介紹
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導熱性描述了材料促進有效傳熱的能力。 無數產業在設計節能電器、工具和結構時都依賴高導熱材料。 在設計熱技術尤其是包括傳熱液體的熱技術時，低導熱率可能是一個限制。 因此，將導熱奈米粒子摻入傳熱流體（HTF）中是一種經常用於提高整個混合物導熱性的解決方案。奈米顆粒通常具有較高的電導率值，如果獲得正確的濃度，它們可以促進更有效的熱傳導。Thermtest 研究人員針對 炭黑奈米顆粒 混合 乙二醇 的熱和流動進行實驗，本應用頁面將描述添加濃度會如何影響流體的傳熱能力。
材料(炭黑 Carbon black & 乙二醇 Ethylene glycol)
炭黑 Carbon black (CB) 是一種特殊類型的碳，由氣態或液態碳氫化合物在受控環境中不完全燃燒和熱分解過程中產生的一種細小黑色粉末，是世界上產量最多的 50 種化學物質之一。90%以上的炭黑在橡膠工業中用作填料，也是許多顏料和油墨的重要成份。炭黑是一種相對導電的物質，在電氣工業中用於製造電極和碳刷。
乙二醇 Ethylene glycol (CH2OH)2 是一種透明、略黏的酒精，若攝入，對人類和動物是具有劇毒。 乙二醇最常見的用途是用於汽車防凍劑，也是用作傳熱介質的常用溶劑。
熱導率方法和結果
使用傳輸熱線法 (THW) 測量 7 種不同的球形炭黑和乙二醇混合物的導熱率。 THW 方法已獲得科學界的認可，是測量液體、流體樣品的導熱係數最可靠與準確的方法，其精度在 1% 的零點幾內。 本實驗使用 Thermtest THW-L2 熱導檢測儀（圖 2）。 測試混合物含有重量1%、2%、3%、5%、7%、9% 和11% LITX ® CB 濃度。 將每種濃度置於離心混合器中，以 2000 rpm 的速度持續 5 分鐘。 當樣品塗在紙上出現光澤時，即被視為”已均勻”。 流體的熱導率是在 20 和 30°C 的溫度下測量的。表 1 顯示了以瓦特每米每開爾文 (W/mK) 為單位測量的流體熱導率值，作為濃度的函數。
黏度方法和結果
對奈米顆粒混合物進行第二階段的測試為黏彈性測試。「黏性」是指流體在受到外力作用時會變形，「彈性」是指流體在外力消除後恢復其原始形狀的能力。 當「純黏性」流體受到壓力時，顆粒會重新排列且為永久的。壓力下的「純彈性」流體將加載和卸載力，形成應變和應力曲線。這些流體行為可以被描述為流變特性。在這項實驗中，使用 Bohlin Gemini 流變儀使用平行板技術在 20°C 的恆定溫度下測量流體的流變行為。
該實驗得出結論，傳熱流體的導熱率隨著炭黑濃度的增加而增加。 9% CB 或更高的濃度引發了從純黏性液體到彈性主導流體的轉變。這種行為是透過非共價相互作用形成的三維結構的典型特徵。
流體的絕對稀化性能顯示了非牛頓行為。 流體根據其剪切速率（一種流體通過相鄰流體層時黏度的變化率）、應力和變形歷史進行分類。 這些流體特性決定了它是否可以被表徵為牛頓流體或非牛頓流體。 牛頓流體以艾薩克·牛頓爵士的“黏度定律”命名。 該定律指出，流體的行為代表了剪切應力和剪切速率之間的簡單線性關係。 牛頓流體的一些例子是水、有機溶劑和蜂蜜。 這些流體遵循牛頓線性關係模式。 實際上，大多數流體都是非牛頓流體，黏度取決於剪切速率（與剪切增稠和稀化相關）。 隨著剪切速率的增加，剪切稠化的流體的黏度將會增加。 純粹的增稠液體的一個例子是玉米澱粉與水的混合。 絕對稀化的流體遵循相反的模式，並且隨著絕對速率的增加，黏度將降低。 完全稀釋的流體的一些例子是油漆和血液。 CB 乙二醇混合物顯示出流體在剪切稀化時的特性，隨著剪切速率的增加，黏度降低。
結論
預計將進行與浸入流體中的炭黑奈米顆粒的流變特性相關的進一步研究，旨在深入了解這些材料的熱能力。 將傳熱流體改質為高效能熱導體可以節省能源和成本，特別是對於需要大量能量傳輸的產業而言。
作者: Kallista Wilson | Junior Technical Writer Thermtest
參考資料
1Mylona, S. (2019). Investigation of the Thermal Conductivity and Viscosity of Carbon Black Heat Transfer Nanofluids. 1st International Conference of Nanofluids, (S7), 460 – 463. https://thermtest.com/papers/investigation-of-the-thermal-conductivity-and-the-viscosity-of-carbon-black-heat-transfer-nanofluids
2Shankland, I., & Conference: 10. Symposium on thermophysical properties Gaithersburg, MD (USA), 20-23 Jun 1988. (1989). A transient hot-wire method for measuring the thermal conductivity of gases and liquids. International Journal of Thermophysics, 10:3, 673-686.
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