不锈钢表面原位生长碳纳米管“纳米鳍”实现803%传热效率提升

本刊推荐：为解决传统不锈钢(SS 304)圆柱体传热效率有限的问题，研究人员开展了在不锈钢圆柱体表面直接生长多壁碳纳米管(MWCNTs)的研究。通过盐酸(HCl)蚀刻(5-8分钟)与热化学气相沉积(CVD)相结合的方法，成功在不添加外部催化剂条件下制备出均匀致密的碳纳米管涂层。静态水冷却测试表明，该“纳米鳍”结构可使传热速率提升高达803%，为高效换热器、散热系统等热管理技术提供了新思路。

　　

在能源日益紧张的今天，高效的热管理技术如同寻找一把开启节能之门的钥匙。无论是数据中心服务器的散热，还是新能源汽车电池的热控制，亦或是工业反应器的温度调控，如何快速、高效地转移热量都是一个核心挑战。传统的金属散热材料，如不锈钢(Stainless Steel, SS)，虽然机械强度高、耐腐蚀，但其热导率相对有限，这在一定程度上限制了其在高效热交换场景下的应用。科学家们将目光投向了纳米材料领域的明星——碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)。碳纳米管具有极高的热导率，理论上可达钢的数十倍，被誉为“终极热导体”。想象一下，如果能在不锈钢表面“种植”一层碳纳米管，形成亿万个微小的“纳米鳍”(nano-fins)，无疑将极大增加散热面积，从而成倍提升传热效率。这听起来很美妙，但实现起来却面临一个关键难题：如何将碳纳米管牢固、均匀地生长在复杂形状的金属基底上，特别是像圆柱体这样的三维结构？以往的研究多集中于平面基底，或者需要额外添加催化剂层，工艺复杂且可能影响界面热阻。

针对这一挑战，发表在《Carbon Resources Conversion》上的这项研究为我们带来了突破性的解决方案。研究人员独辟蹊径，探索在不锈钢304(SS 304)圆柱体表面直接生长多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs)的方法，并且无需添加外部催化剂，旨在为圆柱形几何构件（如管道、储罐）开发一种高效、简单的增强传热技术。

为了达成研究目标，研究人员巧妙地运用了几个关键技术方法。首先是基底预处理与催化位点原位生成：研究采用盐酸(HCl)蚀刻不锈钢圆柱体表面，随后进行高温热处理（850°C）。这一关键步骤旨在利用不锈钢自身含有的铁(Fe)等元素，通过酸蚀和退火在表面形成纳米尺度的活性催化位点，为后续碳纳米管生长奠定基础。其次是热化学气相沉积(Thermal Chemical Vapor Deposition, CVD)：在定制化的石英管式炉中，以乙炔(C₂H₂)作为碳源，氮气(N₂)作为载气和保护气，在特定温度程序（如700°C下引入乙炔）下，促使碳原子在预先形成的催化位点上组装生长成碳纳米管。研究人员系统考察了盐酸蚀刻时间（0, 2, 5, 8, 10, 12分钟）对碳纳米管生长形貌和覆盖度的影响。第三是性能验证：研究设计了一套概念验证性的静态水冷却测试装置，将热水（约70°C）注入碳纳米管包覆的及普通的不锈钢管中，通过监测水温随时间的变化，定性并定量地比较两者的冷却性能。此外，研究还利用场发射扫描电子显微镜(Field-Emission Scanning Electron Microscopy, FE-SEM)对生长出的碳纳米管的形貌、尺寸和分布进行了细致的表征。

研究结果

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  碳纳米管生长与形貌表征：FE-SEM结果显示，盐酸蚀刻时间对碳纳米管生长至关重要。未蚀刻（0分钟）的样品表面没有碳纳米管生长。蚀刻2分钟的样品表面仅有零星、不完整的碳纳米管覆盖，碳纳米管直径约40-65纳米。当蚀刻时间达到5分钟和8分钟时，获得了致密、均匀且完全覆盖的随机取向多壁碳纳米管森林，直径分别在35-65纳米和25-65纳米之间，形貌理想。蚀刻时间进一步增加至10分钟和12分钟时，出现了致密的碳纳米管束和少量无定形碳，甚至出现了二次碳纳米管束，均匀性有所下降。这表明5分钟和8分钟是优化碳纳米管生长的关键蚀刻时长。
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  水冷却测试性能：静态水冷却测试直观地证明了碳纳米管涂层的增强散热效果。在所有测试的不锈钢管尺寸（如1英寸OD/0.035英寸壁厚，0.5英寸OD/0.035英寸壁厚，0.5英寸OD/0.02英寸壁厚）下，覆盖有碳纳米管（5分钟或8分钟蚀刻）的管子，其内部热水的冷却速度均显著快于普通不锈钢管（对照组）。温度-时间曲线显示，碳纳米管涂层管的降温曲线始终位于对照组下方。通过计算对照组与碳纳米管涂层管在同一时刻的温度差(ΔT)，发现该差值随时间的推移先增大后减小，存在一个最大值。例如，对于0.5英寸OD/0.035英寸壁厚的管子，8分钟蚀刻样品产生的最大ΔT可达3.9-4.1°C，且达到峰值的时间更短（4.5分钟），表明散热效率更高。管径和壁厚对冷却动力学有影响，较小管径和较薄壁厚通常导致更快的冷却过程。
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  传热速率计算与分析：基于空心圆筒导热模型，研究人员估算了传热速率(q)。计算时，对于普通不锈钢管，采用了不锈钢304在20°C的热导率（14.3 W/m·K）；对于碳纳米管涂层管，则使用不锈钢热导率与文献报道的CVD生长碳纳米管膜热导率（244 W/m·K）的平均值（129.15 W/m·K）作为有效热导率进行估算。结果显示，在所有测试案例中，碳纳米管涂层管的传热速率曲线始终远高于对照组，遵循指数衰减规律。尤为引人注目的是，在实验初始时刻(t=0)，碳纳米管涂层管的传热速率相比普通不锈钢管均显示出高达803%的提升。即使在冷却20分钟后，传热速率的提升幅度依然显著，根据管子尺寸不同，保持在533%至708%之间。这强有力地证实了碳纳米管作为“纳米鳍”极大地增强了热传导过程。

结论与意义

本研究成功证实了通过简单的盐酸蚀刻结合热CVD法，能够在不锈钢304圆柱体表面直接、均匀地生长出高质量的多壁碳纳米管，且无需外部催化剂。优化的蚀刻条件（5-8分钟）是实现完整、均匀碳纳米管覆盖的关键。概念验证性的冷却测试和理论计算均一致表明，这种碳纳米管涂层能显著提升不锈钢圆柱构件的传热性能，初始传热速率提升可达803%。

这项工作的重要意义在于：首先，它将碳纳米管合成技术成功拓展至圆柱形几何基底，这对于许多实际应用（如管道传热、管式反应器、储罐散热）至关重要。其次，所采用的无外部催化剂的原位生长策略简化了工艺流程，并有望改善碳纳米管与基底之间的界面接触，从而有利于热传导。第三，研究结果展示了碳纳米管在增强传热方面的巨大潜力，为开发新一代高效、紧凑的热交换器、散热系统和静态冷却装置提供了新的思路和实验依据。这项概念验证研究为后续更深入的探索铺平了道路，例如评估碳纳米管涂层在流动体系、长期热循环以及更苛刻工况下的耐久性和性能，以及精确测量碳纳米管层本身的热导率和界面热阻。总之，该研究为将纳米材料的优异特性应用于宏观工程构件，以解决实际热管理挑战，迈出了坚实而富有前景的一步。