纳米流体

    1 简介

    纳米流体是指将一定比例的纳米颗粒以一定方式加入到液体中而形成的流体，是一种由纳米颗粒和基础液构成的悬浊液。

    2 分类

    金属纳米流体；

    非金属纳米流体；

    碳纳米流体。

    3 应用

    与传统液体相比，纳米流体具有更好的传热性能，因此纳米流体在强化传热方面有很好的应用前景。纳米流体的潜在应用领域是热交换系统，可以应用于提高冷却介质的导热系数从而强化传热。某些纳米流体也可用作相变蓄冷材料，从而起到节能降耗的作用。同时纳米流体还可以应用于余热回收、交通运输、储能、改善土壤、石油开采、润滑等多个领域。

    4 特性

    （1）传热特性

    纳米流体的一个显著特性是强化传热——纳米流体比传统冷却介质具有更高的导热系数，因为纳米固体颗粒的导热系数通常高于液体，因此在以液体作为工作流体的冷却系统中添加纳米固体颗粒可以有效提高其传热性能。使用纳米颗粒不仅能很好的提高换热性能，而且可以防止微米级颗粒引起的管道堵塞等问题。

    （2）强化传质特性

    纳米流体的强化传质特性可以从纳米颗粒的布朗运动、提高工质的导热系数、产生Marangoni对流、产生输运效应等方面予以解释，并且，纳米颗粒还可增加溶液的电导率。

    5 制备方法

    “一步法” 和“两步法”是目前制备纳米流体的主要方法。“一步法”是在纳米颗粒制备的过程中直接将颗粒分散在基液中，制备过程“一步”完成，但是这种方法产量小，成本较高。“两步法”是将制备好的纳米颗粒分散到基液中，但由于纳米颗粒在基液中很容易发生聚沉，所以还需结合超声、添加分散剂等方法使所形成的纳米流体得以稳定。

    6 稳定性

    纳米流体的稳定性是其获得实际应用之前必须解决的问题。采用两步法制备纳米流体时，纳米流体的稳定性受基液pH、分散剂类型、超声频率和时间等因素的影响，其中改变基液pH可以增强纳米颗粒表面形成的双电层之间的斥力，从而减少纳米颗粒间的相互吸引和碰撞。

    添加分散性表面活性剂，可以通过表面活性剂在纳米颗粒表面的吸附，增强纳米颗粒间的斥力，减少纳米颗粒之间相互吸引而引起的团聚。

    超声则是通过破坏纳米颗粒间的相互吸引力，而使纳米流体得以分散稳定。除此之外，纳米颗粒的质量分散、基液的性质等也对纳米颗粒的稳定性产生影响。

    纳米流体中金属腐蚀行为的研究进展

    1 静态条件下金属的腐蚀行为

    与传统溶液中的腐蚀行为相比较，有关纳米流体中金属腐蚀行为的研究尚处于初级阶段。有研究认为某些条件下纳米颗粒可以促进金属的腐蚀，而在另一些条件下纳米颗粒对金属的腐蚀具有一定的抑制作用。

    2 流动状态下金属的腐蚀行为

    在流动状态下，流体中固体颗粒的存在往往会促进金属的磨损腐蚀。与大颗粒如微米颗粒相比，流体中的纳米颗粒具有非常低的动能，这可以使磨损腐蚀程度大幅度降低[。已有研究表明，纳米流体对金属产生了不同程度的磨损腐蚀。

    3 纳米流体中不同金属的腐蚀行为

    纳米流体对不同金属的腐蚀行为影响存在差异。研究发现，Al2O3纳米流体和ZrO2纳米流体对不锈钢的腐蚀不产生显著影响，对铜产生较大的磨蚀，而对铝的腐蚀促进作用更大，是基液的300倍。

    纳米颗粒对金属腐蚀机理的影响

    纳米流体中金属腐蚀行为的变化，与流体中纳米颗粒的特性直接相关。纳米颗粒进入到溶液中，可以在一定程度上改变溶液的性质和金属表面状态，从而对金属的腐蚀过程产生影响。

    1 纳米颗粒对金属腐蚀的抑制作用

    在一些研究中发现，溶液中纳米颗粒的存在可以抑制金属的腐蚀，主要原因在于以下几个方面。

    （1）纳米颗粒在金属表面形成保护膜

    纳米颗粒在金属表面的吸附成膜可以对金属起到一定的保护作用。铜在含有碳纳米管的SDS溶液中，腐蚀速率减小的原因是由于铜表面形成了碳纳米管膜。碳纳米管膜的存在使传质阻力显著增大，从而在一定程度上抑制腐蚀。当以一定转速搅拌纳米流体时，发现铜的腐蚀电流密度不变，表明铜表面的碳纳米管膜有较大的传质阻力，有效地控制着纳米流体中铜的腐蚀过程。

    （2）纳米颗粒阻碍氧气分子的扩散

    多数腐蚀体系中，氧气分子是腐蚀的去极化剂。纳米颗粒可以对氧的传质过程产生影响，纳米颗粒因具有小尺寸和高的比表面积，可以在流体中悬浮，一些纳米颗粒可进入扩散层，也可沉积在金属表面。

    扩散层中氧气分子与纳米颗粒互相碰撞，增加了氧的扩散途径，提高了氧的扩散阻力，纳米颗粒成为了氧扩散途径中的障碍物，使氧的扩散速度降低。因此纳米颗粒的存在使金属的耗氧腐蚀速率降低。再者，纳米颗粒由于具有非常大的接触表面积，这增加了其在金属表面的吸附趋势，纳米颗粒在金属表面的吸附减少了氧气分子与碳钢基体的接触表面积。

    （3）纳米颗粒降低盐的溶解度

    纳米颗粒可以改变溶液中盐的溶解度，从而影响金属的腐蚀过程。

    2 纳米颗粒对金属腐蚀的促进作用

    在一些研究中发现，溶液中纳米颗粒的存在促进了金属的腐蚀，其主要观点是：

    （1）纳米颗粒促进金属腐蚀的传质过程

    溶液中纳米颗粒的布朗运动、Marangoni对流作用等可以强化传质过程。从这个角度来说，纳米颗粒对金属的腐蚀也有一定的促进作用。

    （2）纳米颗粒磨蚀-腐蚀的协同效应

    纳米流体作为一种液固悬浊液，对金属的磨损腐蚀不可避免。研究发现纳米流体中磨蚀-腐蚀协同效应较为明显，碳钢在纳米流体中的纯腐蚀速率小于在不含固体颗粒的基液中的，纯磨损速率略高于在基液中的；而碳钢在纳米流体中的磨损腐蚀速率比在不含固体颗粒的基液中高得多。碳钢在纳米流体中24小时后的磨损腐蚀速率比纯磨损大约大14倍，比静态纯腐蚀速率与纯磨损速率之和大9.5倍，这表明碳钢在纳米流体中的磨蚀-腐蚀协同效应显著。

    结语

    纳米流体在传热或蓄冷领域有很好的应用前景，但是应用过程中可能出现对管道金属的磨蚀或腐蚀问题。与传统液体相比较，纳米流体中纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等特性会影响金属/溶液界面特性，从而对金属腐蚀过程产生影响。

    纳米流体种类繁多，对不同金属腐蚀过程的影响不尽相同，而目前对纳米流体中金属的腐蚀研究还较少，对纳米流体中金属腐蚀机理的研究还不够深入，有待今后工作的进一步开展。

更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注国家材料腐蚀与防护科学数据中心http://www.ecorr.org