西安交通大学郝南京教授团队：微流控一步法大规模生产SiO2和TiO2纳米流体，以实现电力电子设备的相变传热强化

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纳米颗粒分散于液体中形成的纳米流体因其优异的热传导性能，有望解决高功率电子设备的散热问题。然而，实现高质量纳米流体的大规模、简单生产仍然是一个挑战。



近期，西安交通大学郝南京教授团队提出了一种高通量微流控装置，用于一步法大规模生产具有均匀粒径和优异稳定性的SiO2和TiO2纳米流体，以增强高功率电子设备的相变热传递。相关研究以“Microfluidic one-step and large-scale production of silica and titania nanofluids toward phase-change heat transfer intensification of power electronic devices”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal》上。
本文要点：
1、本研究设计了一种高通量微流控装置，用于合成二氧化硅（SiO2）和二氧化钛（TiO2）纳米流体，以增强流动沸腾传热。
2、该装置由三个微反应器阵列组成，螺旋微通道通过二次涡流高效混合试剂，可在20分钟内生产1升纳米流体，且粒径分布小于100nm，在室温（25°C）和高温（75°C）下均表现出优异的长期稳定性。
3、利用传热平台测试了SiO2/TiO2纳米流体的传热性能，其增强效果随着流速的增加而增加，随着纳米流体浓度的增加而降低。
4、将合成的纳米流体应用于微通道内的沸腾换热过程中，发现SiO2纳米流体的临界热通量（CHF）和传热系数（HTC）分别提高77%和96%，优于TiO2纳米流体。
5、这种差异主要源于二氧化钛纳米颗粒在表面形成较厚的沉积层，增加了热阻，两种纳米流体在抑制气泡合并、促进气泡脱离方面的作用机制相似。
6、总体而言，该研究不仅为工业规模生产高性能纳米流体开发了新方法，也为电子设备的热管理提供了有效解决方案。
SiO2和TiO2纳米流体的传热增强机理可以概括为以下几个方面：
1、增加气泡成核点：
纳米颗粒的引入显著增加了液体中的气泡成核点密度。这是因为纳米颗粒能够在加热表面形成微小的粗糙结构，提供更多的气泡成核位点，从而提高传热效率。
2、抑制气泡合并：
SiO2和TiO2纳米颗粒能够在气泡表面形成物理屏障，阻止气泡之间的合并，保持气泡较小的尺寸。较小的气泡尺寸有助于增大换热表面积，减少气泡聚并导致的局部热阻，从而提高传热性能。
3、促进气泡脱离：
纳米颗粒可以填充气泡脱离后留下的空隙，减少气泡滞留在加热表面的时间，促进气泡快速脱离。这种机制减少了局部过热现象，提高了临界热通量（CHF）和传热系数（HTC）。
4、沉积层的影响：
SiO2和TiO2纳米颗粒在加热表面形成沉积层，但SiO2纳米流体形成的沉积层较薄（4.61 μm），而TiO2纳米流体形成的沉积层较厚（7.15 μm）。较厚的沉积层会增加热阻，降低传热效率，因此SiO2纳米流体的传热性能优于TiO2纳米流体。
5、流体稳定性与颗粒分布：
SiO2和TiO2纳米流体均具有良好的颗粒分布和长期稳定性（在25°C和75°C下表现优异），这确保了传热性能的持续增强。但SiO2颗粒的密度较低，分散性更好，进一步提升了其传热效果。
综上，SiO2和TiO2纳米流体通过增加气泡成核点、抑制气泡合并、促进气泡脱离来增强传热性能，但SiO2纳米流体因其较薄的沉积层和更优的分散性表现出更好的传热性能。
使用微流控技术进行纳米流体生产的优势包括：
1、高通量生产：微流控装置能够在短时间内（如20分钟内生成1升纳米流体）实现大规模的纳米流体合成，显著提高生产效率。
2、均匀混合：微流控系统通过设计精巧的微反应器和螺旋微通道，能够有效地混合反应物，确保纳米颗粒的均匀性和一致性。
3、优良的稳定性：合成的纳米流体具有较小的粒径（通常小于100nm）和良好的长期稳定性，能够在不同温度下保持稳定性能。
4、减少人工干预：微流控技术的自动化操作减少了人工干预，降低了操作复杂性和人为误差，提高了重复性和可靠性。
5、优化材料特性：微流控的快速反应动力学使得材料特性优化变得更加容易，能够实现更高质量的纳米流体生产。
6、适应性强：微流控技术可以灵活调整反应条件，适应不同类型的纳米流体合成需求，满足多样化的应用场景。
7、节约资源：由于反应过程的高效性，微流控技术能够减少原材料的浪费，降低生产成本。
这些优势使得微流控技术成为纳米流体生产的一种理想选择，尤其是在需要高性能和高效率的热管理应用中。


图1.大规模微流控生产SiO2/TiO2纳米流体用于微通道传热的示意图。


图2.使用微反应器大规模合成SiO2/TiO2纳米流体。


图3.传热平台。


图4.基础流体（乙醇）和SiO2/TiO2纳米流体的传热性能。


图5.SiO2/TiO2纳米流体的增强机制。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.158227
本文转自：北京永康乐业 https://www.biofabrication.cn

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/11807142287