电势如表1所示。

表1

参照表1，在测得电势为40mv以上则纳米流体表现为稳定的情况下，当样品分散剂浓度为3%时，随着钛碳化铝（Ti3AlC2）质量分数的提高，纳米流体的稳定性升高。换句话说，在样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为3%的三份样品中，钛碳化铝MAX相粉末质量分数为1%和3%的样品表现为不稳定，当样品钛碳化铝（Ti3AlC2）质量分数的一定上升后钛碳化铝MAXene纳米流体才表现为稳定，所以对于分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为3%的样品来说，钛碳化铝（Ti3AlC2）的质量分数对其稳定性影响巨大，而对于样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为5%的样品来说，钛碳化铝MAXene纳米流体整体表现为稳定，说明对于样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为5%的样品来说钛碳化铝（Ti3AlC2）的质量分数不影响其稳定性。

下面结合图5a和图5b描述本发明的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体。

图5a和图5b为本发明一实施例提供的经不同浓度聚丙烯酸钠处理的纳米流体的电镜图。

参照图5a和图5b，图5a为样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为3%的钛碳化铝MAXene纳米流体的样品的电镜图，结合图5a可知样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为3%的钛碳化铝MAXene纳米流体的粒子团聚现象明显；图5b为样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为5%的钛碳化铝MAXene纳米流体的样品的电镜图，结合图5b可知样品分散剂聚丙烯酸钠PAAS浓度为5%的钛碳化铝MAXene纳米流体无明显团聚现象，换句话说可知浓度为5%的聚丙烯酸钠PAAS对钛碳化铝MAXene纳米流体的粒子团聚有抑制作用。

在进一步的实施例中，本发明对经聚丙烯酸钠制得的钛碳化铝MAXene纳米流体进行热物性分析，包括密度测量、粘度测量、比热容、热扩散系数、导热率等。

具体地，纳米流体的密度测量采用ANTON PAAR密度仪DMA500，其测量范围为0 g/cm³至3 g/cm³，测量温度为15°C至40°C，测量压力为0 bar至3 bar，密度测量准确度为0.001g/cm³，温度测量准确度为0.3°C，密度测量重复性标准差为0.0002g/cm³，温度测量重复性标准差为0.1°C，得到六份样品的数据如表2所示。

表2

参照表2，样品存在大量纳米粒子，纳米粒子之间存在分子斥力作用。当纳米粒子数量较少时，纳米粒子分子斥力大于分子质量的作用；当纳米粒子数量多时，分子质量的作用大于分子斥力的作用。因此，使得纳米粒子在水中密度更小，且当分散剂浓度升高时，分散剂密度比水大，分散剂浓度升高，使得纳米流体密度大于水密度（0.97g/cm³）。

具体地，钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度测量采用全自动微量落球粘度计，测量原理为：测量落球在重力作用下，经倾斜成一个工作角度的样品填充管降落所需要的时间，该样品填充管装配在一个允许样品管自身可做180度快速大翻转的中心轴承上，因而可以立即进行重复测量。测量结果采用3次测量中落球降落所花的平均时间。再通过转换公式将时间读数换算成最终的粘度值。

表3

参照表3，随着纳米粒子的添加，样品的粘度大幅增加，且随着纳米颗粒的浓度加大，纳米流体的粘度也随之加大。纳米粒子之间存在引力且粒子相互之间存在吸附作用，将粒子表面形成一种膜—液滑膜。这就是为什么纳米粒子的真实体积小于纳米流体的粒子中实际体积。纳米流体内的移动阻力增大是由于有效体积的变大引起的，这也导致粘度随着体积的增大而增大。且随着分散剂浓度的上升粒子的粘性随之下降。原因是由于分散剂的增加会将粒子被包裹，从而减少纳米流体的粘性，而且由于分散剂的存在使纳米悬液产生絮凝作用从而降低纳米流体的粘度。

具体地，钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容、热扩散系数及导热系数采用蓝宝石比热法测量。测量项目包括蓝宝石法比热容、玻璃化转变、熔融、结晶、相变、反应温度与反应热、燃烧热等。测试温度可以为-170℃至600℃，并且升温速率可以为1-50℃/min。得到六份样品的数据如表4所示。

表4

参照表4，比热容是一种形容物体吸收或散热能力的物理量，比热容大，表示该物体的吸热或散热能力越强。纳米粒子的添加使工质的吸热性和散热性大幅度的提高，比热容随着粒子浓度和质量分数的下降而降低，且随着分散剂浓度的上升比热容的值下降。由于分散剂—聚丙烯酸纳具有比较好的耐热性，而分散剂吸附在粒子表面将粒子包裹起来使全部的热量无法传递给粒子导致吸热性能下降。对于导热性来说，导热性能随着纳米粒子的添加工质的导热性提高。热扩散系数随着纳米粒子的浓度及质量分数的上升而降低。纳米流体的热扩散系数大幅增加的原因是由于纳米粒子存在无规则布朗运动。而且由于纳米粒子间的小尺寸效应即当分子数减小到一定条件下热学性质发生改变。由于用5%分散剂的样品分散效果（粒径更小）使纳米流体间的粒子之间及粒子与基液之间的相互碰撞次数大大增加，使热量交换的机会次数增加。使换热工质热对流现象更加明显。这使得纳米流体的热扩散系数有了大幅的提升。由于粘度的增加导致粒子的移动阻力增加，这导致粒子的热运动现象降低，这就是粒子浓度低的纳米流体样品的热扩散系数低于粒子浓度高品热扩散系数的原因。

基于分步法制备工艺的上述钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备的钛碳化铝的平均粒径如下文所述为71nm，相对传统的水冷或风冷，本发明所制备钛碳化铝MAXene纳米流体的热物性有较大改进。

综上所述，本发明提出的一种钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法采用分步法制备出不同种类和浓度的钛碳化铝MAXene纳米流体，利用物理与化学分散方法相结合提高纳米粒子的稳定性，分析离心时间与离心转速、分散剂添加等因素是否影响纳米流体的稳定。此外，利用热物性分析仪对制备出的钛碳化铝MAXene纳米流体导热系数进行测试，综合考虑粒子粒径及电势、纳米流体质量分数分散剂的浓度等因素对导热性能的影响。本发明在采用综合传热性能更好的新型传热工质代替传统传热工质以增加换热效率的同时，从改善纳米钛碳化铝流体的性能出发，克服了现有技术的电子设备中存在换热效率较低的缺陷、以及所应用的纳米流体存在的稳定性（团聚）较低、热物性较差、平均粒径较大的缺陷。

基于同样的发明构思，另一方面，本发明的一实施例提出一种钛碳化铝MAXene纳米粉体，其特征在于，钛碳化铝MAXene纳米粉体是根据上述钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备得到的，钛碳化铝MAXene纳米粉体应用于进一步制备钛碳化铝MAXene纳米流体，钛碳化铝MAXene纳米流体应用于电子设备的机械热交换系统，以对电子设备进行散热冷却。

在其它实施例中，本发明提出的一种钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法还可以通过球磨法来实施。

基于同样的发明构思，另一方面，本发明的一实施例提出一种钛碳化铝MAXene纳米流体，该钛碳化铝MAXene纳米流体是根据上述钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备得到的，并且应用于电子设备的机械热交换系统，以对所述电子设备进行散热冷却。例如，该钛碳化铝MAXene纳米流体应用于车辆的机械热交换系统，以对车辆的部件进行散热冷却。再例如，该钛碳化铝MAXene纳米流体应用于电子集成芯片的热交换部件，以对芯片进行散热冷却。

基于同样的发明构思，又一方面，本发明的一实施例提出一种封装钛碳化铝MAXENE纳米流体强化散热系统，包括耦合器件、循环泵，储液器，冷凝器、管路以及管路连接器件。主要原理是纳米流体冷却剂从储液器流向循环泵，设计时使储液器液位位于泵入口上方40厘米处，以改善泵入口处的气蚀阻力；然后流向质量流量计，经过由电子元件耦合器件换热器时，纳米流体冷却剂吸收测试样品大量热量。接着，纳米流体进入储液器入口上方的冷凝器的顶部，降温后随下坡流入储液器。冷凝器利用冷水机组冷却。最后，测量并记录热测试样品入口处的绝对压力和压差以及入口和出口温度，电阻温度检测器的RTD数据和纳米流体冷却剂质量流量。通过该封装钛碳化铝MAXene纳米流体强化散热系统，能够对不同纳米流体的强化散热效果进行温度采集和定量分析。

列车在长时间高速工作状态下，会使其机械核心部件工作环境温度升高，当温度升高到一定程度，会对核心部件产生不可挽回的损害。而本发明提供的车辆的机械热交换系统在于使机械核心部件稳定工作于安全温度，储液器中充满采用冷却剂（改性后的纳米流体）。整个系统由管道进行连接，由于改性后的纳米流体为非牛顿流体，在高速时，粘度不大，对管道损伤较小，所以采用循环泵使纳米流体在管道中产生流动，通过冷凝器使工质散热对其进行降温处理，流过机械核心部件，对其降温，由于纳米流体基液为水，核心部件高温使其气化，有循环泵运输流入储液器，储液器会对混合工质起到减速的一个作用以保护冷凝器。

传统冷却平台一般采用水作为冷却液，而本发明采用纳米流体作为冷却液，由于其特性，在对流状态下，会增强其传热效果。此外本发明强化对流泵，增强纳米流体在体系中对流效果，以强化传热；还增加超声波模块，进行超声波搅拌纳米流体，可以强化其传热效果；还采用波纹管，使纳米流体流动状态发生变化，增加传热效率。

由于本发明实施例提供的系统可以用于执行上述实施例所述的方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述实施例的介绍。

在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例的系统中的各个单元可以集成于一体，也可以分离部署。上述单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

又一方面，基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种车辆。

在本实施例中，需要说明的是，车辆包括上述机械热交换系统，机械热交换系统利用上述钛碳化铝MAXene纳米流体来配置，钛碳化铝MAXene纳米流体利用上述钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法来制备，机械热交换系统包括循环泵、储液器或冷凝器，其中机械热交换系统采用循环泵使钛碳化铝MAXene纳米流体通过冷凝器对车辆的部件进行散热冷却。

需要强调的是，通过本发明的实施例提出的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备而成的纳米流体除了可以用于强化传热、散热冷却之外，还可以用作绿色切屑液、绿色支架液；更进一步地，还可以作为靶向药物和药物传递载体应用于生物医药等领域。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本发明中，参考术语“实施例”、“本实施例”、“又一实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，包括：

混合分散剂、第一基液和钛碳化铝MAXene原料粉离心管，使所述分散剂、所述钛碳化铝MAXene原料粉溶于所述第一基液，以得到混合液，所述分散剂为聚丙烯酸纳，所述钛碳化铝MAXene原料粉为微米级钛碳化铝MAXene粉体，所述分散剂的质量为所述钛碳化铝MAXene原料粉的质量的3%，所述分散剂的浓度为5%，所述混合液粘度小于200Pa•s，所述钛碳化铝MAXene原料粉的质量为所述混合液的质量的5%-50%；

2.根据权利要求1所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，所述利用研磨装置进行研磨处理包括：

3.根据权利要求1所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，所述方法还包括：调节所述第二基液的pH值，以使所述第二基液的Zeta电位绝对值不低于25mV。

4.根据权利要求1至3任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的密度为0.99713g/cm³；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的密度为0.99715g/cm³；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的密度为0.99720g/cm³。

5.根据权利要求1至3任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度为1.014 Pa·s；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度为1.027 Pa·s；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的粘度为1.139 Pa·s。

6.根据权利要求1至3任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容为4.10 J/(kg·K）；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容为4.10 J/(kg·K）；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的比热容为4.23 J/(kg·K）。

7.根据权利要求1至3任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的热扩散系数为0.14mm²/s；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的热扩散系数为0.14mm²/s；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的热扩散系数为0.13mm²/s。

8.根据权利要求1至3任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法，其特征在于，在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为1%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的导热系数为0.57W/(m·K)；

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为3%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的导热系数为0.57W/(m·K)；或者

在所述钛碳化铝MAXene纳米流体中的钛碳化铝质量分数为5%的情况下，所述钛碳化铝MAXene纳米流体的导热系数为0.55W/(m·K)。

9.一种钛碳化铝MAXene纳米粉体，其特征在于，所述钛碳化铝MAXene纳米粉体是根据权利要求1-2任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备得到的，所述钛碳化铝MAXene纳米粉体可应用于进一步制备钛碳化铝MAXene纳米流体，所述钛碳化铝MAXene纳米流体应用于电子设备的机械热交换系统，以对所述电子设备进行散热冷却。

10.一种钛碳化铝MAXene纳米流体，其特征在于，所述钛碳化铝MAXene纳米流体是根据权利要求1-8任一项所述的钛碳化铝MAXene纳米流体制备方法制备得到的，所述钛碳化铝MAXene纳米流体应用于电子设备的机械热交换系统，以对所述电子设备进行散热冷却。