水基纳米流体凝固成核中的表面机理

纳米流体是一种潜在的优异的相变储能材料，为对其在储能领域的应用提供理论指导，需研究其凝固成核的机理。现有的成核理论应用于含分散剂的纳米流体时，不能解释纳米流体特定条件下过冷度大于基液的实验现象。本项目在前期研究纳米粒子对凝固传热影响的基础上，进一步研究受分散剂修饰的纳米粒子表面及容器表面的性质对凝固成核的作用机理。1)通过电镜观察、接触角测量及X射线衍射仪分析等方法，表征受分散剂修饰的纳米粒子及容器表面的特性；2)通过凝固实验，观察在静电排斥、空间位阻作用等分散机理下的相界面成核特性；3)通过建模模拟，考察纳米粒子及不同润湿性的容器表面对分散剂分子的吸附机制，并阐明其对纳米流体物性及成核特性的影响，揭示分散剂改性的表面性质对纳米流体的成核作用机理。本项目可建立纳米流体凝固成核的一般模型，对现有形核理论在纳米流体凝固成核领域进行补充，并为纳米流体储能工质的开发应用提供理论依据。

研究纳米流体凝固成核的机理，可为其在储能领域的应用提供理论指导。本项目主要研究受分散剂修饰的纳米粒子表面及容器表面的性质对凝固成核的作用机理。. 主要结果如下：. 研究了纳米颗粒浓度和冷却速率对TiO2纳米流体凝固温度的影响，发现当冷却速率较低时纳米颗粒浓度起主要作用，稳定性好的纳米流体过冷度比水小，表明纳米颗粒表面可提供纳米流体更多的成核位置，而稳定性较差的纳米流体过冷度比水大，原因可能是由于容器表面的成核作用因吸附纳米颗粒和分散剂而减小。. 研究表面活性剂SDS对TiO2纳米流体凝固过冷度的作用，结果表明，加入SDS可减小TiO2纳米流体的过冷度，其减小程度随表面活性剂和SDS质量比及SDS浓度的增大而增大。结合表面活性剂作用的异质成核理论分析表明，表面活性剂通过改变纳米粒子的接触角减小TiO2纳米流体成核所需的自由能变，TiO2纳米流体的过冷度与粒子表面SDS吸附密度有紧密联系，即大吸附密度对应低过冷度。当SDS在TiO2纳米粒子达到饱和吸附时，SDS对TiO2纳米流体过冷度减小的效果达到最大。. 研究了添加不同亲水性纳米颗粒的纳米流体的凝固特性，与SiO2、TiO2和碳纳米管纳米流体对比，发现相同质量浓度下，片状的石墨烯能更有效减小水的过冷度，且其浓度很小时即可完全消除水凝固所需的过冷。表面活性剂的加入可使纳米流体稳定性增加并进一步降低过冷度。结果表明二维石墨烯材料由于其超大的比表面积更适宜用作消除水的过冷的成核添加剂。. 通过化学液相沉积法在疏水的石墨烯表面包裹亲水的SiO2粒子，利用功能化的石墨烯/SiO2粒子制备纳米流体，结果表明SiO2包裹显著改善石墨烯表面的亲水性，石墨烯/SiO2纳米流体的稳定性与使用分散剂的情况相当，而由于SiO2包裹的石墨烯具有比分散剂SDBS包裹的石墨烯更高的导热系数，使石墨烯纳米流体的导热系数也得到提高。. 提出一种利用剥离的碟状材料ZrP胶体分散纳米粒子提高纳米流体稳定性的方法，发现碟状粒子提高纳米流体稳定性的主要原因是其可阻碍纳米粒子的团聚和沉降。