Mn3O4水基纳米流体的制备及其对流传热性能研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 4.81MB 58 页 15积分

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Mn3O4水基纳米流体的制备及其

对流传热性能研究

摘要

Mn3O4 纳米材料在催化、电磁、医药、环保等诸多领域展示了广泛应用前景。

Mn3O4 是一种常用于甲烷和一氧化碳的氧化过程、氮氧化物的分解等过程的催化

剂；在磁领域应用中，Mn3O4 可以用于生产软磁材料；在电化学领域，Mn3O4 可

以作为前躯体材料制备Li-Mn-O 充电电池。纳米流体作为一种新型的换热工质，

受到了广泛的关注和研究。纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米

级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质，它可以提高液体的导热系数

强化流体的传热性能，并且不易产生磨损或堵塞，因此，纳米流体在能源、动力、

化工、航空、航天、车辆、电子等领域具有广泛的应用前景。

本文用水热法，以二价锰源和六亚甲基四胺为前驱物，通过水热法合成体系

来制备 Mn3O4纳米粒子，考察了反应温度、时间、溶液组分和添加剂的种类等因素

对反应产物的影响。经 XRD, SEM, TEM, FTIR 等表征制备出的 Mn3O4纳米粒子颗

粒结晶度好，团聚程度低，粒度分布窄，平均粒径为 39nm。

通过两步法先制备出 Mn3O4、Fe3O4和Fe3O4@PFR 纳米粒子，用 PEG 对纳米

粒子进行表面改性，再将其直接分散到去离子水中，经超声和调节 pH 值而形成

稳定的纳米流体，并对其进行了稳定性分析。

在探究纳米流体的强化对流传热方面，对质量分数分别为 0.21%，0.26%和

0.46%的Mn3O4纳米流体、质量分数分别为 0.05%、0.24%的Fe3O4纳米流体和质量

分数为 0.16%的Fe3O4@PFR 纳米流体的强化对流换热性能进行了研究。我们得出，

Mn3O4纳米流体随着质量分数的提高，对流换热系数随之提高，且流体的强化对

流换热系数相比于去离子水有所提高。Fe3O4纳米流体随着质量分数的提高，对流

换热系数呈下降趋势，且 Fe3O4@PFR 纳米流体的强化对流换热系数比 Fe3O4纳米

流体的强化对流换热系数要高，但 Fe3O4和Fe3O4@PFR 纳米流体的强化对流换热

系数比水都要低，其原因可能是由于流体中纳米粒子的沉降。

关键词：Mn3O4 Fe3O4@PFR 水热法纳米流体强化对流换热

ABSTRACT

Manganese oxides have potential applications in catalysis, electrochemistry,

molecular adsorption, magnetite, and batteries. Mn3O4 uses as common catalyst in the

decomposition of NOx, the oxidation of methane and carbon monoxide, and the

selective reduction of nitrobenzene. Moreover, Mn3O4 is a starting material of soft

magnetic materials and in the preparation of Li-Mn-O electrode materials. Nanofluids,

as new heat transfer fluids, have been attracting much attention. Nanofluids are prepared

by dispersing the metal or metal oxide in based liquid. It can improve the thermal

conductive, enhance the convective heat transfer and it cannot cause the sedimentation

of large particles and clogging flow channel. Therefore, nanofluids have potential

applications in energy, power, chemical industry, aviation, vehicle and electron.

In this paper, Mn3O4 nanoparticles are synthesized by hydro-thermal method, used

Mn2+ and HMTA as predecessor. The reaction temperature 、time and component

solution were discussed in the research. These as-obtained nanoparticles were

characterized with XRD, FTIR, TEM, FTIR and indicated the fabricated materials

possess advanced stability, high dispersivity and narrow size distribution.

Mn3O4 and Fe3O4 nanoparticles are dispersed in distilled water after modified by

PEG. The stable nanofluids were prepared by adjusting the value of pH. The stability of

nanofluids was analyzed.

The connective heat transfer investigation of Mn3O4 nanofluids and Fe3O4

nanofluids was undertaken by a self-made apparatus in transition region between

laminar and turbulent flow. The results showed enhancement of convective heat transfer

using the Mn3O4 nanofluids. Meanwhile, the heat transfer coefficient increased as the

increase of the mass fraction of Mn3O4. It suggests that the increase concentration of

Mn3O4 nanoparticles is advantaged to raise nanofluid the forced convective heat transfer

efficiency. However, the increase concentration of Fe3O4 nanoparticles is disadvantaged

to raise nanofluid the forced convective heat transfer efficiency and Fe3O4@PFR

nanofluids demonstrate superior coefficient of convective heat transfer to the naked

Fe3O4 nanofluids and the nanofluids show lower coefficient of conventive heat transfer

than water.

Key Word: Mn3O4, Fe3O4@PFR, hydro-thermal method, nanofluids,

convective heat transfer

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论..............................................................................................................1

1.1 纳米材料的基本概念和性质..........................................................................1

1.2 纳米材料的制备及其应用..............................................................................1

1.3 纳米流体的制备及其应用..............................................................................7

1.4 强化对流传热的流变学研究........................................................................10

1.5 纳米流体的强化对流换热的研究进展........................................................13

1.6 本课题的创新点............................................................................................15

1.7 本课题的可行性分析及方案........................................................................15

第二章实验的主要分析表征方法.........................................................................17

2.1 X-射线衍射(XRD)分析................................................................................17

2.2 傅里叶红外光谱(FTIR)分析........................................................................18

2.3 扫描电子显微镜(SEM)分析.........................................................................19

2.4 透射电子显微镜(TEM)分析........................................................................19

2.5 振动样品磁强计(VSM)分析........................................................................20

2.6 对流换热性能分析........................................................................................21

第三章 Mn3O4和Fe3O4纳米粒子的制备及表征...................................................24

3.1 Mn3O4纳米粒子的水热法制备....................................................................24

3.1.1 实验原料及仪器设备.............................................................................24

3.1.2 实验原理.................................................................................................24

3.1.3 实验方案及步骤.....................................................................................24

3.1.4 结果与讨论.............................................................................................25

3.2 Mn3O4纳米粒子的溶胶-凝胶法制备............................................................31

3.2.1 试剂与原料.............................................................................................31

3.2.2 实验方案及步骤.....................................................................................31

3.2.3 结果与讨论.............................................................................................31

3.3 Fe3O4纳米粒子的制备..................................................................................32

3.3.1 实验原料及仪器设备.............................................................................32

3.3.2 实验原理.................................................................................................32

3.3.3 实验方案及步骤.....................................................................................32

3.3.4 结果与讨论.............................................................................................33

3.4 本章小结........................................................................................................35

第四章 Mn3O4及Fe3O4纳米流体的制备...............................................................37

4.1 Mn3O4纳米流体的制备................................................................................37

4.1.1 试剂与原料.............................................................................................37

4.1.2 实验步骤.................................................................................................37

4.1.3 结果与讨论.............................................................................................38

4.2 Fe3O4纳米流体的制备..................................................................................39

4.2.1 试剂与原料.............................................................................................39

4.2.2 实验步骤.................................................................................................39

4.2.3 结果与讨论.............................................................................................40

4.3 本章小结........................................................................................................41

第五章 Mn3O4及Fe3O4纳米流体的强化对流传热性能研究...............................42

5.1 流变学研究....................................................................................................43

5.2 纳米流体的强化对流传热的实验方法........................................................44

5.2.1 实验操作步骤.........................................................................................44

5.2.2 实验中流量的测量.................................................................................45

5.2.3 实验数据处理.........................................................................................46

5.3 结果与讨论....................................................................................................47

5.3.1 Mn3O4纳米流体的强化对流换热性能.................................................47

5.3.2 Fe3O4纳米流体的强化对流换热性能...................................................49

5.4 本章小结........................................................................................................52

第六章结论与进一步工作建议.............................................................................53

6.1 结论................................................................................................................53

6.2 进一步工作建议............................................................................................53

参考文献..................................................................................................................55

Mn3O4水基纳米流体的制备及其对流传热性能研究

第一章绪论

1.1 纳米材料的概念和性质

纳米材料是指处于1-100nm 尺度范围内的超微颗粒及其聚集体，以及由纳米

粒子构成的具有纳米特性的材料[1]。在 20 世纪 60 年代，著名的物理学家、诺贝尔

奖获得者Feyneman，最早提出纳米尺度上的科学和技术问题。1974 年，Taniguchi

首次使用纳米技术(nanotechnology)这一概念[2]。

纳米材料由于其特殊的结构而产生了四大物理效应，即小尺寸效应、表面效应

量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，从而使其具有传统材料所不具有的光、电、磁

热、声、力等物理性质[3-6]。

1. 小尺寸效应

当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，晶体的周期性

边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少，导致声、

光、电磁、热力学等物性呈现新的特性。

2. 表面效应

纳米粒子表面原子数和总原子数随着粒径的减小而急剧增大，纳米粒子的表

面能和表面张力也随其增大，从而表现出很大的化学和催化活性。

3. 量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到纳米级时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为离

散能级，半导体纳米粒子存在不连续的最高占有轨道能级和最低空轨道能级，而

使能级间隙变宽。

4. 宏观量子隧道效应

隧道效应是指微观粒子贯穿势垒的能力。然而一些宏观量如磁化强度、磁通量

和电荷也具有隧道效应，因而称为宏观量子隧道效应。

1.2 纳米材料的制备及其应用

纳米材料由于其特殊的性质使其在很多领域表现出同类材料所不具有的特性，

引起了广大科学研究者的兴趣。经过不断的研究与发展，纳米材料的合成方法[7-9]

逐渐增多，不同的合成途径直接影响了纳米粒子的微观结构，同种纳米材料的不

同微观结构表现出不同的性能。目前，合成纳米材料的主要方法有以下几种：

1. 机械粉碎法

机械粉碎法是使用物体间相互挤压所产生的切应力而使物料得以粉碎和研磨

的方法。在机械粉碎中，若需要得到粒径较小的纳米粒子，就需要更大的断裂能

也就需要更大的机械应力。因而需要的纳米粒子的粒径越小，粉碎也就越困难。但

是，机械粉碎也有其极限，即到达一定程度后，提高机械应力，纳米粒子的粒径

不再减小或者减小的速度很慢。理论上，机械粉碎的最小粒径可达0.01～0.05 nm。

然而，目前的机械设备和工艺很难达到这一理论值。Huiting 认为机械粉碎粒子粒

径所能达到的极限值是 1 nm。日本学者神保在研究球磨机粉碎时，认为减小机械

粉碎介质球的直径可以得到粒径更小的纳米粒子。奥田的实验研究结果表明，采

用表面粉碎方式，通过往复摩擦粉碎石灰石，可得到最大粒径小于0.6 nm 的纳米

粒子；而采用回转磨擦粉碎，可制备粒度为 0.2～l nm 的纳米粒子。

2. 化学沉淀法

化学沉淀法是指向金属盐溶液中加入碱性沉淀剂（如氨水，氢氧化钠等），

从而将金属离子从溶液中沉淀出来。在反应过程中，通过控制前驱物的比例，反

第一章绪论

应时间，反应温度，搅拌速度和添加一定量的稳定剂来制备纳米粒子。由于使用

沉淀法很容易得到纳米粒子，并且产品的纯度高，原料适应性强且适合大规模生

产，从而得到了广泛应用。

化学沉淀法是合成金属氧化物最普遍的方法，但其缺点是沉淀物为胶状物，

水洗过滤困难，一些粒子不易除去，沉淀过程中的各种物质不易分离，在洗涤过

程中要损失沉淀物，因此，对传统的化学沉淀法进行改进成为研究的一个方向。

3. 水热法

水热法是指在高温高压反应釜中，以水为介质，使难溶或不溶的物质溶解并

且重结晶，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生

长晶体的方法。水热法合成纳米粒子有以下几个优点：1）合成的晶体具有晶面，

热应力小，内部缺陷小；2）可以有效的控制颗粒尺寸和形状，得到的粉体粒度

小，分布范围窄；3）产品纯度高，对环境污染小；4）原料便宜，工艺简单。但

其也存在设备要求高，安全性能差等缺点。

目前，水热法制备纳米粒子还处在研究阶段。大量的研究表明，水热法是一

种低能耗、低污染和低投入并且产物质量好的一种合成方法，具有很好的工业化

前景。

4. 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是指将原料分散在溶剂中，经过水解反应生成活性单体，活性单

体再进行聚合形成溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理

制备出纳米粒子或所需材料。溶胶-凝胶法与其他几种方法相比有以下几个独特地

优点：1）反应温度低，过程容易控制；2）产品的均匀度和纯度高，其均匀性可

达分子或原子水平；3）化学计量准确，易于改性，掺杂的范围宽；4）同一种原

料，改变其工艺过程，可以得到不同类型的产品；5）工艺简单，设备简单。

然而，溶胶-凝胶法也存在一些问题，1）生产原料昂贵，有些原料为有机物，

有害健康；2）整个溶胶-凝胶过程所需时间长，并且制品容易开裂；3）在凝胶过

程中存在很多气孔，在干燥中容易逸出气体和有机物，并且会产生收缩。

5. 微乳液法

微乳液法是指两种互不相容的液体在表面活性剂的作用下形成宏观上均一而

微观上不均匀的液体混合物，在微泡中成核、聚集、团聚、热处理后得到纳米粒子。

微乳液法有以下五大优点：1）可以实现纳米粒子可控生长，且粒径分布均匀；

2）改变表面活性剂，可以得到特殊的物理化学性质的纳米粒子；3）纳米粒子表

面包覆一层表面活性剂，粒子不易团聚，且稳定性好，可以存放较长时间；4）

用相应的有机基团取代纳米粒子表面包覆的一层表面活性剂层，可以得到特定功

能的纳米粒子；5）改善了纳米粒子的界面性质，使得纳米粒子具有了光学、催化

和流变等性能。

微乳液法的也存在一些缺点：所需的乳化剂用量大，单体浓度小，得到的纳

米粒纯度低，一些合成条件比较苛刻。因此需要发展高校乳化剂和建立微乳液聚

合新技术。

6. 高温煅烧法

高温煅烧法是指将纳米材料前驱物放入马弗炉中，进行高温煅烧，使其发生

化学反应，分解或者氧化，从而得到纳米粒子。高温煅烧法具有其他制备技术所

不具有的优势：1）生产工艺简单，反应迅速，合成时间段；2）产量高，适合大

规模生产；3）可以根据控制温度来得到不同的纳米粒子；4）产品在合成过程中，

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摘要：

Mn3O4水基纳米流体的制备及其对流传热性能研究摘要Mn3O4纳米材料在催化、电磁、医药、环保等诸多领域展示了广泛应用前景。Mn3O4是一种常用于甲烷和一氧化碳的氧化过程、氮氧化物的分解等过程的催化剂；在磁领域应用中，Mn3O4可以用于生产软磁材料；在电化学领域，Mn3O4可以作为前躯体材料制备Li-Mn-O充电电池。纳米流体作为一种新型的换热工质，受到了广泛的关注和研究。纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质，它可以提高液体的导热系数强化流体的传热性能，并且不易产生磨损医塞，因此，纳米流体在能源、动力、化工、航空、航天、车辆、电子等领域具有...

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