纳米颗粒热导率、尺寸及能带结构对纳米流体热介电性能的多维度影响机制研究

本研究针对传统有效介质理论(EMT)模型无法准确预测纳米流体热导率的难题，系统探究了Al2 O3 、TiO2 和SiO2 纳米颗粒的热导率(1.3-38.5 W/mK)、尺寸(10-30 nm)、能带结构(1.1-8.8 eV)等参数对矿物油基纳米流体热传递系数(HTC)、击穿电压(BDV)等性能的影响，发现SiO2 纳米流体展现最佳牛顿流体特性，为电力设备绝缘冷却系统提供重要理论依据。

　　

电力设备绝缘冷却系统正面临革命性变革。传统矿物油作为绝缘和冷却介质已难以满足现代电力设备对高效散热和绝缘性能的双重需求，而纳米流体的出现为解决这一矛盾提供了新思路。尽管前期研究表明纳米流体可同时提升热传递系数(HTC)和击穿电压(BDV)，但关于纳米颗粒特性如何影响这些性能仍存在三大认知空白：经典有效介质理论(EMT)模型无法解释纳米尺度下的异常热导率增强；纳米颗粒尺寸对性能的影响规律存在矛盾报道；能带结构(Band gap)和水分亲和性等本征特性与介电性能的关联机制尚不明确。

为系统解答这些问题，King Khalid University联合University Putra Malaysia的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表重要成果。研究选取热导率差异显著的Al₂
O₃
(38.5 W/mK)、TiO₂
(8.4 W/mK)和SiO₂
(1.3 W/mK)纳米颗粒，通过两步法制备浓度梯度(0.005-0.04 g/L)的矿物油基纳米流体，综合运用紫外-可见光谱(UV-Vis)、动态光散射(DLS)、流变仪等表征手段，首次揭示了多参数协同影响机制。

关键实验技术：采用两步法制备纳米流体；通过定制热对流装置测量不同功率下的HTC；依据IEC 60156标准测试AC BDV；宽频介电谱仪分析介电常数和损耗因子(tan δ)；UV-Vis监测分散稳定性；DLS测定粒径分布；旋转流变仪表征粘度-剪切应力关系。

热传递性能研究：实验打破EMT理论预测，发现热导率最高的Al₂
O₃
纳米流体HTC增幅(7.3%)反而低于SiO₂
(12.5%)，证实布朗运动和界面效应主导传热。尺寸效应呈现非线性特征：20 nm TiO₂
使BDV提升109.3%，而10 nm仅提高54.6%，这与传统"越小越好"的认知相悖。

介电性能解析：能带结构成为关键调控因子，宽禁带(8.8 eV)的SiO₂
使tan δ降低13.2%，而窄禁带(3.2 eV)的TiO₂
导致介电常数上升6.3%。水分亲和性测试显示，高亲水性Al₂
O₃
使BDV下降22%，而疏水改性SiO₂
保持稳定性。

流变特性突破：SiO₂
纳米流体展现完美牛顿流体行为，粘度-剪切速率线性关系斜率与基础油仅偏差1.8%，远优于Al₂
O₃
(非线性，偏差15.6%)，这解释了其在实际设备中的优异操作性。

结论与展望：该研究建立了纳米颗粒特性与流体性能的构效关系图谱：热导率影响HTC但非决定因素；10-20 nm存在最优尺寸窗口；宽禁带材料更利于绝缘性能；疏水改性可抑制水分劣化。特别重要的是，发现SiO₂
纳米流体兼具12.5%的HTC提升、13.2%的tan δ降低和牛顿流体特性，成为变压器冷却绝缘一体化方案的理想候选。研究为电力设备纳米流体设计提供了首个多参数优化框架，未来可拓展至酯类油等环保基液体系。

（注：全文严格依据原文事实撰写，未添加任何非文献内容；专业术语首次出现均标注英文缩写；纳米颗粒化学式保留原文下标格式；作者单位名称按约定处理）