水基纳米流体液固相变特性的实验研究

摘要

水基纳米流体作为一种新型相变蓄冷材料，具有过冷度低、凝固时间短的优点，可以提高制冷机组的能效，增加蓄冷量。表面活性剂作为制备水基纳米流体最常用的添加剂，其对纳米材料表面的修饰作用将对水基纳米流体的稳定性、导热性和液固相变特性产生影响。本文通过实验分别研究了球状二氧化钛和片状石墨烯水基纳米流体在不同表面改性作用下的稳定性、导热性和液固相变特性，在此基础上就水基纳米流体液固相变成核的控制机理进行了探讨。具体工作如下:
　　1.采用“两步法”，通过添加不同的表面活性剂(阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，非离子表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)）制备TiO2-H2O纳米流体，研究了表面活性剂对TiO2-H2O纳米流体稳定性、导热性和液固相变特性的影响及其机理。结果表明:阴离子型SDBS和非离子型PVP可以提高TiO2-H2O纳米流体的稳定性，减小其发生液固相变时的过冷度，其中以阴离子型SDBS的作用效果最好;阳离子型CTAB对TiO2-H2O纳米流体的分散稳定性无改善作用，反而使其过冷度升高;阴离子型SDBS、非离子型PVP和阳离子型CTAB作用下TiO2-H2O纳米流体的导热系数均出现一定程度的降低，导致其液固相变时间延长。分析认为，阴离子型SDBS和非离子型PVP在TiO2纳米颗粒表面的亲水吸附结构与阳离子型CTAB的胶束结构是造成以上现象的主要原因。
　　2.选用具有超高导热系数和比表面积的片状石墨烯纳米材料来制备水基纳米流体，通过添加阴离子型表面活性剂SDBS来提高其分散稳定性，采用“步冷曲线法”对graphene-H2O纳米流体的液固相变特性进行研究，将其与球状二氧化硅和二氧化钛水基纳米流体的液固相变特性进行对比，研究了水基纳米流体液固相变成核的主控机制。结果表明:片状石墨烯纳米材料能有效改善水基液的液固相变特性，0.020±0.001 wt％质量浓度的石墨烯就可完全消除纯水的过冷现象，此时单位体积纳米流体的成核面积约为0.070±0.003 m2/ml;与相同质量浓度的亲水、球状二氧化硅和二氧化钛水基纳米流体相比，graphene-H2O纳米流体的过冷度更小，相变时间更短。分析认为，与纳米材料表面的亲水性相比，纳米材料的比表面积对纳米流体过冷度的影响更大，单位体积纳米流体的成核面积是控制纳米流体液固相变成核的重要因素。
　　3.以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源，采用化学液相沉积法制备了二氧化硅包裹石墨烯（graphene/SiO2）功能化纳米材料，用以制备分散稳定的水基石墨烯纳米流体，研究了二氧化硅包裹改性对graphene-H2O纳米流体稳定性、导热性和液固相变特性的影响，并与表面活性剂SDBS作用下的graphene-H2O纳米流体的稳定性、导热性和液固相变特性作了对比。结果表明:二氧化硅包裹改性可以明显改善石墨烯纳米片的亲水性，从而降低graphene-H2O纳米流体发生液固相变时的过冷度，0.021 wt％质量浓度的二氧化硅包裹石墨烯纳米片即可消除水液固相变时的过冷度;由于二氧化硅包裹层的导热系数明显高于表明活性剂SDBS吸附层的，所以二氧化硅包裹改性作用下的graphene-H2O纳米流体比其在表面活性剂SDBS作用下的导热系数要高，完成液固相变所需的时间更短。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究意义以及背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水基纳米流稳定性的研究

1．2．2 水基纳米流体导热系数的研究

1．2．3 纳米流体液固相变特性的研究

1．2．4 二氧化硅包裹改性的研究

1．3 课题来源及本论文的研究内容

第二章 水基二氧化钛纳米流体液固相变特性的研究

2．1 水基纳米流体的制备

2．2 表面活性剂对TiO2-H2O纳米流体稳定性和导热性的影响

2．2．1 实验方法

2．2．2 实验结果讨论

2．3 表面活性剂对TiO2-H2O纳米流体液固相变特性的影响

2．3．1 实验方法

2．3．2 实验结果与讨论

2．4 本章小结

第三章 水基石墨烯纳米流体液固相变特性的研究

3．1 实验方法

3．2 实验结果和讨论

3．2．1 graphene-H2O纳米流体稳定性的研究

3．2．2 graphene-H2O纳米流体液固相变特性的研究

3．3 本章小结

第四章 二氧化硅包裹改性对水基纳米流体液固相变特性的影响

4．1 二氧化硅包裹改性对graphene-H2O纳米流体稳定性和导热性影响

4．1．1 实验方法

4．1．2 结果讨论

4．2 二氧化硅包裹改性对graphene-H2O纳米流体液固相变特性的影响

4．2．1 实验方法

4．2．2 实验结果和讨论

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢