摘 要

论文主要运用3ω法测试了石墨烯纳米流体的导热系数。基于超声波震荡的两步法制备了石墨烯/猪油、石墨烯/润滑油纳米流体，由于基液的高粘度，石墨烯纳米流体且有良好的稳定性。研究结果表明，10°C至30°C固态下的石墨烯纳米流体不存在布朗运动，但导热系数仍随温度提升发生变化，验证了布朗运动不是导热率提高的主要原因；基于吸附层理论，通过改进MAXWEL模型提出新的模型，模型对实验数据的拟合较好。

关键词：导热系数；3ω法；纳米流体；布朗运动；吸附层；

Abstract

The thermal conductivity of graphene nanofluids was measured by 3_method. Graphene/lard and graphene/lubricating oil nanofluids were prepared by two-step method based on ultrasonic oscillation. Graphene nanofluids have good stability due to the high viscosity of the base fluid. The results show that there is no Brownian motion for graphene nanofluids in solid state of 10 C to 30 C, but the thermal conductivity varies with temperature, which verifies that Brownian motion is not the main reason for the increase of thermal conductivity. Based on the theory of adsorption layer, a new model is proposed by improving MAXWEL model, and the model fits the experimental data well.

Key words: Thermal conductivity; 3 ω method; nanofluids; Brownian motion;nanolayers;

目 录

第一章 绪论 5

1.1研究背景 5

1.2研究进展 6

1.3、本文主要工作 9

1.4、本论文结构安排 9

第二章 3ω测量原理及实验台 10

2.1、3ω测量方法 10

2.2、系统整体框架 11

2.3、硬件设计及选择 12

2.4、控制程序设计 13

2.5、系统可靠性验证 16

第三章 纳米流体的制备 18

3.1、纳米流体的制备方法 18

3.2、纳米流体的稳定性 19

3.3、本实验所需流体的制备 20

第四章 石墨烯纳米流体的导热系数测量 22

4.1、布朗运动 22

4.2、实验验证 23

4.3、实验分析 24

第五章 导热系数增加机理探究 24

5.1、吸附层 24

5.2、实验验证 24

5.3、模型拟合 25

5.4、实验分析 28

第六章 总结与展望 29

6.1总结 29

6.2展望 29

致谢 30

参考文献 31

第一章 绪论

1.1研究背景

如今社会发展速度如梭，生产力大幅提升，能源利用范围也愈发广泛，却也带来诸多问题，如化学燃料日趋枯竭，温室效应日趋严峻等。能源危机己经成为全球关注的热点问题，严重制约着人类社会物质文明和精神文明的可持续发展。据改革开放已然四十年周年，经济得到飞速发展，能源工业也是在迅速的发展和提高，作为第一大能源生产国和第二大能源消费国这一誉称的中国，其面临的能源挑战甚是严峻，能源供需紧张和环境污染严重早已成为制约我国经济进一步发展的瓶颈。在工业的各个领域均离不开热量的传输，无论从冶金，动力，航天，还是电子，都与热量直接相关。

热交换系统的负荷和强度也随科学的不断进步不断增大，传统的换热方式如增大换热器面积等已经无法满足当前的需求，热管理也成为了各个领域的首要研究内容之一。为此，体积小，传热性能高，重量较轻的换热器成为发展的迫切需要。从换热工质的角度来看，换热工质本身的热物性也是影响换热器的设计布局和换热效率的因素。由于换热器的结构限制和高负载的要求，传统的换热工质，如水，乙二醇，油等已经无法满足一些重要场合下的传热要求。为此，换热工质的导热系数较低往往严重阻碍了高效传热的发展。为了进一步实现体积小，传热性能高，重量轻的换热器的目标，必须从工质本身出发，研制出具有高导热系数，低粘度系数的新型换热工质。

在热门领域中如冶金、能源、运输、微电子、化学工程、航天器热控制、制造业，其中换热系统的效率是尤为重要的。提高液体换热效率的一种有效方法则是在基液如乙醇、水中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。这些固体粒子的导热系数要比液体大几个数量级，因此，悬浮有固体粒子的液体导热系数要比纯液体大许多。自从领域先驱Maxwell理论发表以来，大量学者进行了很多关于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些成果。可这些研究都仅局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，且这些毫米或微米级粒子的粒径过大，在基液中添加的粒子易沉降聚集，易导致热交换设备磨损及堵塞等不良结果，很大程度限制了其在工业实际应用。1995年美国学者Choi将纳米级金属或非金属粒子添加进换热介质中，使得该介质的传热能力有了大幅度提升，提出“纳米流体”的概念，纳米流体导热系数的相关探究成为了传热领域的研究重点^[1-2]。纳米尺度粒子可以均匀稳定地分散在流体中，从而解决微米粒子在介质中因沉降聚集而阻塞冷却管道问题^[3]。另外，研究人员发现，选用体态导热系数越高的纳米粒子对悬浮液的传热能力提升越明显^[4]。但是金属在冷却介质中不够稳定，因此金属氧化物成为纳米流体的主要介质，但随着材料科学的发展，碳基纳米颗粒显示出超高的导热系数，因此成为纳米流体的主要合成介质^[5]。尤其是随着2004年石墨烯的发现，室温下其热导率竟高达5300 W/(m•K)，是普通金属的10倍以上^[6]。作为新兴高热导材料之一的石墨烯，是目前研究提高纳米流体传热能力的热点。

1.2研究进展

1.2.1、基础物理性质出发

纳米流体是由1995年Choi等^[1]率先提出了纳米流体的概念，在传热技术这一领域的研究带去了新的希望之火。纳米流体的概念是指以一定的方式在液体介质中添加纳米粒子而形成的悬浮液。纳米流体在提高流体换热能力的同时,由于小尺寸效应和布朗运动,与传统添加微米或毫米固体粒子的流体相比,悬浮稳定性更好。纳米颗粒对流体热导率的提升，国内外已有众多研究人员做了相关实验研究，并得到了大量实验数据。

2006年，Liu^[7]等人发现热导系数与流体静置的时长、颗粒体积分数有关：热导率在测量的起始点是最大的，但随着时间的推移显著减少。当体积分数为0.001时，Cu/水悬浮液的热导率可提高23.8%。Cu固体材料的热导率越高，Cu纳米粒子的比表面积越大，是提高材料热导率的关键。