通过在Al?O?纳米颗粒上进行多尺度表面接枝HDTMS，显著提升了基于油的纳米流体的稳定性和热性能

《Surfaces and Interfaces》：Synergistically Enhanced Stability and Thermal Properties of Oil-based Nanofluids through Multi-scale Surface Grafting of HDTMS on Al?O? Nanoparticles

本研究通过化学接枝六甲基四硅烷（HDTMS）修饰纳米Al?O?颗粒，制备油基浸没复合纳米流体，系统评估其悬浮稳定性和热物性，并运用分子动力学模拟揭示纳米颗粒与矿物油界面作用机制。结果表明：HDTMS接枝成功引入长链烷基基团，使颗粒表面疏油性增强，0.4 wt%改性纳米流体30天后透光率达59.89%。分子动力学模拟显示接枝层显著降低纳米颗粒相互作用能（增加51.92%），抑制团聚效应，使径向分布函数第二峰降低至26.27，证实空间位阻效应有效提升稳定性。该成果首次将HDTMS改性纳米Al?O?应用于电池浸没冷却系统，为开发兼具高热导率、长期稳定性和电绝缘性的冷却介质提供技术支撑。

　　在当今全球能源转型加速以及国际社会应对气候变化的背景下，可再生能源的规模正在不断扩大。然而，风能、太阳能等新型能源在发电和并网过程中仍面临发电间歇性和不稳定性等关键挑战，这在一定程度上限制了其广泛应用。为了解决这一问题，配置储能系统以促进新能源的消纳成为推动新能源行业可持续发展的关键。在众多储能技术中，电化学储能因其高能量密度和长使用寿命，被认为是长期储能应用的潜在解决方案之一。然而，现有电化学储能系统中的电池在运行过程中会产生大量热量，导致系统温度上升，进而影响电池的性能、寿命和安全性。因此，开发一种具有优异散热性能的电池热管理系统（BTMS），能够及时散发运行过程中产生的热量，优化温度分布，营造良好的工作环境，对于延长电池储能技术的使用寿命具有重要意义。

目前，传统的电池热管理方法主要包括空气冷却、液体冷却以及相变材料冷却。其中，液体冷却技术因其优异的导热性和良好的热交换效率而受到广泛关注。液体冷却可以进一步分为间接液体冷却和直接液体冷却。直接液体冷却，也被称为浸没冷却，通过使冷却剂直接与热源接触，增加了传热面积，从而显著降低了接触热阻，提高了传热效率。因此，浸没冷却技术被认为是电化学储能系统中一种有效的热管理解决方案。

在浸没式电池热管理系统中，冷却剂的性能对于系统的冷却效率起着决定性作用。为了提高浸没式BTMS的传热性能，学者们进行了大量关于冷却剂选择的研究。这些研究主要集中在硅油、矿物油、氟化液以及植物油等冷却介质上。然而，各种冷却剂都存在各自的局限性。例如，硅油虽然具有良好的绝缘性能，但其较高的粘度会增加系统的流动阻力和能耗。氟化液虽然具有优异的传热系数，但因其较高的制备成本和较差的生物降解性，难以大规模应用。植物油虽然环保，但其化学稳定性较差，在长期使用过程中容易发生氧化劣化，影响系统可靠性。相比之下，矿物油因其良好的流动性、优异的电气绝缘性和化学稳定性，已成为浸没冷却技术中的首选冷却剂。然而，在高强度电池放电过程中，矿物油的散热能力仍然不足以满足高温环境下的需求。因此，对矿物油进行改性与优化，以提升其在浸没冷却系统中的传热效率，成为一项亟待解决的任务。

改性冷却剂的目的是调整其关键物理性能，以满足浸没冷却的需求。将纳米颗粒引入冷却剂中制备纳米流体被认为是一种有效的策略。由于纳米颗粒具有较高的比表面积以及与基础流体的协同效应，它们能够显著提升传热性能。因此，纳米流体在基于浸没冷却的电池热管理中展现出广阔的应用前景。

然而，纳米流体在实际应用中面临显著的稳定性挑战。大量研究表明，纳米流体的稳定性不足限制了其广泛应用。例如，Aguilar等人发现，二氧化钛纳米流体虽然具有较高的传热系数，但其稳定性较为一般。Jung等人利用氧化铝-去离子水纳米流体提高了能量转换效率，但其长期稳定性仍然有限。Joshi等人合成的多种制冷剂纳米流体实现了高达57%的传热性能提升，但其稳定性仅维持了48小时。因此，稳定性的不足成为纳米流体在应用中的主要障碍，不仅影响其传热性能的持续性，还可能导致设备故障和系统运行安全隐患。

为了解决这些问题，许多研究尝试采用不同的改性策略。物理方法虽然能够提供一定程度的改性效果，但其改进幅度有限，难以满足长期稳定的性能需求。相比之下，化学表面改性通过在纳米颗粒表面接枝长链有机碳链，能够有效提升纳米颗粒的亲脂性，从而改善其在基础流体中的分散性和稳定性。例如，Fan等人使用HDTMS对氧化锌进行改性，成功制备出具有超过98%油水分离效率的超疏水材料。接枝的烷基链不仅提供了空间位阻效应，还通过强化学键增强了材料的稳定性。Zhang等人则通过HDTMS对还原氧化石墨烯进行改性，将其涂覆在尿素海绵上，制备出具有超亲脂性能的材料，通过对抗范德华力有效抑制了纳米颗粒的聚集现象。尽管这些研究在一定程度上推进了对纳米流体宏观传热性能的理解，但对于其稳定性和传热行为的微观机制仍缺乏深入探讨。这种缺乏机理研究的现状阻碍了对具有长期可靠性的纳米流体的合理设计，尤其是在对性能要求较高的浸没冷却应用中。

基于此，本研究提出了一种新型的冷却剂，通过化学接枝方法对纳米氧化铝颗粒进行表面改性，使用HDTMS作为改性剂，成功制备出具有优异传热性能的矿物油基纳米流体。改性后的纳米颗粒具有更高的亲脂性，能够更均匀地分散在矿物油中，从而显著提升了纳米流体的悬浮稳定性。实验结果表明，0.4 wt%的HDTMS改性纳米流体（HT-O）在静态沉降30天后仍能保持59.89%的透光率，显示出良好的长期稳定性。在微观层面，通过分子动力学模拟分析发现，HDTMS-Al?O?与矿物油EC-160之间的相互作用能显著增加，特别是在343 K时提高了51.92%。同时，径向分布函数中的次峰明显降低至26.27，并且波动趋于稳定，这表明接枝层有效抑制了纳米颗粒的聚集，促进了其在矿物油中的均匀分散。这些结果揭示了HDTMS改性在提升纳米流体稳定性方面的关键作用。

本研究首次将HDTMS改性的氧化铝纳米流体应用于浸没式电池热管理。通过系统评估HDTMS对纳米流体悬浮稳定性的提升效果，并结合对热物性参数的全面分析，为开发兼具高导热性、长期稳定性和良好绝缘性能的浸没冷却介质提供了重要的技术参考。此外，分子动力学模拟的应用使得研究能够揭示纳米流体稳定性增强的内在分子机制，为未来纳米流体的设计与优化提供了理论依据。

在实验材料的选择上，本研究采用了具有优良特性的纳米氧化铝颗粒。与二氧化钛、二氧化硅等其他纳米颗粒相比，氧化铝在高温耐受性、化学稳定性和介电性能方面表现出显著优势。本实验所使用的氧化铝颗粒粒径为20 nm，经过表面改性处理后，能够更好地适应矿物油基纳米流体的制备需求。实验过程中所用的试剂和材料详见表1，其中矿物油作为基础液，为纳米流体的制备提供了稳定的介质环境。

为了深入研究HDTMS改性对纳米颗粒结构和形态的影响，本研究进行了系统的结构与形貌分析。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，可以观察到HDTMS在纳米氧化铝表面的接枝效果。如图7(a)所示，FTIR光谱中在2865.70 cm?1和2946.70 cm?1处出现了显著的吸收峰，这些峰主要来源于HDTMS接枝后引入的-CH?和-CH?基团的C-H伸缩振动。HDTMS分子中的长链烷基基团能够显著改变纳米颗粒的表面特性，使其更倾向于与矿物油相容，从而提升其在基础液中的分散性。这种改性策略不仅改善了纳米颗粒的表面能，还增强了其与矿物油之间的相互作用，为纳米流体的稳定性提供了分子层面的保障。

在方法论方面，本研究采用了一系列实验仪器和分析手段，以确保实验数据的准确性和可靠性。实验过程中使用了恒温加热磁力搅拌器（DF-101S型）、电子分析天平（DAUY220型）、超声波清洗机（KQ-500VDV型）以及高速离心机（TD4A型）等设备。这些仪器在纳米颗粒的分散、改性以及纳米流体的制备过程中发挥了重要作用。此外，为了进一步验证纳米颗粒的化学结构和表面功能团的变化，本研究还使用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术进行表征。这些分析手段为研究纳米流体的稳定性提供了重要的理论依据和实验支持。

本研究在探索纳米流体稳定性的同时，也关注其热物性参数的变化。通过系统测量和分析，可以评估HDTMS改性对纳米流体的粘度、比热容和导热系数等关键性能的影响。结果显示，改性后的纳米流体在保持良好导热性能的同时，其粘度和比热容等参数也得到了优化。这表明，HDTMS改性不仅提升了纳米流体的稳定性，还对其热传导能力起到了积极的促进作用。这种综合性的性能提升，使得HDTMS-Al?O?矿物油基纳米流体在浸没冷却应用中展现出更高的应用潜力。

综上所述，本研究通过HDTMS对纳米氧化铝颗粒进行表面改性，成功制备出一种具有优异悬浮稳定性和热物性性能的矿物油基纳米流体。实验结果表明，HDTMS的引入显著增强了纳米颗粒的亲脂性，从而有效抑制了其在矿物油中的聚集现象，提升了流体的均匀性和稳定性。同时，通过分子动力学模拟揭示了HDTMS接枝层在纳米流体稳定性提升中的关键作用，为未来纳米流体的开发和应用提供了理论支持和技术参考。此外，本研究还强调了对纳米流体稳定性进行深入研究的重要性，特别是在对性能要求较高的浸没冷却应用中，稳定性不仅影响传热效率，还关系到系统的长期可靠性和安全性。

在未来的应用中，HDTMS-Al?O?矿物油基纳米流体有望成为一种新型的浸没冷却介质，为电池热管理提供更加高效和稳定的技术方案。同时，本研究的方法论也为其他纳米流体的开发提供了借鉴，特别是在如何通过化学改性提升纳米颗粒与基础液之间的相容性和稳定性方面。通过进一步优化改性策略和深入研究分子机制，有望开发出更加适用于不同应用场景的纳米流体，推动其在能源、电子、航空航天等领域的广泛应用。