納米流體

    1 簡介

    納米流體是指將一定比例的納米顆粒以一定方式加入到液體中而形成的流體，是一種由納米顆粒和基礎(chǔ)液構(gòu)成的懸濁液。

    2 分類

    金屬納米流體；

    非金屬納米流體；

    碳納米流體。

    3 應(yīng)用

    與傳統(tǒng)液體相比，納米流體具有更好的傳熱性能，因此納米流體在強化傳熱方面有很好的應(yīng)用前景。納米流體的潛在應(yīng)用領(lǐng)域是熱交換系統(tǒng)，可以應(yīng)用于提高冷卻介質(zhì)的導熱系數(shù)從而強化傳熱。某些納米流體也可用作相變蓄冷材料，從而起到節(jié)能降耗的作用。同時納米流體還可以應(yīng)用于余熱回收、交通運輸、儲能、改善土壤、石油開采、潤滑等多個領(lǐng)域。

    4 特性

    （1）傳熱特性

    納米流體的一個顯著特性是強化傳熱——納米流體比傳統(tǒng)冷卻介質(zhì)具有更高的導熱系數(shù)，因為納米固體顆粒的導熱系數(shù)通常高于液體，因此在以液體作為工作流體的冷卻系統(tǒng)中添加納米固體顆粒可以有效提高其傳熱性能。使用納米顆粒不僅能很好的提高換熱性能，而且可以防止微米級顆粒引起的管道堵塞等問題。

    （2）強化傳質(zhì)特性

    納米流體的強化傳質(zhì)特性可以從納米顆粒的布朗運動、提高工質(zhì)的導熱系數(shù)、產(chǎn)生Marangoni對流、產(chǎn)生輸運效應(yīng)等方面予以解釋，并且，納米顆粒還可增加溶液的電導率。

    5 制備方法

    “一步法” 和“兩步法”是目前制備納米流體的主要方法。“一步法”是在納米顆粒制備的過程中直接將顆粒分散在基液中，制備過程“一步”完成，但是這種方法產(chǎn)量小，成本較高。“兩步法”是將制備好的納米顆粒分散到基液中，但由于納米顆粒在基液中很容易發(fā)生聚沉，所以還需結(jié)合超聲、添加分散劑等方法使所形成的納米流體得以穩(wěn)定。

    6 穩(wěn)定性

    納米流體的穩(wěn)定性是其獲得實際應(yīng)用之前必須解決的問題。采用兩步法制備納米流體時，納米流體的穩(wěn)定性受基液pH、分散劑類型、超聲頻率和時間等因素的影響，其中改變基液pH可以增強納米顆粒表面形成的雙電層之間的斥力，從而減少納米顆粒間的相互吸引和碰撞。

    添加分散性表面活性劑，可以通過表面活性劑在納米顆粒表面的吸附，增強納米顆粒間的斥力，減少納米顆粒之間相互吸引而引起的團聚。

    超聲則是通過破壞納米顆粒間的相互吸引力，而使納米流體得以分散穩(wěn)定。除此之外，納米顆粒的質(zhì)量分散、基液的性質(zhì)等也對納米顆粒的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

    納米流體中金屬腐蝕行為的研究進展

    1 靜態(tài)條件下金屬的腐蝕行為

    與傳統(tǒng)溶液中的腐蝕行為相比較，有關(guān)納米流體中金屬腐蝕行為的研究尚處于初級階段。有研究認為某些條件下納米顆粒可以促進金屬的腐蝕，而在另一些條件下納米顆粒對金屬的腐蝕具有一定的抑制作用。

    2 流動狀態(tài)下金屬的腐蝕行為

    在流動狀態(tài)下，流體中固體顆粒的存在往往會促進金屬的磨損腐蝕。與大顆粒如微米顆粒相比，流體中的納米顆粒具有非常低的動能，這可以使磨損腐蝕程度大幅度降低[。已有研究表明，納米流體對金屬產(chǎn)生了不同程度的磨損腐蝕。

    3 納米流體中不同金屬的腐蝕行為

    納米流體對不同金屬的腐蝕行為影響存在差異。研究發(fā)現(xiàn)，Al2O3納米流體和ZrO2納米流體對不銹鋼的腐蝕不產(chǎn)生顯著影響，對銅產(chǎn)生較大的磨蝕，而對鋁的腐蝕促進作用更大，是基液的300倍。

    納米顆粒對金屬腐蝕機理的影響

    納米流體中金屬腐蝕行為的變化，與流體中納米顆粒的特性直接相關(guān)。納米顆粒進入到溶液中，可以在一定程度上改變?nèi)芤旱男再|(zhì)和金屬表面狀態(tài)，從而對金屬的腐蝕過程產(chǎn)生影響。

    1 納米顆粒對金屬腐蝕的抑制作用

    在一些研究中發(fā)現(xiàn)，溶液中納米顆粒的存在可以抑制金屬的腐蝕，主要原因在于以下幾個方面。

    （1）納米顆粒在金屬表面形成保護膜

    納米顆粒在金屬表面的吸附成膜可以對金屬起到一定的保護作用。銅在含有碳納米管的SDS溶液中，腐蝕速率減小的原因是由于銅表面形成了碳納米管膜。碳納米管膜的存在使傳質(zhì)阻力顯著增大，從而在一定程度上抑制腐蝕。當以一定轉(zhuǎn)速攪拌納米流體時，發(fā)現(xiàn)銅的腐蝕電流密度不變，表明銅表面的碳納米管膜有較大的傳質(zhì)阻力，有效地控制著納米流體中銅的腐蝕過程。

    （2）納米顆粒阻礙氧氣分子的擴散

    多數(shù)腐蝕體系中，氧氣分子是腐蝕的去極化劑。納米顆粒可以對氧的傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響，納米顆粒因具有小尺寸和高的比表面積，可以在流體中懸浮，一些納米顆粒可進入擴散層，也可沉積在金屬表面。

    擴散層中氧氣分子與納米顆粒互相碰撞，增加了氧的擴散途徑，提高了氧的擴散阻力，納米顆粒成為了氧擴散途徑中的障礙物，使氧的擴散速度降低。因此納米顆粒的存在使金屬的耗氧腐蝕速率降低。再者，納米顆粒由于具有非常大的接觸表面積，這增加了其在金屬表面的吸附趨勢，納米顆粒在金屬表面的吸附減少了氧氣分子與碳鋼基體的接觸表面積。

    （3）納米顆粒降低鹽的溶解度

    納米顆粒可以改變?nèi)芤褐宣}的溶解度，從而影響金屬的腐蝕過程。

    2 納米顆粒對金屬腐蝕的促進作用

    在一些研究中發(fā)現(xiàn)，溶液中納米顆粒的存在促進了金屬的腐蝕，其主要觀點是：

    （1）納米顆粒促進金屬腐蝕的傳質(zhì)過程

    溶液中納米顆粒的布朗運動、Marangoni對流作用等可以強化傳質(zhì)過程。從這個角度來說，納米顆粒對金屬的腐蝕也有一定的促進作用。

    （2）納米顆粒磨蝕-腐蝕的協(xié)同效應(yīng)

    納米流體作為一種液固懸濁液，對金屬的磨損腐蝕不可避免。研究發(fā)現(xiàn)納米流體中磨蝕-腐蝕協(xié)同效應(yīng)較為明顯，碳鋼在納米流體中的純腐蝕速率小于在不含固體顆粒的基液中的，純磨損速率略高于在基液中的；而碳鋼在納米流體中的磨損腐蝕速率比在不含固體顆粒的基液中高得多。碳鋼在納米流體中24小時后的磨損腐蝕速率比純磨損大約大14倍，比靜態(tài)純腐蝕速率與純磨損速率之和大9.5倍，這表明碳鋼在納米流體中的磨蝕-腐蝕協(xié)同效應(yīng)顯著。

    結(jié)語

    納米流體在傳熱或蓄冷領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但是應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)對管道金屬的磨蝕或腐蝕問題。與傳統(tǒng)液體相比較，納米流體中納米顆粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)等特性會影響金屬/溶液界面特性，從而對金屬腐蝕過程產(chǎn)生影響。

    納米流體種類繁多，對不同金屬腐蝕過程的影響不盡相同，而目前對納米流體中金屬的腐蝕研究還較少，對納米流體中金屬腐蝕機理的研究還不夠深入，有待今后工作的進一步開展。

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責任編輯：王元

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