TiO2納米顆粒形貌對熱管工作性能的影響

牛艷芳 蔣麗麗 王冬至 杜潤生 趙蔚琳

文章編號：1671-3559（2024）01-0094-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231108.003

摘要：為了研究介質形貌對熱管工作過程的影響，利用水熱法制備棒狀、片狀、菱狀3種形貌的TiO2納米顆粒， 采用兩步法制備3種形貌TiO2-水納米流體， 對熱管內不同形貌工作介質的導熱性能、熱管工作過程的啟動性能、等溫性能和熱阻進行試驗研究， 分析TiO2納米顆粒形貌對熱管工作性能的影響。 結果表明：熱管內片狀TiO2-水納米流體的導熱系數大于菱狀、棒狀TiO2-水納米流體和基液水的；當加熱功率相同時， 片狀TiO2-水納米流體熱管啟動溫度最低，為（38.2±0.5）℃， 并且相對于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管，

片狀TiO2-水納米流體熱管穩定工作時蒸發段與冷凝段的平均溫度差減小2～3 ℃， 總熱阻減小4.4%～28.3%。

關鍵詞：TiO2納米顆粒；熱管；工作介質

中圖分類號：TQ051.5

文獻標志碼：A

開放科學識別碼（OSID碼）：

Effects of TiO2 Nanoparticle Morphology on

Working Performances of Heat Pipes

NIU Yanfang1， JIANG Lili1， WANG Dongzhi2， DU Runsheng3， ZHAO Weilin2

（1. School of Engineering， Shandong Yingcai University， Jinan 250104， Shandong， China;

2. School of Materials Science and Engineering， University of Jinan， Jinan 250022， Shandong， China;

3. Lanling County Yixin Mining Technology Co.， Ltd.， Linyi 277700， Shandong， China）

Abstract： To study the effects of medium morphology on working process of heat pipes， TiO2 nanoparticles with rod， flaky， and rhombus shape were prepared by using hydrothermal method， and TiO2-water nanofluids with three morphologies were prepared by using two-step method. The thermal conductivity of working medium with different morphologies in heat pipes， start-up performance， isothermal performance， and thermal resistance of heat pipes working process were experimentally studied， and effects of TiO2 nanoparticle morphology on working performances of heat pipes were analyzed. The results show that the thermal conductivity of flaky TiO2-water nanofluids in heat pipes is greater than those of rhombus and rod-shaped TiO2-water nanofluids and base liquid water. When the heating power is same， the start-up temperature of flaky TiO2-water nanofluid heat pipes is the lowest， which is （38.2±0.5） ℃， and the average temperature difference between evaporation section and condensation section of the flaky TiO2-water nanofluid heat pipes is 2-3 ℃ smaller than the corresponding average temperature difference of the rod and rhombus-shaped TiO2-water nanofluid heat pipes， and the total thermal resistance is reduced by 4.4%-28.3%.

Keywords： TiO2 nanoparticle; heat pipe; working medium

收稿日期：2022-09-01????????? 網絡首發時間：2023-11-10T07：59：00

基金項目：山東省自然科學基金項目（ZR2021ME193）；2021年山東省科技型中小企業創新能力提升工程項目（2022TSGC1332）

第一作者簡介：牛艷芳（1988—），女，山東泰安人。講師，碩士，研究方向為微納粉體的制備及其在熱工中的應用。E-mail： niuyanfang@

ycxy.com。

網絡首發地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1715.006

納米流體是指將一定比例的金屬或非金屬納米顆粒均勻地分散到基液中，制成的一種穩定的混合懸浮液。自1995年Choi等［1］首次提出這一概念以來，納米流體作為一種新型傳熱工質不斷地被學者們研究、應用與發展，取得了可觀的成就［2］。納米流體能在傳熱領域起到強化換熱作用的主要原因是：1）金屬或非金屬納米顆粒的導熱系數大于基液的，使得混合懸浮液具有較強的導熱能力，從而增強了傳熱；2）金屬或非金屬納米顆粒的布朗運動加快了能量的傳遞，改善了納米流體傳熱性能［3］。目前，常被應用于納米流體的有銅［4］、銀［5］等金屬納米顆粒，氧化銅［6］、氧化鋁［7］、二氧化硅［8-9］、二氧化鈦（TiO2）［10］等金屬氧化物納米顆粒，以及石墨烯［11-13］、碳納米管［14］等非金屬納米顆粒。其中TiO2納米粒子因具有穩定的物理和化學性質、較大的導熱系數、無污染無毒性、制備方式簡單、粒子種類形貌多樣等特點而被國內外的研究者所關注。史繼媛等［15］利用瞬態熱法對導熱油基TiO2納米流體在20～60 ℃的導熱性能進行了研究， 結果表明， 隨著溫度的升高， 該納米流體的導熱系數的增加率約為20%～38%。 陳謝磊［16］研究了TiO2-氨水納米流體的對流換熱特性， 結果表明， 與質量分數為25%的氨水基液相比， TiO2-氨水納米流體的對流換熱性能明顯改善， 當TiO2納米顆粒質量分數為0.3%時，對流換熱系數增大了15.1%。Zhang等［17］研究了納米顆粒含量和溫度對TiO2-水納米流體熱物性的影響，發現納米流體的熱導率和有效熱導率隨溫度和納米顆粒含量的增加而增大。盡管許多學者都從不同角度探討TiO2納米流體的熱物理性能以及傳熱性能；但是對于TiO2納米顆粒形貌對熱管工作性能影響的研究極少，因此，本文中采用水熱法合成棒狀、片狀和菱狀的TiO2納米顆粒，并分別制備不同顆粒形貌的TiO2-水納米流體，探討TiO2納米顆粒形貌對熱管工作性能的影響，為拓展納米流體在傳熱領域中的應用提供參考。

1? 實驗

1.1? 實驗試劑與儀器

實驗試劑包括：三氯化鈦（TiCl3）、氫氟酸（HF）、鈦酸四丁酯（TBOT），國藥集團化學試劑有限公司；乙腈（C2H3N）、甲酸（CH2O2），天津市富宇精細化工有限公司。上述試劑均為分析純。所用水為去離子水。

實驗儀器包括：DF-101型集熱式恒溫磁力攪拌器， 河南省鞏義市予華儀器有限責任公司；KH-100DB型數控超聲清洗機，江蘇省昆山禾創超聲儀器有限公司；GZX-9076MBE型電熱恒溫鼓風干燥箱， 上海博迅實業有限公司醫療設備廠；UV-5500型紫外-可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；Quanta FEG 250型場發射掃描電子顯微鏡（SEM），美國FEI公司；KD2 Pro型熱特性分析儀，美國Decagon公司；D8 Adrance型X射線衍射儀（XRD），德國Bruker公司。

1.2? 不同形貌TiO2納米顆粒的制備與結構表征

本文中采用水熱法分別制備棒狀、片狀和菱狀3種形貌的TiO2納米顆粒［18］。

1）制備棒狀TiO2納米顆粒。在燒杯中加入20 mL去離子水中， 再將4 mL TiCl3緩慢加入，將混合溶液磁力攪拌均勻后，移入容積為50 mL的聚四氟乙烯內襯的反應釜中，將密封好后的反應釜放入恒溫干燥箱中，在恒溫180 ℃下加熱24 h。反應結束后自然冷卻至室溫，用去離子水和無水乙醇清洗反應產物數次后烘干，即得到棒狀TiO2納米顆粒。

2）制備片狀TiO2納米顆粒。在燒杯中加入20 mL TBOT， 將3.2 mL HF緩慢加入，磁力攪拌均勻后，將溶液放入反應釜中，并將反應釜放入恒溫干燥箱，在200 ℃下反應24 h。自然冷卻至室溫，用去離子水和無水乙醇清洗反應產物數次后烘干，即得到片狀TiO2納米顆粒。

3）制備菱狀TiO2納米顆粒。在燒杯中加入6 mL C2H3N， 再將18 mL CH2O2 緩慢加入，磁力攪拌均勻后，繼續邊攪拌邊向混合溶液內加入體積分數為0.8%的TBOT。將溶液移入反應釜中，將反應釜放入干恒溫燥箱，在160 ℃下反應4 h。自然冷卻至室溫，反應產物用無水乙醇和去離子水清洗后烘干，即得到菱狀TiO2納米顆粒。

采用SEM對所制得的3種形貌的TiO2納米顆粒進行微觀形貌表征， 結果如圖1所示。 由圖可知， TiO2納米顆粒的棒狀、片狀和菱狀形貌非常清晰，3種形貌的TiO2納米顆粒的當量直徑為（64.62±0.4） nm。 3種形貌TiO2納米顆粒的XRD譜圖如圖2所示。由圖可知，棒狀TiO2納米顆粒為金紅石晶型（標準衍射卡片號為21-1276），片狀和菱狀TiO2納米顆粒為均為銳鈦礦晶型（標準衍射卡片號為21-1272）。

1.3? 不同形貌TiO2-水納米流體的制備

采用兩步法制備不同形貌TiO2-水納米流體。取前述制得的一定量的棒狀、片狀和菱狀的TiO2納米顆粒分別分散到去離子水中，水浴超聲3 h，制得質量分數為0.3%的不同形貌TiO2-水納米流體。

為了考察3種納米流體懸浮穩定性，采用紫外-可見分光光度計對靜置一定時間的流體進行吸光度分析，如圖3所示。從圖中可以看出，靜置1～25 d的不同形貌TiO2-水納米流體的吸光度變化幅度較小，表明3種形貌TiO2納米流體具有很好的懸浮穩定性。

1.4? 不同形貌TiO2-水納米流體的導熱性

納米流體導熱系數的測量方法很多，按照測量機制可分為穩態法和非穩態法，其中非穩態法中的瞬態熱線法是比較常用的測量方法。本文中采用瞬態熱線法，利用KD2 Pro型熱特性分析儀對不同形貌TiO2-水納米流體的導熱性能進行測試。

將棒狀、片狀和菱狀TiO2-水納米流體應用于熱管中，通過測試熱管內3種形貌納米流體導熱性能、熱管工作過程啟動性能、等溫性能和熱阻表征其工作性能。

3種形貌TiO2-水納米流體和基液水的熱管材質均為紫銅， 外徑為6 mm， 總長為800 mm， 內裝一層孔徑為74 μm的銅絲網吸液芯， 充液體積為6 mL， 設置每個熱管蒸發段、絕熱段、冷凝段長度分別為400、150、250 mm。 熱管工作性能實驗測試裝置如圖4所示。 蒸發段采用電加熱帶加熱， 冷凝段采用低溫恒溫水槽進行水循環冷卻。 熱管壁面上焊有7支經過標準校正后的銅-康銅熱電偶測量壁面溫度， 其中蒸發段溫度點為T1、T2、T3、T4， 絕熱段溫度點為T5， 冷凝段溫度點為T6和T7。 為了防止熱量散失， 熱管外用保溫材料包裹。 在實驗過程中， 加熱功率的調節由電壓調節器控制， 冷卻水流量由玻璃轉子流量計計量。 壁面溫度的測量通過數據采集記錄儀連接到計算機上完成數據采集工作。

1.5? 數據處理和不確定性分析

考察熱管工作性能的一個重要指標是熱阻R，計算公式為

R=ΔTQ ，（1）

式中：Q為加熱功率；ΔT為蒸發段與冷凝段的平均溫度差。 在實驗過程中， 標定后的熱電偶精度為0.1 ℃，加熱系統恒溫水槽精度也為0.1 ℃， 因此實驗結果最大的不確定度為2.02%。

2? 結果與討論

2.1? 顆粒形貌對熱管內工作介質導熱性能影響

3種形貌TiO2-水納米流體和基液水的導熱性能對比如圖5所示。從圖中可以看出：3種形貌TiO2-水納米流體的導熱系數都隨著溫度的升高而增大。當溫度相同時，3種形貌的TiO2-水納米流體按照導熱系數由大到小的順序是片狀TiO2-水納米流體、菱狀TiO2-水納米流體、棒狀TiO2-水納米流體。同時，3種納米流體的導熱系數都大于基液水的，當溫度為65 ℃時，片狀、菱狀、棒狀TiO2-水納米流體的導熱系數分別比基液水的提高了40.1%、36.5%、33.5%。 納米流體導熱系數增加涉及到很多因素， 如布朗運動、粒子-流體界面分層和粒子聚集效應等， 但是關于顆粒形貌對納米流體的導熱性能的影響至今沒有明確機制。 就本文中的實驗結果而言，3種形貌納米顆粒的當量直徑相近；但是，由于形貌不同，片狀顆粒具有更大的表面積，因此在流體內部進行熱交換時與液體之間具有更大接觸面積，相互碰撞接觸的概率更大，強化熱量傳遞效率，促進了快速導熱，導致片狀TiO2-水納米流體的導熱系數更大。

2.2? 顆粒形貌對熱管啟動性能的影響

當加熱功率分別為25、35 W，冷卻水體積流量為1.38 cm3/s時3種形貌TiO2-水納米流體和基液水熱管啟動過程中蒸發段平均溫度的變化如圖6所示。從圖中可以看出：當熱管受熱后蒸發段平均溫度都快速升高， 到達某溫度后升溫速率逐漸平緩， 表明熱管已順利完成啟動過程， 進入正常的工作狀態。 當加熱功率相同時， 基液水熱管啟動滯后于TiO2納米流體熱管， 片狀TiO2-水納米流體熱管啟動最快， 啟動溫度最低。表1所示為加熱功率分別為25、35 W時3種形貌TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管的啟動溫度的范圍。由表可以看出，當加熱功率相同時，3種形貌TiO2-水納米流體熱管啟動溫度明顯低于基液水熱管的，且片狀TiO2-水納米流體熱管的啟動溫度最低。

2.3? 顆粒形貌對熱管壁面溫度的影響

加熱功率為25、35 W時3種形貌TiO2-水納米流體和基液水熱管壁面溫度分布如圖7所示。 從圖中可以看出， 熱管壁面溫度沿長度方向由蒸發段向冷凝段方向逐步降低。 分析圖7（a）發現：在加熱功率為25 W時， 片狀TiO2-水納米流體熱管蒸發段溫度最低， 其次為棒狀TiO2-水納米流體熱管， 菱狀TiO2-水納米流體熱管蒸發段溫度略高于片狀、棒狀TiO2-水納米流體熱管蒸發段溫度。 基液水熱管冷凝段壁面溫度比3種形貌TiO2-水納米流體熱管的低。 分析圖7（b）發現， 雖然加熱功率增大， 但片狀TiO2-水納米流體熱管的蒸發段壁面溫度仍低于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管的蒸發段壁面溫度， 同時， 棒狀TiO2-水納米流體熱管出現奇異現象， 蒸發段壁面溫度陡升， 最高達到78.36 ℃， 即出現局部過熱現象， 根據熱管的工作原理［19］， 可以判定出現奇異現象的原因為毛細極限。

2.4? 顆粒形貌對熱管溫差及熱阻的影響

為了表征熱管等溫性能，給出加熱功率為15、20、25、30、35 W時3種形貌TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管穩定工作時蒸發段與冷凝段的平均溫差，如圖8所示，其中蒸發段、冷凝段的溫度點分布見圖4。從圖中可以看出：隨著加熱功率增大，所有熱管的平均溫度差呈線性增大。當加熱功率相同時，片狀TiO2-水納米流體熱管的平均溫度差始終最小，比棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管的相應平均溫度差小2～3 ℃，表明其等溫性能更好。除棒狀TiO2-水納米流體熱管在加熱功率35 W時出現過熱現象導致溫差最大外，基液水熱管的平均溫度差均大于3種顆粒形貌納米流體熱管的平均溫度差，表明TiO2納米流體熱管的等溫性能優于基液水熱管的。

3種形貌TiO2-水納米流體熱管及基液水熱管的總熱阻對比如圖9所示。 從圖中可以看出，隨著加熱功率的增大， 3種形貌TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管的總熱阻呈小幅減小趨勢， 其中片狀TiO2-水納米流體熱管的總熱阻最小， 基液水熱管的熱總熱阻最大（加熱功率為35 W時例外）。

3? 結論

本文中制備了不同顆粒形貌的TiO2-水納米流體，探討TiO2納米顆粒形貌對熱管工作性能的影響，得到如下結論：

1）熱管內工作介質TiO2-水納米流體的導熱系數都隨著溫度的升高而增大。當溫度相同時，3種形貌的TiO2-水納米流體按照導熱系數由大到小的順序是片狀TiO2-水納米流體、菱狀TiO2-水納米流體、棒狀TiO2-水納米流體、基液水。當溫度為65 ℃時，片狀、菱狀、棒狀TiO2-水納米流體的導熱系數分別比基液水的提高了40.1%、36.5%、33.5%。

2）隨著加熱功率的增大，片狀TiO2-水納米流體熱管蒸發段的壁面溫度始終低于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管蒸發段的，而且棒狀TiO2-水納米流體熱管出現過熱的奇異現象。

3）棒狀、片狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管和基液水熱管在加熱功率分別為15、20、25、30、35 W時都能正常啟動，當加熱功率相同時，片狀TiO2-水納米流體熱管啟動最快。

4）當加熱功率相同時，相對于棒狀、菱狀TiO2-水納米流體熱管， 片狀TiO2-水納米流體熱管穩定工作時蒸發段與冷凝段的平均溫度差減小2～3 ℃， 總熱阻減小4.4%～28.3%。

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（責任編輯：劉? 飚）