含有Al?O?、CuO和石墨的水基三元混合纳米流体的分散稳定性：实验研究与RSM建模方法

《Next Research》：Dispersion stability of a water-based ternary hybrid nanofluid with Al 2O 3, CuO, and graphite: an experimental and RSM modeling approach

本研究制备了含Al?O?、CuO和石墨的三元混合纳米流体，通过超声时间（30-120min）、体积浓度（0.02-0.1vol%）和pH优化其分散稳定性。45min超声和0.04vol%浓度下稳定性最佳（11天），CTAB表面活性剂显著提升稳定性，FT-IR证实表面官能团变化是稳定机制，并采用响应面法建立三参数数学模型。

　　本研究探讨了超声处理时间、体积浓度、pH值以及表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对一种由Al?O?、CuO和石墨纳米颗粒组成的三元混合纳米流体在水中的分散稳定性的影响。通过两步法制备纳米流体样品，实验中采用了不同的超声处理时间（30、45、60、75、90、105和120分钟）以确定最佳的超声处理周期。实验结果显示，45分钟的超声处理时间能够实现最高的分散稳定性，这一结论通过沉降照片法得到了验证。在确定了最佳超声处理时间后，研究进一步考察了不同体积浓度（0.02、0.04、0.06、0.08和0.1体积百分比）对纳米流体稳定性的影响，其中0.04体积百分比的浓度表现出最长的稳定性（持续11天）。随后，研究引入了CTAB，这一已知能提升分散稳定性的表面活性剂，实验发现其显著增强了纳米流体的稳定性，突显了其在优化三元混合纳米流体稳定性方面的潜力。

在对纳米流体稳定性进行分析时，研究还利用了傅里叶变换红外光谱（FT-IR）技术，以揭示纳米流体中不同功能团的组成。实验结果显示，未添加表面活性剂的纳米流体中主要存在C–H伸缩振动（烷烃）和C–O伸缩振动（烷基芳基醚）两种功能团。当加入CTAB后，出现了额外的功能团C=C=C（累积烯烃），这被认为是纳米流体稳定性提升的关键因素。CTAB的存在不仅改变了纳米颗粒在基液中的表面性质，还通过分子间的相互作用增强了颗粒的分散效果，从而有效抑制了纳米颗粒的聚集和沉降现象。

为了更系统地分析超声处理时间、体积浓度和pH值这三个工艺参数对纳米流体稳定性的影响，研究采用了一种称为响应面法（RSM）的统计建模方法，其中使用了中心组合设计（CCD）来构建模型。该方法通过最小二乘法拟合模型，并结合方差分析（ANOVA）对变量参数与模型输出之间的关系进行了多重回归分析。整个建模过程验证了所构建的模型与实际数据之间的一致性，表明通过调整这些关键参数可以有效地优化纳米流体的稳定性。

纳米流体的稳定性对于其在热传递领域的应用至关重要。纳米颗粒在基液中的适当分散能够显著提高纳米流体的热流动性，从而增强其传热性能。然而，纳米颗粒的聚集会导致其沉降到设备底部，增加热阻，并在动态流动的流体中导致泵送功率需求上升。因此，确保纳米流体的稳定性不仅关系到其热性能，还直接影响其在实际应用中的可靠性和效率。为了评估纳米流体的稳定性，研究采用了一种简单且经济的方法——沉降照片法。该方法通过定期拍摄纳米流体的图像来观察纳米颗粒的沉降情况，若在长时间内未观察到明显的沉降现象，则认为该纳米流体具有良好的稳定性。此外，研究还提到了另一种常用的稳定性评估方法——Zeta电位测试，该测试通过测量纳米颗粒表面电荷的强度来判断其稳定性，Zeta电位值在±30至±60毫伏之间通常被认为具有良好的稳定性，而低于该范围的值则可能意味着稳定性较差。然而，需要注意的是，Zeta电位值与特定时间点之间的直接关联可能并不适用于所有纳米流体，因为其稳定性还受到配方、颗粒浓度以及环境条件等多种因素的影响。

为了提升纳米流体的稳定性，研究人员通常采用表面活性剂作为分散剂。这些表面活性剂能够降低基液的表面张力，从而减少纳米颗粒之间的聚集现象。然而，表面活性剂的使用需要谨慎，因为过量添加可能会对纳米流体的热物理特性产生不利影响，包括降低其化学稳定性和热传导能力。因此，研究中强调了在选择和使用表面活性剂时需要找到一个合适的平衡点。常见的表面活性剂包括十二烷基苯磺酸钠（SDBS）、阿拉伯胶（GA）、十二烷基硫酸钠（SDS）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）以及CTAB等。在本研究中，CTAB被选为分散剂，其在提升纳米流体稳定性方面的表现尤为突出。

相比于单一纳米流体，三元混合纳米流体在热传递特性和热物理及热力学参数方面展现出更大的潜力。例如，Hayat和Nadeem的研究表明，在存在热和热化学相互作用的情况下，三元混合纳米流体表现出比单一纳米流体更高的传热速率。此外，Sundar等人在综述文章中指出，三元混合纳米颗粒的制造、纳米流体的开发及其传热特性、热行为、摩擦系数以及用于预测努塞尔数和摩擦系数的相关公式已被广泛研究。三元混合纳米流体的主要目标是获得其组成材料的综合特性，由于这些材料的协同效应，三元混合纳米流体在许多情况下能够表现出比单一纳米流体或二元混合纳米流体更高的热传导能力。

本研究的实验对象是三种纳米颗粒——Al?O?、CuO和石墨——在水基介质中的三元混合纳米流体。选择这三种纳米颗粒的组合是基于它们在热传导、电导率以及流体行为方面的互补特性。Al?O?因其晶体结构和强原子键合特性而具有良好的热传导能力，CuO则因其高热扩散率和高效的传热性能而显著提升纳米流体的整体热性能，而石墨则因其优异的热和电导率以及层内电荷载体的高流动性，增强了纳米流体的电学特性。将这三种纳米颗粒组合在一起，不仅有可能实现纳米流体性能的协同增强，还能够有效解决纳米颗粒聚集和沉降等问题，从而提高其在热传递应用中的稳定性。

在实验过程中，研究采用两步法制备纳米流体样品。首先，将纳米颗粒以粉末形式直接分散在基液中，随后通过超声处理来进一步分散纳米颗粒。这一方法包括机械搅拌和超声处理两个阶段，其中机械搅拌用于初步分散纳米颗粒，而超声处理则用于打破纳米颗粒之间的聚集，使其均匀地分布在基液中。相比于一步法，两步法在大规模生产纳米流体时更为经济，因此在本研究中被采用。通过调整超声处理时间和功率，研究者能够控制纳米颗粒的分散效果，从而优化纳米流体的稳定性。

此外，研究还探讨了pH值对纳米流体稳定性的影响。pH值的变化可能会影响纳米颗粒表面电荷的分布，进而影响其在基液中的分散行为。通过调节pH值，研究者可以改变纳米颗粒之间的相互作用力，从而影响其聚集和沉降趋势。在本研究中，pH值被作为另一个关键参数纳入分析，以评估其对纳米流体稳定性的影响。通过系统地改变pH值并观察纳米颗粒的分散状态，研究者能够进一步优化纳米流体的稳定性，使其在不同环境条件下都能保持良好的性能。

综上所述，本研究通过实验和统计建模相结合的方法，深入探讨了超声处理时间、体积浓度和pH值对三元混合纳米流体稳定性的影响。实验结果表明，45分钟的超声处理时间和0.04体积百分比的浓度能够提供最佳的分散稳定性。CTAB的引入进一步提升了纳米流体的稳定性，显示出其在优化三元混合纳米流体性能方面的潜力。通过FT-IR分析，研究者识别了CTAB对纳米流体稳定性提升的关键作用，即通过引入新的功能团C=C=C（累积烯烃）来增强纳米颗粒之间的相互作用，从而防止其聚集和沉降。这些发现不仅为三元混合纳米流体的制备和优化提供了理论依据，还为未来在热传递领域的应用奠定了基础。