氧化铜纳米流体及其制备方法和应用

1.本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种氧化铜纳米流体及其制备方法、一种车辆的机械热交换系统以及一种车辆。


背景技术：

2.近年来，随着现代科学技术的不断发展，能耗的持续增加，节能的重要性越来越凸显，因此要求轨道交通、电动车、坦克热交换设备以及芯片先进封装设备的传热性能也不断提升。
3.现有技术的轨道交通热交换设备中应用了诸如纯水的车辆用冷却剂。然而，若使用纯水作为车辆用冷却剂，则轨道交通热交换设备或系统存在换热效率不高的缺陷。此外，现有技术中还应用了诸如纳米流体的车辆用冷却剂。通常，单步法是指在将纳米颗粒分散在基础流体中的同时制备纳米颗粒。换句话说，纳米流体的制备工艺包括单步法和两步法。针对单步法，分散和制备过程可以在没有任何先后顺序之分的情况下同时进行。而通过单步法制备的纳米流体具有在基液中稳定的分散和均匀的粒径分散的特性。由于省略了收集和洗涤纳米颗粒的一系列制备步骤，因此可以有效地避免纳米颗粒和其他物质的副反应，避免影响其纯度。然而，但是由于单步法操作步骤复杂，设备成本昂贵，以及一次性生产量低，因此不适合大规模工业生产。此外，与单步法相比，两步法则具有相反的特点。两步法预先制备纳米颗粒，并应用适当的技术手段将其分散到基础流体中。制备过程和分散过程是依次进行的，流程时间是不同的。然而，由于纳米颗粒为提前制备，纳米颗粒的纯度容易受到影响，受到污染副产物增多有较大影响且在基液中易于在纳米流体中团聚，在通过技术手段使他均匀分散后经过长时间放置后纳米颗粒会发生团聚，沉淀析出。不仅如此，若使用纳米流体作为车辆用冷却剂，则轨道交通热交换设备或系统存在稳定性(团聚)较低、热物性较差的缺陷。
4.因此，需要在采用综合传热性能更好的新型传热工质代替传统传热工质以增加换热效率的同时，克服轨道交通热交换设备或系统的中的车辆用冷却剂的稳定性较低、热物性较差的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明提供一种氧化铜纳米流体及其制备方法、一种车辆的机械热交换系统以及一种车辆，旨在解决现有技术的轨道交通热交换设备中所应用的传统车辆用冷却剂(例如，纯水等)存在换热效率不高的缺陷、以及所应用的纳米流体存在的稳定性(团聚)、热物性等缺陷。
6.具体地，本发明实施例提供了以下技术方案：
7.第一方面，本发明的实施例提供一种氧化铜纳米流体制备方法，包括：
8.步骤一，取氧化铜前驱体溶于基液中；
9.步骤二，将铜离子保护剂加入经所述步骤一处理后的溶液，以进行络合反应；
10.步骤三，将分散剂加入经所述步骤二处理后的溶液，以进行物理吸附；
11.步骤四，取氢氧化钠加入经所述步骤三处理后的溶液，搅拌并加热至80℃～100℃，直至所述溶液从浅蓝色变色成浓墨色之后进行陈化；
12.步骤五，继续进行所述搅拌并加热至80℃～100℃，取嫁接聚合物作为表面修饰剂加入经所述步骤四处理后的溶液，以对所述氧化铜纳米颗粒进行表面改性处理；
13.步骤六，分离提取经所述步骤五处理后的所述氧化铜纳米颗粒，并将分离提取后的所述氧化铜纳米颗粒通过超声震荡分散到基液中，以得到氧化铜纳米流体。
14.进一步地，该氧化铜纳米流体制备方法还包括：
15.所述氧化铜前驱体包括氯化铜和/或硫酸铜。
16.进一步地，该氧化铜纳米流体制备方法还包括：
17.所述铜离子保护剂包括氨水或乙二胺四乙酸。
18.进一步地，该氧化铜纳米流体制备方法还包括：
19.所述分散剂包括吐温20、甲苯、聚乙二醇或柠檬酸铵。
20.进一步地，该氧化铜纳米流体制备方法还包括：
21.所述表面修饰剂包括盐酸多巴胺。
22.进一步地，该氧化铜纳米流体制备方法还包括：
23.所述步骤三中的铜离子与所述表面修饰剂的摩尔数比值比例为20：1。
24.进一步地，该氧化铜纳米流体制备方法还包括：
25.所述搅拌的条件为300-1000rpm。
26.第二方面，本发明的实施例还提供一种氧化铜纳米流体，所述氧化铜纳米流体是根据上述氧化铜纳米流体制备方法制备得到的，所述氧化铜纳米流体应用于车辆的机械热交换系统，以对所述车辆的部件进行散热冷却。
27.第三方面，本发明的实施例还提供一种车辆的机械热交换系统，所述车辆的机械热交换系统利用上述氧化铜纳米流体来配置，所述氧化铜纳米流体利用上述氧化铜纳米流体制备方法来制备，所述机械热交换系统包括循环泵、储液器或冷凝器，其中所述机械热交换系统采用所述循环泵使所述氧化铜纳米流体通过所述冷凝器对所述车辆的部件进行散热冷却。
28.第四方面，本发明的实施例还提供一种车辆，所述车辆包括上述机械热交换系统，所述机械热交换系统利用上述氧化铜纳米流体来配置，所述氧化铜纳米流体利用上述氧化铜纳米流体制备方法来制备，所述机械热交换系统包括循环泵、储液器或冷凝器，其中所述机械热交换系统采用所述循环泵使所述氧化铜纳米流体通过所述冷凝器对所述车辆的部件进行散热冷却。
29.由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种氧化铜纳米流体及其制备方法、一种车辆的机械热交换系统以及一种车辆，从改善纳米氧化铜流体的团聚和热物性两个方面出发，在提升氧化铜纳米流体导热性的同时，结合表面改性技术改善了纳米流体的分散稳定性，客克服了现有技术的轨道交通热交换设备中所应用的传统车辆用冷却剂(例如，纯水等)存在换热效率不高的缺陷、以及所应用的纳米流体存在的稳定性(团聚)、热物性等缺陷。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明一实施例提供的氧化铜纳米流体制备方法的流程图；
32.图2为本发明一实施例提供的分散剂影响分析对比图；
33.图3a、图3b、图3c和图3d为本发明一实施例提供的表面修饰剂影响分析对比图。
34.图4为本发明一实施例提供的制备工艺影响分析对比图；
35.图5为本发明一实施例提供的样品剪切速率与粘度分布的对比图；
36.图6为本发明一实施例提供的改性后纳米流体比热容的对比图；
37.图7为本发明一实施例提供的改性后纳米流体热扩散系数的对比图；
38.图8为本发明一实施例提供的不同浓度样品在10ml体积下导热率的对比图；
39.图9a、图9b、图9c、图9d为本发明一实施例提供的不同的改性后的纳米流体的扫描电镜分析图。
40.图10为本发明一实施例提供的车辆的机械热交换系统的结构示意图。
具体实施方式
41.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明使用的各种术语或短语具有本领域普通技术人员公知的一般含义，即便如此，本发明仍然希望在此对这些术语或短语作更详尽的说明和解释。如果本文涉及的术语和短语有与公知含义不一致的，则以本发明所表述的含义为准；并且如果在本技术中没有定义，则其具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
43.现有技术的轨道交通热交换设备中应用了诸如纯水的车辆用冷却剂。然而，若使用纯水作为车辆用冷却剂，则轨道交通热交换设备或系统存在换热效率不高的缺陷。此外，现有技术中还应用了诸如纳米流体的车辆用冷却剂，然而，若使用纳米流体作为车辆用冷却剂，则轨道交通热交换设备或系统存在稳定性(团聚)较低、热物性较差的缺陷。因此，需要在采用综合传热性能更好的新型传热工质代替传统传热工质以增加换热效率的同时，克服轨道交通热交换设备或系统的中的车辆用冷却剂的稳定性较低、热物性较差的缺陷。
44.针对于此，第一方面，本发明的一实施例提出一种氧化铜纳米流体制备方法。需要说明的是，本发明提出的一种氧化铜纳米流体制备方法从改善纳米氧化铜流体的团聚和热物性两个方面出发，在提升氧化铜纳米流体导热性的同时结合表面改性技术改善了纳米流体的分散稳定性。换句话说，本发明包括纳米氧化铜的制备方法、表面改性和强化传热的实验设计和结果分析，并进行相应的实验优化与验证，研究了物理吸附配体制备纳米流体的性质和稳定性。此外，本发明采用化学法来对氧化铜制备纳米流体进行表面修饰，以增加空间位阻和强化库仑排斥两方面的协同作用，从而进一步提高纳米流体的稳定性并改善热物
性。不仅如此，本发明还优化、分析验证了不同的制备工艺(单步法、两步法)和多种改性试剂对所获得的氧化铜纳米流体的稳定性和热物性的影响。
45.下面结合图1描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
46.图1为本发明一实施例提供的氧化铜纳米流体制备方法的流程图。
47.在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法可以包括以下步骤：
48.101：取氧化铜前驱体溶于基液中；
49.102：将铜离子保护剂加入经步骤一(101)处理后的溶液，以进行络合反应；
50.103：将分散剂加入经步骤二(102)处理后的溶液，以进行物理吸附；
51.104：取氢氧化钠加入经步骤三(103)处理后的溶液，搅拌并加热至80℃～100℃，直至溶液从浅蓝色变色成浓墨色之后进行陈化；
52.105：继续进行搅拌并加热至80℃～100℃，取嫁接聚合物作为表面修饰剂加入经步骤四(104)处理后的溶液，以对氧化铜纳米颗粒进行表面改性处理；
53.106：分离提取经步骤五(105)处理后的氧化铜纳米颗粒，并将分离提取后的氧化铜纳米颗粒通过超声震荡分散到基液中，以得到氧化铜纳米流体。
54.在其它的实施例中，本发明提出的基于单步法制备工艺的一种氧化铜纳米流体制备方法还可以用以下步骤来描述：1)取氯化铜放入烧瓶并加入氨水；2)添加吐温20于步骤1)的基液中；3)取氢氧化钠加入，并将其置于数显加热型磁力搅拌器，在300-1000rpm的搅拌条件下升温至70-100℃，其中直至浅蓝色溶液变色至浓墨色溶液停止搅拌，将生成液沉淀0.5至3小时；4)将溶液保持搅拌条件下加入盐酸多巴胺；5)乙醇添加到步骤4)溶液中，使用恒温超声波清洁器进行超声波振荡；6)从亲水性物质中超声分离出纳米粒子后，使用离心机进行样品分离；7)重复步骤6)的操作直至将产物溶液上清液离心为完全透明的；8)将7)中沉淀物分散到水基液中，进行超声震荡0.5至3小时，取出得到表面改性完成后的氧化铜纳米流体。
55.基于单步法制备工艺的上述氧化铜纳米流体制备方法制备的氧化铜颗粒的平均粒径如下文所述为48.86nm，相对传统的纯水冷却液本发明所制备氧化铜纳米流体热导率如下文所述提高了8％。
56.具体地，针对101和102，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：使用天平量取一定量的氯化铜(氧化铜前驱体)，迅速放入烧瓶。由于前驱体易与空气中的水进行反应，需要避免发生潮解反应增加副产物的生产，量取一定量的氨水(铜离子保护剂)加入氯化铜中。由于两者会产生络化反应生成络合物，因此可以保护铜金属离子，从而降低副产物的生产，以免在后续的沉淀反应中，因沉淀速率过快而导致产物的大块团结。
57.在本发明的其它实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：氧化铜前驱体包括氯化铜和/或硫酸铜等。然而，本发明的实施例不限于此，在不违背本发明的技术构思的情况下，氧化铜前驱体还可以是其它铜盐或其组合。
58.在本发明的其它实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：铜离子保护剂包括氨水或乙二胺四乙酸。然而，本发明的实施例不限于此，在不违背本发明的技术构思的情况下，铜离子保护剂还可以是其它能与铜离子形成络合反应的试剂。
59.下面结合图2进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
60.图2为本发明一实施例提供的分散剂影响分析对比图。
61.具体地，针对103，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：由于反应过程前驱体团聚体积比增加，生成的氧化铜产物粒径过大，纳米颗粒吸附力增大易与团聚，添加吐温20(分散剂)以防止团聚进入基液中。
62.如图2所示，左边为未加入吐温20的试剂，右边为加入吐温20的试剂。由于吐温20吸附在纳米颗粒的表面上，因此随着纳米颗粒之间的距离减小，挤压颗粒以产生熵减效果，增加空间位阻，以提升排斥力，从而改善团聚速率增加溶液中的空间位阻，限制粒径大小，并增加排斥力。
63.在本发明的其它实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：分散剂包括吐温20。然而，在本发明的进一步的实施例中，还可以使用诸如甲苯、聚乙二醇、或柠檬酸铵的分散剂。
64.下面结合图3a、图3b、图3c和图3d进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
65.图3a、图3b、图3c和图3d为本发明一实施例提供的表面修饰剂影响分析对比图。
66.具体地，针对104，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：使用天平量取一定量的氢氧化钠试剂加入，将其置于数显加热型磁力搅拌器，加入磁子，在一定搅拌条件(例如，700rpm)下升温至80至100℃，反应温度之间，持续反应，直至浅蓝色溶液变色至浓墨色溶液，停止搅拌，将生成液沉淀数小时(例如，0.5至3小时)。
67.更具体地，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：一定搅拌条件可以为300-1000rpm。
68.具体地，针对105，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：将溶液保持一定搅拌条件(例如，700rpm)下升温至80至100℃后，再量取一定量的嫁接聚合物(即，表面修饰剂)，加入到生产液中，嫁接聚合物官能团与纳米氧化铜颗粒表面发生特定反应使带电原子团嫁接到其表面上。对纳米颗粒表面进行化学改性，使原有纳米颗粒表面的库仑排斥力增加，并通过该表面修饰，使不带电的颗粒表面带电，由于相同电荷的相互排斥，防止了颗粒彼此接近而形成聚集体，从而改善纳米流体的稳定性。
69.更具体地，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：表面修饰剂可以包括盐酸多巴胺。
70.更具体地，在本实施例中，还需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：铜离子与表面修饰剂(例如，盐酸多巴胺)的摩尔数比值比例为20：1。
71.在本发明的其它实施例中，表面修饰剂还可以包括十二烷硫醇、l-半胱氨酸、4-氨基苯硫酚。
72.如图3a所示，左边是利用十二烷硫醇来制备改性后的纳米流体完后的状态，右边为制备后一段时间的状态。在离心分离固液时，很容易就会分离，分散到水基液中，经过一段时间陈化过程，很短时间就会析出团聚。由于十二烷硫醇的不亲水性，和其长链结构在基液中稳定性不好，长链会缠绕在一起使得颗粒体积比增大，库仑力无法在表面上正常增加排斥力，使得产品易与团聚，在水基液中分散性欠佳。
73.如图3b所示，左边是利用l-半胱氨酸来制备改性后的纳米流体完后的状态，右边为制备后一段时间的状态。利用l-半胱氨酸来对纳米流体进行改性处理，纳米颗粒团聚现象明显。由于l-半胱氨结构含有羧基和氨基，易发生羧胺基化，需调节基液的酸碱性，其在
酸性条件下趋于稳定，使其偏于酸性，可改善羧胺基化，但其还有少于反应产生，使其颗粒体积比增大，团聚现象明显，稳定性欠佳，易于析出。
74.如图3c所示，左边是利用4-氨基苯硫酚来制备改性后的纳米流体完后的状态，右边为制备后一段时间的状态。利用4-氨基苯硫酚来对纳米流体进行改性处理，分散性不好，分散到水中易与团聚。而苯环有着稳定的结构，但是结果依然不理想，有以上三种方案的结果说明在嫁接中硫氢键表面在氧化铜表面上嫁接原子团效果不好，硫氢键无法与氧化铜表面反应产生一种稳固的连接，需选择一种强有力的连接基团。
75.如图3d所示，左边是利用盐酸多巴胺来制备改性后的纳米流体完后的状态，右边为制备后一段时间的状态。利用盐酸多巴胺来对纳米流体进行改性处理，纳米流体稳定性良好。与前三种表面修饰剂有着不同的连接键，盐酸多巴胺的结构上的双羟基可以紧密连接在氧化铜颗粒表面，形成稳定的化学键，由于脱氢缩聚反应，两个连接键可以稳定连接在氧化铜表面，而氨基是一种极性官能团，具有亲水性，易溶于水，在单一的水基液离心分离固液中，无法进行分离，说明颗粒的形成粒径很小，在水基液中悬浮稳定，经过长时间的陈化过程，盐酸多巴胺修饰的氧化铜颗粒悬浮稳定，稳定性良好。
76.具体地，针对106，在本实施例中，需要说明的是，该氧化铜纳米流体制备方法还可以包括：将表面改性后的生成液持续沉淀数小时(例如，0.5至3小时)。由于生成液中由于颗粒粒径较小，其表面有大量亲水性原子团，台式高速离心机无法在水基液体中进行样品分离，因此本发明的实施例将乙醇添加到产品溶液中，使用恒温超声波清洁器对产品溶液进行超声波振荡，在从亲水性物质中超声分离出纳米粒子之后，再使用离心机进行样品分离，然后重复进行直至将产物溶液上清液离心为完全透明。进而，将表面改性后的氧化铜纳米颗粒分散到水基液中，进行超声震荡数小时，取出得到表面改性完成后的氧化铜纳米流体。
77.下面结合图4进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
78.图4为本发明一实施例提供的制备工艺影响分析对比图。
79.在进一步的实施例中，本发明还分析验证了不同的制备工艺(单步法、两步法)对所获得的氧化铜纳米流体的稳定性和热物性的影响。不同于上文所述的单步法，两步法无需生成氧化铜的反应过程与氧化铜表面改性过程同时进行，直接将所制备的氧化铜纳米颗粒分散到水基液中，加入吐温20，使其吸附在纳米颗粒上以增加空间位阻，增加排斥力，减少团聚速率。在700rpm的搅拌条件下升温至一百摄氏度，量取一定量的嫁接聚合物，加入到生产液中，使带电原子团嫁接到氧化铜纳米颗粒中，使氧化铜纳米颗粒表面带上某种电性，产生库仑力，以增加排斥力。同单步法相同步骤进行固液分离，将表面改性后的氧化铜纳米颗粒进行分散，超声震荡，形成纳米氧化铜表面改性纳米流体。
80.如图4所示，左边为基于单步法制备的纳米流体，右边为基于两步法制备的纳米流体。显然，两步法稳定性差于单步法，一段时间后团聚效果明显。
81.通过对纳米流体粒径、电势、电镜观察、粘度、传热系数、密度和热导率进行分析，得到本发明的最优方案。本发明的实施例选用单步法与盐酸多巴胺的组合来对纳米氧化铜颗粒进行修饰以制备纳米流体。采用本发明的该实施例的方法制备的氧化铜纳米流体稳定性良好且优于其他方案。
82.进一步地，本发明对制备和改性过程进行优化分析，通过1)有无添加氨水以及2)铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值的两个影响因素，进行单因素影响比较，从而判断1)氨
水对制备氧化铜的过程中产生络合反应保护金属粒子以及2)铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值对纳米氧化铜表面嫁接原子团数量对纳米流体的悬浮稳定性和传热性的影响。
83.由于纳米流体中为多相分散体系的纳米颗粒，纳米颗粒有着较高的表面能和比表面积，在体系中悬浮纳米颗粒之间会有聚合的趋势，而粒径对于悬浮稳定性有一定的影响，因此当粒径越大，其纳米颗粒越容易发生聚合。因为zeta电位可以对纳米颗粒之间相互排斥或吸引力的强度进行测量，所以本发明通过测量zeta电位来判断纳米流体中的稳定性情况。当zeta电位的绝对值较大时，则表明纳米颗粒之间的排斥力也大，表明纳米流体越不容易发生分层或沉淀现象；而zeta电位的绝对值较小，表明颗粒之间排斥力越小越倾向于团聚。测量结果分析如表1所示。
[0084][0085][0086]
表1
[0087]
如表1所示，样品包括四种：不添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为20：1；添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为20：1；添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为10：1；添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为5：1。
[0088]
经过实验对比分析，可知样品二(添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为20：1)有着最小的数均粒径，并且其重均粒径大于样品一(未添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为20：1)。基于此，氨水可以提升原子团的嫁接率，有效保护铜离子使团聚现象减轻，限制纳米颗粒的粒径，提高其在悬浮液中的稳定性。
[0089]
此外，经过实验对比分析，可知铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值与纳米粒子粒径呈线性关系，该摩尔数比值升高则粒径变大，因此盐酸多巴胺数量的增多会削弱氧化铜表面嫁接原子团的数量，嫁接原子团的数量有极限，多余的盐酸多巴胺会吸附在纳米颗粒表面，增加纳米颗粒的体积比，促进粒子聚合，不利于纳米流体的悬浮稳定性。
[0090]
此外，经过实验对比分析，电势为40mv左右或者以上时，纳米流体的悬浮稳定性较好。各个样品表现为负电性，说明盐酸多巴胺可以有效改变氧化铜纳米颗粒表面性质，氨基作用纳米颗粒表面上形成双电层表现负电性，氨基在酸性条件下进行水解。在基液中样品一不添加氨水会降低纳米颗粒表面电势，表面嫁接原子团少于添加氨水样品，使电势降低同时降低纳米流体悬浮稳定性。样品三(添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为10：1)、样品四(添加氨水以及铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值为5：1)增加铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值会降低电势。
[0091]
基于dls粒径和电势可知添加氨水可以有效保护铜离子，提升改性剂嫁接率；而氧化铜表面面积有限，改性剂嫁接数量有极限，超过极限后多余的原子团会吸附在纳米颗粒
表面，降低氧化铜表面产生的库仑力，增加纳米颗粒体积比，使纳米流体悬浮稳定性降低。
[0092]
下面结合图5进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
[0093]
图5为本发明一实施例提供的样品剪切速率与粘度分布的对比图。
[0094]
如图5所示，由于牛顿流体的粘度不会随着剪切速率的增加而变化为恒定值，而这四种样品在相同工况下测量的粘度值与剪切速率的变化关系可以表明的是，有盐酸多巴胺进行修饰的氧化铜纳米流体不属于牛顿流体，其符合假塑性流动的特征，为一种非牛顿流体。随着剪切速率的增加，粘度值逐渐降低并趋于变平。在剪切速率趋于静止的工况下添加氨水将会增加样品的其粘度值，并且随着铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值的增加粘度将会有一个最低谷值。例如，针对20：1这个临界值比例，当突破这个临界值比例时，粘度会增加。而在高剪切速率下热交换设备工作下，添加氨水和增加铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值对于粘度的影响并不明显。所以本实验样品对于热交换设备在粒子对流状态下粘度不影响改性后的氧化铜纳米流体进行强化散热。
[0095]
进一步地，本发明的实施例还进行了改性后纳米流体密度(g/cm3)测量，其测量结果如表2所示。其中，水的密度为1g/cm3。
[0096][0097]
表2
[0098]
下面结合图6进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
[0099]
图6为本发明一实施例提供的改性后纳米流体比热容的对比图。
[0100]
如图6所示，样品在添加氨水后的比热容有明显增加，升高同一温度时，添加氨水的样品相比不添加的所需热量更多，且随着铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值的升高，比热容也随之减少，说明变化同一温度时所需热量相对减少。这就意味着在相同的工况下，同一车辆换热设备在传热过后，在保存等量热量时，比热容较差的传热工质，温度降低时间会延长，对核心机械部件会有一定的损害。
[0101]
下面结合图7进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
[0102]
图7为本发明一实施例提供的改性后纳米流体热扩散系数的对比图。
[0103]
如图7所示，铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值对于热扩散系数有着明显的影响，而氨水的增加对其热扩散系数影响不大。对于其在制备过程中的重要性，可忽略其影响，因此本发明着重考虑铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值以弥补影响。随着比值的增加纳米流体热扩散系数呈线性增长在到达样品三的比值后热扩散系数开始明显降低，表明氧化铜表面有着有限的嫁接原子团数量，在未到达其临界值时，表面库仑力产生随着原子团嫁接数量的增加而增加，使纳米流体中的纳米粒子之间和基液进行无规则运动，加大其碰撞次数，
增加其传热能力；而当超过临界值时，原子团会吸附在氧化铜颗粒表面明显会削弱其产生库仑力的能力，使其体积比增大，降低纳米粒子之间的活性降低纳米流体的传热能力。
[0104]
进一步地，本发明的实施例还进行了改性后纳米流体热导率测量，其测量结果如表3所示。
[0105][0106][0107]
表3
[0108]
由表3可知，针对盐酸多巴胺改性后的氧化铜纳米流体，氨水在工质传热方面上影响不大，主要影响为铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值。传热性能对于比值有一个临界值，在到达临界值之前，纳米流体传热性能随着比值的增加而提升，当到达10:1的临界值后，导热率到达峰值，突破临界值后，传热性能开始逐渐降低。对于盐酸多巴胺修饰氧化铜纳米颗粒中铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值最佳值为10:1，在这个比值下，氧化铜纳米颗粒表面嫁接原子团正好饱满，少于比值，将会使得纳米颗粒产生的库仑力不足，高于比值后，将会降低纳米流体的传热性能。
[0109]
通常，一般测量物理量采用特定手段进行测量有间接测量和直接测量两种方式，由于间接测量通过相应的定理和计算公式进行计算得出最终参数数值，而直接测量会产生系统误差、偶然误差和过失误差等或多或少的误差与实际值，通过误差的传递，由经验公式计算的物理量参数一定会产生相应对于实际值的误差，通过直接测量进行经验公式中的数据存在误差。基于此，本发明进行直接测量来测量热导率数值进行分析判断。
[0110]
需要说明的是，本发明在测量待测纳米流体导热系数之前，先试用水标准液对trident进行校准，所得实验结果如表4所示，由可以看出测量结果中的数据对于标准值实验误差小于1％，因此可以保证实验数据准确性。
[0111][0112]
进一步地，本发明还考虑样品纳米颗粒粒子数量浓度与体积对于样品导热率的影响，将样品配置为质量分数为5％、3％、1％、0.5％和0.25％这四个级别，同时分别测量1ml、3ml、5ml和10ml的导热率，分析这两个影响因素对于纳米流体传热的影响。换句话说，此处样品包括：5％ 1ml、5％ 3ml、5％ 5ml、5％ 10ml、3％ 1ml、3％ 3ml、3％ 5ml、3％ 10ml、1％ 1ml、1％ 3ml、1％ 5ml、1％ 10ml、0.5％ 1ml、0.5％ 3ml、0.5％ 5ml、0.5％ 10ml、水。实验表明，高浓度纳米流体的传热效果比基础流体的传热效果弱。随着纳米流体的体积和浓度的增加，纳米流体中纳米颗粒的数量增加，并且小体积纳米流体的热对流效果差。纳米粒子过多，活性低，碰撞少，传热效果减弱。大体积纳米流体的传热效果明显提高，纳米颗粒的活性增加。在表面接枝的原子团产生的库仑力和位阻的影响下，纳米粒子不规则移动，相互碰撞的次数增加，并且基液中的热交换次数逐渐增加。
[0113]
下面结合图8进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
[0114]
图8为本发明一实施例提供的不同浓度样品在10ml体积下导热率的对比图。
[0115]
如图8所示，在相同工况下测量所得水基液的热导率为0.608w/mk、样品一0.25％质量分数热导率为0.62w/mk、样品二0.25％质量分数热导率为0.626w/mk、样品三0.25％质量分数热导率为0.623w/mk、样品四0.25％质量分数热导率为0.601w/mk。添加氨水可以有效增加氧化铜纳米颗粒上的嫁接原子团数量，促进嫁接完成率。随着铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值的增加，热导率随之下降，在20：1处的纳米流体导热率为最高，并随着浓度的升高而降低，相对于基液的传热效果，盐酸多巴胺嫁接修饰后的氧化铜纳米流体可以有效提升热导率3％。
[0116]
下面结合图9a、图9b、图9c、图9d进一步描述本发明的氧化铜纳米流体制备方法。
[0117]
图9a、图9b、图9c、图9d为本发明一实施例提供的不同的改性后的纳米流体的扫描电镜分析图。图9a、图9b、图9c、图9d的成分分别对应表1中的样品一、样品二、样品三和样品四，从图9a中可以看出，除了分散的纳米颗粒外，还有不少纳米颗粒之间由于表面能作用相互吸引自组装呈絮状；从图9b中可以看出，添加氨水后，这些絮状物发生了减少和分离，相应的分散纳米颗粒增多,这是由于添加氨水可以有效增加盐酸多巴胺的嫁接率，减弱颗粒间的连接现象，提升其悬浮稳定性；从图9c和图9d中可以看出，随着盐酸多巴胺含量的逐步提升，虽然纳米颗粒的分散性变得更好，但剩余盐酸多巴胺将会附着在纳米颗粒表面，增加其体积比，降低颗粒间的活跃性，从而削弱传热效果。对比可见，样品二在综合原子团嫁接率和减弱团聚以及减少过多盐酸多巴胺的负面影响方面明显优于其他三个样品，因此能够表现出更好的传热效果。
[0118]
进一步地，本发明还进行了改性后的纳米流体扫描电镜分析，以观察氨水对盐酸多巴胺的嫁接是否有促进作用和改善团聚提升纳米流体的悬浮稳定性的效果。
[0119]
结合图9a、图9b、图9c、图9d，通过电镜实验可知，采用盐酸多巴胺进行修饰氧化铜颗粒表面可以有效减轻团聚现象，纳米流体呈枫叶状和颗粒状，即添加氨水可以有效增加盐酸多巴胺的嫁接率，减弱颗粒间的连接现象，提升其悬浮稳定性。通过提高样品铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值可有效增加嫁接率，当比值超过20：1后，剩余盐酸多巴胺将会附着在纳米颗粒表面，增加其体积比，降低颗粒间的活跃性，从而削弱传热效果。换句话说样品二明显在原子团的嫁接率、减弱团聚效果和传热效果上，明显优于其他样品。
[0120]
通过上述实验进行纳米流体特性参数可知，对纳米流体散热性能主要的因素有铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值、改型纳米颗粒的浓度以及溶液中对流强度。例如，当铜离子和盐酸多巴胺的摩尔数比值逐渐升高其导热率会呈现一个波峰的趋势，铜离子与配体的摩尔比值有一个峰值，通过上述实验进行测量，当比值为20：1时，其导热率最高。再例如，随着改型纳米颗粒在样液中的浓度的升高，其热导率逐渐降低，说明当纳米颗粒数量增加，将会堕化其在体系中的的活跃程度，降低颗粒间的碰撞，削弱其传热效果。还例如，试验中当纳米流体体积处于一个低体积时，对流效果微弱，其热导率小于水基液，当处于一个高体积时，其对流效果明显，导热率相比水基液明显增加3％，强化传热效果。
[0121]
综上所述，本发明提出的一种氧化铜纳米流体制备方法从改善纳米氧化铜流体的团聚和热物性两个方面出发，在提升氧化铜纳米流体导热性的同时结合表面改性技术改善了纳米流体的分散稳定性。换句话说，本发明包括纳米氧化铜的制备方法、表面改性和强化传热的实验设计和结果分析，并进行相应的实验优化与验证，研究了物理吸附配体制备纳米流体的性质和稳定性。此外，本发明采用化学法来对氧化铜制备纳米流体进行表面修饰，以增加空间位阻和强化库仑排斥两方面的协同作用，从而进一步提高纳米流体的稳定性并改善热物性。不仅如此，本发明还优化、分析验证了不同的制备工艺(单步法、两步法)和多种改性试剂对所获得的氧化铜纳米流体的稳定性和热物性的影响。
[0122]
换句话说，本发明通过比较十二烷硫醇、l-半胱氨酸、4-氨基苯硫酚、盐酸多巴胺这四种表面修饰剂对纳米氧化铜颗粒改性后在基液中的悬浮情况和传热效果，分析改性过程的影响因素，得出盐酸多巴胺作为表面修饰剂可以有效提升纳米流体的悬浮稳定性，并进行单因素试验，通过对改性后的纳米流体的特性参数进行测量(粒径、电势、导热率、密度、粘度、比热容、热扩散系数)得出当铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值到达20：1时，其粒径为49nm，表面嫁接原子团产生电势为最高，此时纳米流体的分散稳定性最佳，在低剪切速率下粘度为最小值；而高剪切速率下，这些因素对其影响几乎可以忽略，并且导热率与铜离子与盐酸多巴胺的摩尔数比值到达10：1时相差不大，与纯水相比表面改性后氧化铜纳米流体最高可增强导热率3％，有明显的强化传热效果，通过研究强化散热机制，得出纳米流体主要依靠对流增强传热效率，以增强对流为突破口设计轨道交通车辆散热系统。
[0123]
基于同样的发明构思，另一方面，本发明的一实施例提出一种氧化铜纳米流体，该氧化铜纳米流体是根据上述氧化铜纳米流体制备方法制备得到的，并且该氧化铜纳米流体应用于车辆的机械热交换系统，以对车辆的部件进行散热冷却。
[0124]
基于同样的发明构思，又一方面，本发明的一实施例提出一种车辆的机械热交换系统。
[0125]
下面结合图10对本发明提供的车辆的机械热交换系统进行描述，下文描述的车辆的机械热交换系统与上文描述的氧化铜纳米流体制备方法可相互对应参照。
[0126]
图10为本发明一实施例提供的车辆的机械热交换系统的结构示意图。
[0127]
在本实施例中，需要说明的是，车辆的机械热交换系统利用上述氧化铜纳米流体来配置，该氧化铜纳米流体利用上述氧化铜纳米流体制备方法来制备，机械热交换系统包括循环泵、储液器或冷凝器，其中该机械热交换系统采用循环泵使氧化铜纳米流体通过冷凝器对车辆的部件进行散热冷却。
[0128]
列车在长时间高速工作状态下，会使其机械核心部件工作环境温度升高，当温度升高到一定程度，会对核心部件产生不可挽回的损害。而本发明提供的车辆的机械热交换系统在于使机械核心部件稳定工作于安全温度，储液器中充满采用冷却剂(改性后的纳米流体)。整个系统由管道进行连接，由于改性后的纳米流体为非牛顿流体，在高速时，粘度不大，对管道损伤较小，所以采用循环泵使纳米流体在管道中产生流动，通过冷凝器使工质散热对其进行降温处理，流过机械核心部件，对其降温，由于纳米流体基液为水，核心部件高温使其气化，有循环泵运输流入储液器，储液器会对混合工质起到减速的一个作用以保护冷凝器。
[0129]
传统冷却平台一般采用水作为冷却液，而本发明采用纳米流体作为冷却液，由于其特性，在对流状态下，会增强其传热效果。此外本发明强化对流泵，增强纳米流体在体系中对流效果，以强化传热；还增加超声波模块，进行超声波搅拌纳米流体，可以强化其传热效果；还采用波纹管，使纳米流体流动状态发生变化，增加传热效率。
[0130]
由于本发明实施例提供的系统可以用于执行上述实施例所述的方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述实施例的介绍。
[0131]
在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例的系统中的各个单元可以集成于一体，也可以分离部署。上述单元可以合并为一个单元，也可以进一步拆分成多个子单元。
[0132]
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0133]
又一方面，基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种车辆。
[0134]
在本实施例中，需要说明的是，车辆包括上述机械热交换系统，机械热交换系统利用上述氧化铜纳米流体来配置，氧化铜纳米流体利用上述氧化铜纳米流体制备方法来制备，机械热交换系统包括循环泵、储液器或冷凝器，其中机械热交换系统采用循环泵使氧化铜纳米流体通过冷凝器对车辆的部件进行散热冷却。
[0135]
需要强调的是，通过本发明的实施例提出的氧化铜纳米流体制备方法制备而成的纳米流体除了可以用于强化传热、散热冷却之外，还可以用作绿色切屑液、绿色支架液；更进一步地，还可以作为靶向药物和药物传递载体应用于生物医药等领域。
[0136]
此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他
性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0137]
此外，在本发明中，参考术语“实施例”、“本实施例”、“又一实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0138]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。