晶体结构对丙二醇热物理性能及性能的影响

研究背景

能源是人类赖以生存和进步的基础。人口持续增长和工业发展对能源的不断需求是全球经济发展面临的挑战，能源供应系统的长期可持续性是不可或缺的。此外，消耗化石燃料以生产能源所造成的气体排放被认为是造成全球变暖和气候变化的主要原因。建筑能源消耗占欧洲总能源需求的40%和温室气体排放的36%。因此，在现有能源系统中节约和合并可再生资源是目前科学界最相关的问题之一。太阳能光伏系统、太阳能热系统和地热热泵系统等技术是可再生能源最常见的形式。约70%的能源消耗用于加热和冷却。因此，通过提高实际系统的传热效率来限制能耗的上升是非常必要的，必须通过提高传热效率来限制系统的能耗。

热交换器是通过热传递铰接的装置。主动和被动方法的改进为热交换器提供了更高的效率。在被动式方法中，热交换器的表面修饰是历史上最先进的技术，而纳米流体的使用近年来开始脱颖而出。纳米流体是一种纳米尺寸的固体添加剂在基础流体中的分散体，可以提高导热系数（这对传热的影响很大），以及对其他物理性质的改变。为了实现这些改进的工作流体，有必要研究它们的合成、稳定性和热物理性质。它可以精确而严格地测定其热物理性质：密度(ρ)、导热系数(k)、动态粘度(η)和等压热容（c p）。在纳米流体设计中最常用的基础流体是水、乙二醇和油。另一方面，文献中最常见的纳米颗粒是金属、金属氧化物和碳衍生物。然而，也有一些常见的限制，如热导率低增加，粘度高增加或随着时间的推移缺乏分散稳定性。因此，寻找新的纳米材料仍然是一个有趣的课题。

在固体材料中，热能通过电子和晶格振动来传递。热输运主要由金属中的自由电子和半导体和绝缘体中的晶格振动决定。集体晶格振动能量的量子化被称为声子。在晶体固体中，具有相似频率的声子模在被杂质、边界或其他声子散射之前，可以由于原子的周期性在整个晶体中移动。根据声子气体模型，热导率是单模比热容、声子群速度和声子平均自由程的函数。非晶材料不存在长距离周期性，因此扩展的声子波没有很好的定义，也没有声子群速度或声子平均自由程。基于原子无序性，非晶材料的热导热率通常低于晶体材料。另一方面，对于晶体材料的经典假设是，晶体结构的复杂性的增加意味着较低的热导率。

碳化硅（SiC）是一种具有高硬度和强度、导热系数高、熔点高、化学稳定性和热稳定性高、抗氧化性能的半导体材料。这些有趣的特性使它对多种应用具有吸引力，特别是对高温或恶劣环境的。碳化硅的三种基本晶体学类别分别是立方(C)、六边形(H)和菱形(R)，并且可以识别出超过250种多型。六边形（nH-SiC）和菱形（nR-SiC）多型通常被称为α-SiC相，而立方体（3C-SiC）多型通常被称为β-SiC相。最常见的多型物是α-SiC，具有六边形晶体结构，其稳定性可达1700℃。α-SiC多型的工业应用分别为6H-SiC和4H-SiC，其带隙分别为3.03和3.26eV。β-SiC多形型具有最小的带隙，2.26 eV，目前还没有体积形式，但由于其比α-SiC 更高的表面积，引起了越来越多的关注。

相关成果以“Influence of crystal structure on the thermophysical properties and figures-of-merit of propylene glycol: water-based SiC nanofluids”为题发表在国际知名期刊《Powder Technology》(JCR一区，中科院二区)上。

研究结论

在本工作中，设计了α-SiC和β-SiC在丙二醇上的分散体：70%浓度为30和2% wt%。通过振动管密度法、瞬态热线技术、旋转流变法和差示扫描量热法，分别得到了293.15~313.15K的密度、热导率、动态粘度和等压热容。对流传热性能也采用绩效数值进行了评估。热导率和粘度对晶体结构的依赖性更大。β-SiC纳米流体的热导率（12%）和动态粘度（17%）的增幅最大。最不复杂的晶体结构（β-SiC）在层流和湍流的对流中表现出更好的应用前景。

研究数据

图1：α-SiC (a)和β-SiC (b)纳米成型机在2θ中的XRD光谱范围为10~100◦，主要晶体结构为6H-SiC (a)和3C-SiC (b)。

图2：α-SiC (a)和β-SiC (b)纳米成型机在100 kV加速电压下的透射电镜图像。

图3：不同浓度的PG：W 30：70基流体和α-SiC和β-SiC纳米流体的密度随温度的变化。误差条表示扩展的不确定性（k = 2）。参考线来自Pack和Cho的模型，使用ρnp=3210kg·m−3，等式 10 (--)。

图4：不同浓度的PG：W 30：70基流体和α-SiC和β-SiC纳米流体的热导率随温度的函数。误差条表示扩展的不确定性（k = 2）。参考线由麦克斯韦模型获得，使用knp=350W·m−1·K−1，等式 11 (--)。

图5：流动曲线在293.15和313.15 K (a)和平均动态粘度值在剪切速率范围从10到1000S−1作为温度(b)的函数PG：W 30：70基本流体和α-SiC和β-SiC纳米流体在不同浓度。误差条表示扩展的不确定性（k = 2）。

图6：不同浓度的PG：W 30：70基流体和α-SiC和β-SiC纳米流体的等压热容随温度的函数。误差条反映了扩展的不确定性（k = 2）。参考线来自宣和Roetzel的模型，cpnp=670J·kg−1·K−1，等式 16 (--)。

图7：在293.15 K下，Monf/Mobf，(a)和泵浦功率比，nf/bf，(b)作为纳米颗粒质量分数，ϕm的函数。

https://doi.org/10.1016/j.powtec.2023.119299

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