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邹小(xiao)姐：13326633089 -
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在过去(qu)的(de)几(ji)十年中，对于纳米科学发展十分迅速，因此研究人员(yuan)开始探索如何将纳米(mi)材(cai)料技(ji)术应用于强(qiang)化传热领(ling)域。1995年时，美国Argonne 国家实验室Choi首次提出了“纳米流(liu)体(ti)”概念，从(cong)此(ci)将纳(na)米技术与热(re)能工程这一传统(tong)领域(yu)创新性地结合了起(qi)来(lai)。
纳米(mi)流(liu)体(ti)是(shi)通过在(zai)传统的液体(ti)中添加一(yi)定量(liang)的纳米(mi)粒子（尺寸在(zai)1-100nm），从而制备的均匀、稳定的新的传热介质。它与传统的传热流体相比，可有(you)效提高热系统的传热性能，满足一(yi)些特殊条件(jian)（微(wei)尺度(du)条件(jian)）下的强化(hua)传热要求，因此被认(ren)为是(shi)一(yi)种新型的传热流体。
不过纳(na)米(mi)流体的潜力并(bing)不止(zhi)于此，在(zai)作为(wei)热(re)(re)源与冷却设备之间(jian)的桥梁用(yong)于(yu)热(re)(re)交换(huan)系(xi)统(tong)后，逐渐(jian)又扩展(zhan)到了摩擦学(xue)、太(tai)阳能(neng)集热(re)器和生物医(yi)学(xue)等(deng)领(ling)域。在(zai)过去(qu)的(de)十年(nian)中，有(you)关纳(na)米(mi)流(liu)体(ti)的(de)研(yan)究引(yin)起的(de)国内(nei)外研(yan)究者(zhe)的(de)兴趣(qu)并成为了关注(zhu)的(de)热(re)点之一。
纳(na)米流体的组成(cheng)
纳(na)米流(liu)(liu)体(ti)一(yi)般(ban)(ban)由固体(ti)颗粒及基液(ye)组成。所使用的基液(ye)一(yi)般(ban)(ban)是导电(dian)流(liu)(liu)体(ti)，如乙二(er)醇或水(shui)；另(ling)外(wai)润滑剂(ji)、油、生(sheng)物(wu)流(liu)(liu)体(ti)及聚(ju)合物(wu)溶液(ye)也被用于制备纳(na)米流(liu)(liu)体(ti)。可选择的纳(na)米颗粒则包含化学稳定的金属(shu)（Cu、Au、Al和 Fe）、金属氧化物（TiO2、Al2O3、CuO、SiO2、Fe3O4和 ZrO2）、非金属(shu)（氮(dan)化(hua)硼、单壁和(he)多壁碳纳(na)米管、石墨烯(xi)和(he)石墨）、金属(shu)氮(dan)化(hua)物（AIN、BN、Si3N4）、金属碳化物（SiC）。
由(you)于纳(na)米流体的(de)稳(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)是(shi)其广泛应(ying)用的(de)关(guan)键性(xing)(xing)(xing)(xing)瓶(ping)颈。随着使用时间的(de)增长(zhang)，纳(na)米流体的(de)不(bu)稳(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)(xing)将(jiang)会(hui)导致系统性(xing)(xing)(xing)(xing)能严重(zhong)下降，因此(ci)提高(gao)纳(na)米流体(ti)的(de)长期稳定性(xing)及(ji)其(qi)可重复使用性(xing)是在工业领域大规(gui)模(mo)应用的基本(ben)要求。
纳米颗粒在流体(ti)中的聚集状(zhuang)态(tai)
而二维纳(na)米(mi)片(pian)由(you)于(yu)具有较(jiao)大的比表面积和较(jiao)高(gao)的化学稳(wen)定性，在防止(zhi)纳(na)米(mi)颗(ke)粒(li)聚集方面起到关(guan)键作用，因此，由纳米片材(cai)料(liao)支撑的(de)纳米颗粒往(wang)往(wang)比单独使(shi)用的(de)纳米颗粒表现出更加优越的(de)性能。于是具有(you)片状(zhuang)结(jie)构的氮化硼突然受到了研究(jiu)该领域的科学(xue)家的青睐，开始(shi)对其展(zhan)开大量研究(jiu)。
氮化硼的优(you)势
六(liu)方氮化硼（h-BN）是一种类似于石墨的等电性材料，具有与石墨类似的片层结构，被称为白石墨，具有独特的结构、优异的机械强度、较高的热稳定性、抗氧化性和化学惰性，是一种很有应用前景的材料。若将h-BN片层结构剥离开得到厚度为几个纳米的片状h-BN，则能成为氮化硼纳米片（BNNS），是另一种二维纳米材料。
为了使片(pian)状h-BN在基液中具有更好的分散性能，对其功能化进行了大量研究。Zhi等人通过超声离心法，利用N，N-二甲基甲酰胺等有机溶剂和官能团之间的极性相互作用来剥离h-BN纳米片。Lie等人报道h-BN可以在路易斯酸碱作用下通过球磨被长烷基链胺功能化使得表面缺陷的数量增加，也研究了通过边缘功能化直接实现h-BN纳米片的水分散。
不过，氮化硼最为突出(chu)(chu)的，还是它(ta)用于(yu)纳米流体(ti)后表现出(chu)(chu)的应用优势。具体(ti)如下(xia)：
①改善摩擦(ca)学性能
摩擦(ca)几乎存在于所有运动的系统中（钻孔(kong)、切(qie)(qie)削、切(qie)(qie)割、加(jia)工和(he)成型等），过(guo)高的摩擦(ca)会造(zao)成能量(liang)损(sun)失、机械故障和(he)工作效率低等。为了最大(da)限(xian)度(du)地减少摩擦(ca)带来的不利影(ying)响，通常会使用固(gu)体(ti)或液(ye)体(ti)润滑剂，一般以后者作(zuo)为消(xiao)除摩(mo)擦的首(shou)选。
随着纳(na)米科学技术的迅(xun)速发展，一大批二维(wei)材料(liao)的发现(xian)彻(che)底改变(bian)了(le)摩擦学领(ling)域，将这些(xie)材料(liao)添加(jia)到(dao)传统润滑剂(ji)中不(bu)仅可(ke)(ke)以(yi)有效降(jiang)低了(le)磨损和摩擦系数，同时又可(ke)(ke)以(yi)提高其承载能力。Han.W等(deng)采用(yong)四球摩擦实验评估(gu)了BN纳米粒(li)子(zi)（~20 nm）对液体(ti)石(shi)蜡(la)的(de)(de)(de)摩擦学(xue)行(xing)(xing)为(wei)的(de)(de)(de)影响。试验结果表明，BN纳米粒(li)子(zi)不仅降低了液体(ti)石(shi)蜡(la)的(de)(de)(de)摩擦系(xi)数，而且还可以(yi)提高其(qi)耐磨性(xing)。Lee等(deng)人报道(dao)当(dang)直(zhi)径为(wei)300 nm和厚度为(wei)30 nm的(de)(de)(de)BNNSs加入到水(shui)中可以(yi)明显的(de)(de)(de)改善(shan)水(shui)的(de)(de)(de)摩擦学(xue)性(xing)能，30天的(de)(de)(de)静置沉降之(zhi)后(hou)，发现纳米流(liu)体(ti)的(de)(de)(de)摩擦学(xue)行(xing)(xing)为(wei)几平没有(you)变化，说明所(suo)制备的(de)(de)(de)纳米流(liu)体(ti)具(ju)有(you)很(hen)好的(de)(de)(de)可靠(kao)性(xing)。
②改善传(chuan)热(re)性(xing)能
在电(dian)子电(dian)气行业，如何提高设备(bei)的热管理能(neng)力是(shi)一个很重要的课题。目前许(xu)多(duo)电(dian)子产品和机械设备(bei)都(dou)会使用(yong)空气冷却(que)来消除废热。但(dan)空气的热导率系数极(ji)低，限制了散热设备(bei)的设备(bei)的散热效率，而液(ye)态冷却由于散热效(xiao)率高(gao)(gao)、运行过程(cheng)安(an)静(jing)等优点可以有效(xiao)解决电气电子行业较高(gao)(gao)热流密度下的(de)散热问(wen)题。
一些相(xiang)关(guan)报道表明，高导热(re)BN纳米粒子的引入可以有效的提高传统流体散热效率(lv)。Ertürk课题组报道当在水中添加BN的量为0.1
vol%、0.5vol%和1vol%时，水的传热效率分别提高了约7%、10%和15%。Das等人报道在BN的浓度为0.10
vol%时，水的导热系数增加了16.08%。Yu等人采用溶剂剥离法将微米级BNNNSs均匀的在水中，当水中BNNSs的含量为24
vol%时，所制备的BN/水纳米流体的热导率高达2.39 W/mK，对应导热率增强约为298%。
③增强(qiang)光热转换(huan)效率(lv)
利(li)用(yong)太(tai)阳辐射对(dui)水(shui)(shui)进行(xing)加热是利(li)用(yong)太(tai)阳能(neng)(neng)进行(xing)的(de)许(xu)多(duo)有(you)益的(de)工(gong)作(zuo)之一。太(tai)阳能(neng)(neng)的(de)有(you)效利(li)用(yong)可以降低甚(shen)至取代通过化(hua)石燃料(liao)燃烧为(wei)设备提供(gong)所(suo)需的(de)热水(shui)(shui)的(de)传统方式。集(ji)热器是太(tai)阳能(neng)(neng)热水(shui)(shui)系统的(de)关键部件，它可以收集(ji)清洁的(de)太(tai)阳能(neng)(neng)并转化(hua)为(wei)热能(neng)(neng)用(yong)于水(shui)(shui)的(de)加热。通过集(ji)热器增加传热的(de)方法可分为(wei)两类：被(bei)动法(fa)和主动法(fa)。与主动法(fa)相比，被(bei)动法(fa)不需要外力的作(zuo)用。利用(yong)纳米流体(ti)(ti)作为(wei)直接收(shou)吸太阳能集(ji)热器(qi)中的传(chuan)热介(jie)质(zhi)是一种提高传(chuan)热的被动(dong)方法。
太阳能集热器(qi)
许(xu)多研究报告已经证(zheng)明，BN纳米材料(liao)加入(ru)到水中不仅可以保持(chi)长期稳定性，而且还表现出了显(xian)著的(de)热导率(lv)增强。这(zhei)些结(jie)果表明，BN/水纳米流非常适合用作太阳能集热器中的传热介质。Chatur和Nitnaware等人对纯水和BN/水纳米流体在太阳能热水器中的性能进行了比较，与纯水相比，在水中加入3 wt%的BN后，平板太阳能集热器的效率得到了明显的提高。
④提高载药能力(li)
碳(tan)纳米材(cai)(cai)料(liao)在生(sheng)物传感(gan)、医学(xue)成像和(he)癌细(xi)胞靶(ba)向治(zhi)疗等(deng)医学(xue)领(ling)域(yu)中(zhong)已经得到了广泛(fan)研究，但(dan)是碳(tan)纳米材(cai)(cai)料(liao)具(ju)有一定(ding)的(de)细(xi)胞毒性限(xian)制(zhi)了其在临(lin)床(chuang)中(zhong)的(de)应用，因此开(kai)发(fa)碳(tan)材(cai)(cai)料(liao)的(de)代替物是非常有意义的(de)。而(er)BN作为碳(tan)纳(na)米(mi)材料的结构类似物，其(qi)性能(neng)与碳(tan)材料相(xiang)匹配(pei)，低的细胞毒(du)性、优(you)异的化(hua)学(xue)稳(wen)(wen)定性和高的热稳(wen)(wen)定性使(shi)其(qi)在医(yi)学领域具有强竞争优势。
Chen等人(ren)研究了BNINTs与(yu)肾细胞(bao)的(de)(de)(de)相容性(xing)。将未经任(ren)何处理的(de)(de)(de)BNNTs纳米(mi)流体（浓度为100 mg/mL）加入到肾细胞(bao)进行了测(ce)试，结(jie)果显示(shi)BNNTs没有任(ren)何的(de)(de)(de)细胞(bao)毒性(xing)。Zhang和(he)Golberg等人(ren)证明(ming)具有可(ke)控(kong)硼释(shi)放的(de)(de)(de)BN纳米(mi)流体可(ke)以(yi)(yi)使(shi)前(qian)(qian)列腺(xian)(xian)癌(ai)细胞(bao)凋亡。Weng等人(ren)开发了一种简单(dan)的(de)(de)(de)方法直接合成(cheng)了具有高(gao)水溶(rong)性(xing)的(de)(de)(de)BN材料(liao)，该BN材料(liao)展示(shi)很好的(de)(de)(de)生(sheng)物(wu)(wu)相容性(xing)并(bing)可(ke)以(yi)(yi)负载比自(zi)身重(zhong)量高(gao)三倍的(de)(de)(de)抗癌(ai)药(yao)(yao)物(wu)(wu)。与(yu)游离(li)药(yao)(yao)物(wu)(wu)相比，药(yao)(yao)物(wu)(wu)负载到BN载体上(shang)可(ke)以(yi)(yi)更好的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)降(jiang)低前(qian)(qian)列腺(xian)(xian)淋巴癌(ai)细胞(bao)活性(xing)。这些结(jie)果表明(ming)BN纳米(mi)流体在(zai)药(yao)(yao)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)装载、运输和(he)释(shi)放等领域有巨大的(de)(de)(de)潜力(li)。
结(jie)语
不过需要注意的是(shi)，虽然较低浓(nong)度的(de)BN已被证实可以在水中长期均匀分散，但高浓度BN材料能否在不同的流体介质中有效地分散稳定，才是决定氮化硼复合纳米流体能否规模化应用的关键所在，因此这方面还需要对新工艺投入更多研究才行。
资料来源(yuan)：
基于导热氮化硼的纳米流体(ti)和相变的纳米流体(ti)和相变储热材料制备及性质研究，韩维坊
氮化硼(peng)复合纳米流(liu)体(ti)制备及其光热(re)性能研究，于晓涵。
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