摘要
单层石墨烯（GNP）的导热系数高达5300W/mK具有良好的热物理特性，但诸多研究发现石墨烯具有稳定的苯六元环结构，疏水性强，分散在去离子水中容易发生聚沉现象。所以，本文对石墨烯进行改性处理，在不对其热物性产生较大消极影响的前提下改善石墨烯的疏水性与沉积特性，强化沸腾换热。 本研究制备了改性石墨烯纳米流体，并设计搭建了带冷凝回流的池沸腾换热装置进行实验，基于此，本文具体开展了如下几方面的研究工作： 首先，制备了杂化纳米颗粒。对石墨烯纳米片进行了酸处理与金属离子修饰过程，制备出石墨烯（GNP）-银（Ag）杂化纳米颗粒与石墨烯（GNP）-四氧化三铁（Fe3O4）杂化纳米颗粒，并对纳米颗粒进行了表征测试。结果证明，杂化材料具有良好的纯度，且石墨烯与金属离子结合紧密，有效避免在沸腾过程中分离。 然后，将去离子水在光滑表面上的换热曲线与Rohsenow关联曲线进行比较，结果发现，二者走势非常接近，说明实验装置具有可靠性。 再次，研究质量分数为0.001%、0.002%、0.003%的石墨烯纳米流体、石墨烯/银混合纳米流体和石墨烯-银杂化纳米流体的沸腾换热特性。实验结果表明，质量分数为0.001%的石墨烯-银杂化纳米流体换热特性最佳，临界热流密度为170.74W/cm2，相对于去离子水提升了55.09%。沸腾机理研究过程中，通过扫描电镜图象分析加热表面微观结构生长行为，结果表明，杂化纳米颗粒沉积形成的自组装形貌比其他颗粒更为复杂。并且，在颗粒内部含氧官能团的协同作用下，增强了工质的横向传热，促进汽泡分离。通过测量纳米流体接触角，分析其湿润性特征，结果发现杂化纳米流体具有更强的亲水性，改善了加热表面供液机制，有利于提升临界热流密度。通过高速摄影仪录像资料分析纳米流体汽泡生成特性，发现杂化纳米流体汽泡脱离直径小，生成周期短。上述测试结果证明共价改性杂化纳米流体具有良好的换热特性。 之后，研究了不同纳米颗粒制备的沉积加热涂层对沸腾换热的影响。本文以质量分数为0.001%、0.002%、0.003%的石墨烯纳米流体、石墨烯/银混合纳米流体和石墨烯-银杂化纳米流体为原料，通过沸腾沉积法制备加热涂层。研究去离子水在光滑铜面和沉积加热涂层上的沸腾换热特性，重点分析了石墨烯/银混合纳米颗粒涂层与银修饰功能化石墨烯新型纳米颗粒涂层强化沸腾换热的机理。结果表明，石墨烯-银杂化纳米颗粒涂层具有最突出的强化换热效果，去离子水在该沉积涂层上达到最高的临界热流密度163.65W/cm2与换热系数9.69W/cm2K，分别比光滑铜面提升45.84%、82.14%。通过测量去离子水在沉积涂层上的接触角进行湿润性分析；根据扫描电镜图象得到沉 积表面微观形貌，发现功能化石墨烯经过银修饰后，其颗粒的沉积方式与沉积结构发生了较大的变化，杂化纳米颗粒形成大量的凸起和空腔，凸起结构呈簇状堆积，并形成自组装花状隆起。根据沉积加热涂层的能谱测试结果，研究纳米颗粒中不同元素的沉积规律。综合所有测试发现，加热涂层在纳米粒子官能团、涂层微观结构和湿润性等因素共同作用下强化了池沸腾传热。 最后，研究了不同金属元素修饰石墨烯对沸腾换热的影响。本文对比了相同质量分数下石墨烯-银杂化纳米流体和石墨烯-四氧化三铁杂化纳米流体的沸腾换热特性，并根据加热表面微观形貌、宏观形貌和湿润性进行沸腾换热的机理分析。结果发现低质量分数（wt%=0.001）时石墨烯-银杂化纳米流体换热强度高于石墨烯-四氧化三铁杂化纳米流体；随着质量分数的提升石墨烯-银杂化纳米流体换热强度降低，但其临界热流密度值与石墨烯-四氧化三铁杂化纳米流体接近，在低过热度时石墨烯-银杂化纳米流体具有较好的换热效果，随着过热度进一步提升，换热强度低于石墨烯-四氧化三铁杂化纳米流体。
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