丁香功能化石墨烯纳米片/Fe3O4杂化磁性纳米流体的稳定性、表征及物理性质实验研究

为解决传统冷却工质热传导效率低的问题，研究人员通过实验研究了丁香功能化石墨烯纳米片(CGNP)/Fe3O4-水杂化磁性纳米流体的稳定性与物理性质。通过调控纳米颗粒浓度(0-0.1 wt%)、混合比例(25:75-75:25)及温度(22-65°C)，发现最高浓度(0.1 wt%)和Fe3O4优势比例(25:75)可使密度提升0.65%、粘度增加21.4%，接触角降低30.87%。该研究为开发高性能磁性纳米流体提供了实验依据。

　　

随着电子设备功率密度持续攀升，传统冷却工质已难以满足高热流密度散热需求。这一瓶颈在电动汽车电池、核电站冷却系统等关键领域尤为突出。问题的核心在于常规流体如水的热导率存在理论极限，而单纯添加金属或碳基纳米颗粒又面临稳定性差、粘度激增等新挑战。在此背景下，兼具高导热性和磁响应特性的杂化纳米流体成为研究热点，但关于其物理性质增强的分子机制仍缺乏系统研究。

国内某高校的研究团队创新性地将丁香功能化石墨烯纳米片(CGNP)与磁性Fe₃O₄纳米颗粒复合，通过两步法制备了系列杂化纳米流体。研究采用场发射扫描电镜(FESEM)分析形貌，热重分析(TGA)评估热稳定性，振动样品磁强计(VSM)测定磁性能，并结合紫外可见光谱(UV-Vis)和zeta电位等多维度稳定性评价方法。物理性质测试涵盖22-65°C温区的密度、粘度及接触角测量。

材料表征显示：经丁香酸功能化的CGNP呈现不规则枝晶状结构，与原始石墨烯的层状结构显著不同；Fe_{34纳米颗粒呈准球形且易团聚。杂化材料在500-700°C出现显著热失重，归因于Fe34催化的石墨烯热解。磁学测试证实杂化材料保持16.69 emu/g的饱和磁化强度，具备超顺磁性。}

稳定性评估发现：所有配比的纳米流体在静置14天后仍保持58.3%悬浮率，zeta电位绝对值均超过30 mV，表明静电排斥足以抵抗颗粒团聚。离心实验(10,000 rpm)后流体仍保持均一黑色，证实CGNP的共价功能化与十二烷基硫酸钠(SDS)的协同稳定作用。

物理性质研究揭示三大规律：

1. 密度变化：最高浓度(0.1 wt%)的25:75配比使密度提升0.68%，归因于Fe_{34固有高密度(5.1 g/cm³)及其引发的界面层效应。}
2. 粘度特性：相同浓度下，Fe_{34优势配比的粘度增幅达CGNP优势配比的2倍，25:75样品在60°C时粘度提升21.4%，主要源于Fe34团聚体形成的网络结构。}
3. 润湿行为：接触角最大降幅达30.87%，Fe_{34高比例样品表现突出，这与纳米颗粒在钢基板表面构建的微纳结构增强表面能有关。}

这项发表于《Powder Technology》的研究首次阐明了CGNP/Fe_{34杂化体系的"界面层-布朗运动-磁响应"协同增强机制。特别值得注意的是，Fe34虽然会因团聚增大粘度，但其诱导的界面层扩张同时改善了润湿性，这种矛盾效应的量化分析为磁性纳米流体设计提供了新思路。研究成果对开发下一代智能冷却系统具有指导意义，特别是在需要主动磁控的场合如微型电子器件散热等领域展现出应用潜力。}