关键词：
石墨烯
纳米流体
制备
热物性
应用
摘要：
为了实现全球可持续发展目标,资源和能源的循环与高效利用是最关键的问题。热能作为能源的主要应用形式,在众多行业中无处不在。传统换热介质换热效率低导致能量损失严重。提高热效率的最佳方法就是使用高效换热介质替代传统换热介质,纳米流体是最具开发前景的新型换热介质之一。石墨烯相比于其他纳米粒子,能显著增强纳米流体的综合性能,但其疏水性导致在体系中的长期稳定分散困难,成为石墨烯基纳米流体制备与应用的瓶颈问题,同时纳米粒子的加入会增大纳米流体的流动阻力,导致输送功率的能耗增大。
针对目前石墨烯基纳米流体制备与应用领域存在的瓶颈问题,本文首次采用六种粘弹性高分子聚合物（黄原胶、羧甲基纤维素钠、聚氧化乙烯、明胶、海藻酸钠和卡拉胶）为分散剂,耦合高压均质技术制备出高稳定性的石墨烯基纳米流体。分析了不同因素对纳米流体的物性,包括粘度、流变特性、界面特性和导热系数的影响规律。在此基础上对纳米流体在传热、摩擦和光热转化领域的应用性能进行了评价。主要内容及结果如下:
（1）探究了分散剂和分散技术对石墨烯基纳米流体制备过程的影响规律,确定分散剂与高压均质耦合制备石墨烯基纳米流体的新工艺方法。所制备的石墨烯基纳米流体稳定周期长达180天。新工艺可以制备不同浓度的石墨烯基纳米流体。
（2）探究了六种分散剂制备的石墨烯基纳米流体的粘度变化规律及流变特性,发现了石墨烯的降粘效应。当石墨烯浓度为1.0 wt.%时,海藻酸钠体系的最高降粘率为58.9%。纳米流体流变特性研究表明,在低剪切速率下,黄原胶和羧甲基纤维素钠体系的纳米流体为假塑性流体,表现为剪切变薄的非牛顿流体特性。随着剪切速率增大,表现为牛顿流体特性;其余体系的纳米流体在整个剪切速率区表现出牛顿流体特性。
（3）探究了六种分散剂制备的石墨烯基纳米流体的表面张力（ST）与水接触角（CA）的变化规律。在所有体系中,石墨烯的加入均降低了基液的ST。同时增加了基液在两种材质上的CA。当黄原胶浓度为0.04 wt.%,石墨烯浓度为0.6 wt.%时,相比基液,纳米流体的ST降低最大为15.3%,在不锈钢上的CA值提高了10.1%,在聚丙烯上的CA值提高了26.7%,因此纳米流体在材质表面的疏水性增大,综合效应表现为流动过程中阻力的减小。
（4）研究了六种分散剂体系制备的石墨烯基纳米流体的导热系数（TC）的变化规律,评价了纳米流体综合传热性能。石墨烯的加入显著提高了六种基液的TC。当黄原胶浓度为0.04 wt.%,石墨烯浓度为0.6 wt.%时,纳米流体的TC最高为0.832W·m·K,比基液的TC提高了38.1%。当石墨烯浓度高于1.0 wt.%时,因石墨烯在体系中团聚和沉降导致纳米流体TC下降。
计算结果说明,六种体系的纳米流体的性能增强比（PER）值为-4～0之间,明显小于4,表明所制备的纳米流体在传热方面具有实际应用潜力。其中聚氧化乙烯、羧甲基纤维素钠和黄原胶制备的石墨烯基纳米流体的PER值接近0,表明所制备的三种纳米流体均具有最大的换热增强效能。
（5）探究了黄原胶、羧甲基纤维素钠和聚氧化乙烯体系制备的石墨烯基纳米流体对流换热系数（h）和流动阻力系数（f）随石墨烯浓度和流速（u）的变化规律。确定了纳米流体在管壳式换热器和板式换热器中的强化传热规律和换热效率。随u的增加,纳米流体h增加,f降低。相比纯水,黄原胶体系的h提高了35.2%,f降低了3.1%;随着石墨烯浓度的增加,纳米流体的h增加,f降低。当石墨烯浓度为0.6 wt.%时,黄原胶体系的h相比纯水提高了35.2%。三种纳米流体在管壳式换热器中的最大换热效率分别为91.9%、83.4%和86.4%。在板式换热器中,相比纯水,纳米流体的h分别提高了23.5%、11.7%和11.1%,压降值与纯水的相当。
（6）探究了羧甲基纤维素钠体系制备的石墨烯基纳米流体的摩擦学性质及抗菌、抗腐蚀特性。结果表明,石墨烯基纳米流体的摩擦系数为0.04,温升为33.7℃,两参数明显优于目前工业上广泛使用的切削液（摩擦系数0.06,温升为26℃）;石墨烯基纳米流体具有的减摩、高效导热、优异的抗菌和对多种金属材料的腐蚀钝性等特性使其成为潜在的高效环保型切削液产品。通过基础物性和摩擦学规律探究提出了石墨烯基纳米流体的润滑机理。
（7）探究了羧甲基纤维素钠体系制备的石墨烯基纳米流体的光热性能。确定了石墨烯基纳米流体在室内模拟光照环境和自然光条件下的光热转化特性。相比纯水,石墨烯基纳米流体在光谱范围200～800 nm之间的透射率大幅度下降,光吸收性能随着石墨烯浓度的提高而增强。分散剂浓度为0.1 wt.%,石墨烯浓度为0.1 wt.%时,光热转换效率最大。室内模拟温升为30.6℃,较纯水温升提高147.7%。室外模拟温升为15℃,较纯水温升提高144.6%,展现出优
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