热传导-TC 纳米流体浓度与导热特性的关系

在设计节能电器、工具和结构时，无数行业都依赖于具有高导热性的材料。在设计热技术，尤其是液态材料，导热率的高低在不同情境下都是关键要素。当前，常用于提高混合物整体导热性的解决方案，即为将导热纳米粒结合混合传热流体(Heat Transferring Fluid，HTF)。通常，导热纳米粒具有更高的热导率。即便如此，根据研究结果显示添加浓度的提升，液体材料会产生流变行为，比如纯黏性流体转变为弹性流体。以本文的炭黑为例，在添加一定比例的浓度后，碳黑添加得越多，不只会导致原材料的质变且热导率可能无法获得有效提升。所以该如何从中获取平衡，判断正确浓度是关键的要点，才能准确且有效的促进热的传导。

此次测试将尝试验证导热炭黑纳米颗粒混合乙二醇溶剂后的热传递表现，在此文将描述该如何选中含有不同浓度炭黑纳米粒子的乙二醇，以及其影响传热能力的结果。
 

 材料

炭黑(CB)：一种相对导电的物质，大多被用在橡胶工业中用作填料，或是颜料、油墨的成分。在电气工业中被用于制造电极和碳刷。
乙二醇 (CH2OH)2：一种透明、微黏的酒精，常被用来作为传热介质的溶剂，常见的应用为汽车防冻剂。
 

 测试和结果

瞬态热丝法 (Transient Heat Wire)目前被科学界认可为测量液体热导率精准的方法。在此实验中，实验人员采用THW-L2热传导检测仪(图二)，其所遵循之国际标准测试方法为ASTM D7896，可测得热导范围为0.01 ~ 2W/mK，精准度±5%，再现性±2%。
 
此测试的混合物样品浓度依序分别为1、2、3、5、7、9 和 11% 的 LITX ® CB 浓度。添加进乙二醇后，会将其置于离心混合器中，以 2000 rpm 的速度持续 5 分钟进行混合。当样品在纸上涂抹时看起来有光泽即被视为均匀。而后测试人员分别在 20 和 30°C 的温度下测量流体，对应之热导率可参见表1。
 
根据表一以及图三可以看到在不同浓度下，流体热导值的提升。在添加1%得炭黑时，热导值已上升2%。持续添加至11%，可以看到已比原先乙二醇本体之热导率大幅提升约38.5%。但在此实验中，实验人员亦发现在添加9%或更高以后，会引发样品从纯黏性液体转变为弹性为主的液体。

在投入导热纳米粒结合混合传热流体的进一步研究时，尤其是需有大量能量传递的行业，不妨深入了解原材料以及混合材的热性能与质变特质，以将传热流体研发成更为高效的热导体，不仅节省能源，更能降低损耗以及成本开销。