引用格式
陈洪强,高权,马祥,等.微流控氧化硅纳米流体强化流动沸腾传热[J].中国空间科学技术（中英文）,2024,44(5):66-74.
CHEN H Q, GAO Q, MA X, et al.Preparation of silicon oxide nanofluids via microfluidic for enhanced flow boiling heat transfer[J].Chinese Space Science and Technology,2024,44(5):66-74(in Chinese).
文章导读
1.研究背景
随着微电子芯片内部电子元件的指数级集中度增加，电子器件正迅速朝着微型化和集成化的趋势发展，同时它们也带来了散热需求显著增加的挑战。在狭小空间内解决超高热流密度对于国防、航空航天、能源、电子信息等领域发展至关重要。为提高高功率电子设备的临界热通量，人们进行了广泛研究。相变液冷，特别是微通道流动沸腾传热，因为其具有潜热大、温度稳定及传热能力优越等优点而被广泛应用。然而，沸腾过程的不稳定和汽泡聚结导致的传热过程恶化问题始终没有得到有效改善。为了解决这些问题，已经开发了主动增强策略和被动增强策略。主动增强策略是将声场、电场或磁场等外部能源应用于传热系统，而被动增强策略则需要引入纳米颗粒、进行表面改性或改变通道几何形状。在换热工质中添加纳米颗粒形成的纳米流体具有超高的热属性并且基本不增加能源消耗，能够改善沸腾表面，形成稳定成核位点并延迟汽泡聚结，显示出强大的换热能力。当然，太空中天然的微重力环境虽然阻碍了沸腾时汽泡从加热表面的脱离，但却有效提高了纳米流体的稳定性并防止颗粒团聚，这也显示出纳米流体换热工质在空间微重力环境中的强大优势。
不论是地面常重力，还是空间微重力环境，纳米流体在沸腾传热强化领域有着巨大应用潜力，特别是SiO2纳米流体因其高热稳定性和高热传系数，成为理想选择。但传统间歇式烧瓶烧杯制备纳米流体的方法不仅工艺繁琐，且反应时间长，对纳米颗粒的可控性差，而且不可避免地受到颗粒团聚的影响而显示出较差的分散稳定性。微流控反应器的出现，由于其反应时间快、特异性高、样品预处理简单、相互作用动力学强等优点，似乎为连续和大规模合成稳定的单分散功能纳米颗粒提供了新方法。此外，纳米颗粒尺寸是影响流动沸腾传热性能的关键参数，但纳米颗粒大小如何影响流动沸腾传热性能仍没有得到系统的研究。因此，急需可控合成高稳定性的SiO2纳米流体，以提高传热性能。
本研究提出了一种连续、高速、高通量的微流控策略，用于可控合成不同尺寸的SiO2纳米流体，并研究了流动沸腾传热性能随尺寸的变化情况。螺旋形微反应器的设计旨在增强反应物的微混合过程，与传统方法相比，微混合时间可缩短至微秒级，且由于微通道具有更大的表面积与体积比，传质效率可以得到显著提高。最后，对SiO2纳米流体的尺寸和稳定性进行了表征，并通过流动沸腾传热平台验证了其冷却性能。
2.文章梗概
利用纳米流体增强微通道流动沸腾传热是提高高功率电子设备传热性能的有效方法。然而，传统的纳米流体面临制造过程复杂、稳定性差以及无法控制纳米颗粒尺寸的挑战，对整体传热效率产生负面的影响。开发了一种简单的微流控合成策略，能够以连续、高效和高通量的方式制备高度稳定且尺寸可控的二氧化硅纳米流体。特别设计的螺旋微通道反应器仅需通过流速调节，便可实现连续流一步法合成具有30~110nm可控粒径的稳定纳米流体。流动沸腾传热实验结果表明，在较高的流速下（0.4m/s），较小尺寸的纳米颗粒（≤55nm）的传热性能优于较大尺寸（110nm）的纳米颗粒，对于临界热通量（CHF）和传热系数（HTC）的增强分别达到90.9%和68%。沸腾表面润湿性的提高、表面高效成核以及改善的汽泡动力学特性为传热性能的强化提供了理论解释。这些发现不仅为纳米流体的可控制备提供了新方法，还为航空航天、电力电子等功率器件的高效两相芯片冷却提供了新思路。
3.总结与展望
本文通过微流控技术一步法合成了具有不同粒径大小的氧化硅纳米流体，并证明了其优异的相变冷却性能。具体说来，借助螺旋微反应器快速高效的流体混合和传质反应能力，仅仅调节微反应器的入口流速便合成了具有出色稳定性和大小均一的氧化硅纳米流体，且流速越大氧化硅纳米流体的平均粒径越小。进一步的流动沸腾传热实验表明，合成的纳米流体在同时增强HTC和CHF方面具有巨大的潜力（>100%）。流动沸腾的流速越大，纳米流体的颗粒粒径越小，其强化换热效果越明显。但在低流速（≤0.1m/s）条件下，颗粒粒径大小基本没有强化换热效果。当粒径达到一定小的粒径范围，其强化换热能力基本相同。本工作中，一旦纳米颗粒达到大约55nm及以下，特别是当流速在0.4m/s时，小颗粒纳米流体（30nm和55nm）实现了对CHF的增强大于90.9%以及HTC大于68%的强化换热能力。改善的纳米流体分散稳定性，增强了微通道内部流动过程的固液扰动效应，加速了加热壁面液气相变过程。另一方面，沸腾表面成核特性和润湿特性的改善，提供了足够的传热面积、成核位点以及快速供液能力，解释了提高传热性能的潜在机制。这些发现为芯片表面的两相冷却提供了指导，并为航空航天热管理和提高电子产品的性能提供了新的思路。
作者简介
陈洪强，西安交通大学化学工程与技术学院博士研究生，研究方向为汽液两相流及相变传热。
张永海，西安交通大学化学工程与技术学院教授，研究方向为汽液两相流及相变传热
点击文末“阅读原文”
登录官网下载原文
来源：《中国空间科学技术（中英文）》2024年第5期
编辑：陈飚
监制：祁首冰
往期推荐
1
2
3
4
5
