摘 要

在现代工业领域和生活中，传热现象是十分常见的，如汽车内燃机的冷却系统、余热回收利用和电子设备的高传热强度等问题，传统的液体工质已经无法满足传热需求，热量传递问题也显得愈发重要。纳米流体在汽车上也得到广泛运用，其中气缸内的燃烧温度非常高，润滑油的传热性能也受到极大的考验，已经有研究表明纳米润滑油可以强化传热、减少发动机的机械损失和提高燃油经济性等优点。经过二十多年的研究发展，纳米流体的导热性能强这一特点已经被广为认可，但是纳米颗粒对提高流体传热性能的作用机理仍然需要深入研究。

本文首先是使用透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射仪（XRD）对纳米MoS₂颗粒的尺寸、形貌和晶相进行表征，确定本文使用的纳米MoS₂颗粒符合实验需求。然后通过两步法制备实验所需不同条件下的纳米润滑油，对制备好的纳米润滑油进行简单观察其沉降情况。通过控制变量，使用动态光散射仪对经过不同超声振荡时间的纳米润滑油进行粒径测量，以及用紫外可见分光光度计对添加不同表面活性剂和颗粒浓度的纳米润润滑油测量其吸光度，并采用傅里叶红外光谱仪（FTIR）研究表面活性剂对纳米颗粒表面的作用机理，通过对比分析确定影响纳米润滑油稳定性的影响因素。最后，通过分析文献的实验数据对影响纳米润滑油导热系数的因素进行讨论。

超声振荡会导致流体局部高温高压的情况，因此过长的超声时间使纳米润滑油的局部温度升高，颗粒的布朗运动变得更加剧烈，增加了颗粒之间的碰撞几率，颗粒重新聚集，所以粒径分布变大，纳米润滑油的稳定性变差。而过短的超声时间对纳米润滑油的稳定性作用不大，是因为不能将颗粒团聚有效打开，所以分散效果差。

表面活性剂的浓度较低时，没有足够的表面活性剂附着在颗粒表面，颗粒会出现团聚和沉淀的现象，导致纳米流体的导热系数不明显。当表面活性剂的浓度较高时，过多含有长链的表面活性剂分子分布在流体中，出现絮凝现象，流体粘度也因此增加，导致纳米流体的稳定性变差和纳米颗粒间的微观运动受到阻碍，微观运动影响着能量传递过程，所以使纳米流体的导热系数降低。

关键词：纳米润滑油，二硫化钼，分散稳定性，导热系数

Abstract

In the modern industrial field and life, heat transfer phenomena are very common, such as the cooling system of automobile internal combustion engines, the recovery of waste heat, and the high heat transfer strength of electronic equipment. The issue of delivery also becomes more important. Nano-fluids have also been widely used in automobiles, in which the combustion temperature in the cylinder is very high, and the heat transfer performance of lubricating oil has also been greatly tested. Studies have shown that nano-lubricating oil can enhance heat transfer and reduce engine mechanical losses and improve fuel economy and other advantages. The feature of strong thermal conductivity of nanofluids has been widely recognized, but the mechanism of nanoparticles to improve the heat transfer performance of fluids still needs in-depth study.

This paper first uses transmission electron microscopy (TEM) and X-ray diffractometer (XRD) to characterize the size, morphology and crystal phase of the nano-MoS2 particles. Confirm that the nano-MoS2 particles used in this paper meet the experimental requirements. Then, the nano-lubricating oil under different conditions required for the experiment is prepared by a two-step method, and the precipitation of the prepared nano-lubricating oil is simply observed. By controlling the variables, using dynamic light scattering instrument to measure the particle size of the nano-lubricating oil after different ultrasonic oscillation time. And use the ultraviolet-visible spectrophotometer to measure the absorbance of the nano-lubricating oil with different surfactants and particle concentrations. Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR) was used to research the action mechanism of surfactants on the surface of nanoparticles. Through comparative analysis to determine the influencing factors of the stability of nano-lubricating oil. Finally, by analyzing the experimental data in the literature, the factors that affect the thermal conductivity of the nano-lubricating oil are discussed.

Ultrasonic oscillation will lead to the local high temperature and pressure of the fluid. Therefore, too long ultrasonic time will increase the local temperature of nano lubricating oil, make the Brownian motion of particles more violent, increase the probability of collision between particles, and re gather particles. So, the particle size distribution becomes larger and the stability of nano lubricating oil becomes worse. However, too short ultrasonic time has little effect on the stability of nano lubricating oil, because it cannot effectively open the agglomeration of particles, so the dispersion effect is poor.

When the concentration of the surfactant is low, there is not enough surfactant attached to the surface of the particles, and the particles will agglomerate and precipitate, resulting in an inconspicuous thermal conductivity of the nanofluid. When the concentration of the surfactant is high, too many surfactant molecules containing long chains are distributed in the fluid, flocculation occurs, and the viscosity of the fluid also increases, resulting in poor stability of the nanofluid and microscopic movement between nanoparticles Obstructed, the microscopic motion affects the energy transfer process, so the thermal conductivity of the nanofluid is reduced.

Keywords: nano-lubricating oil; MoS₂; dispersion stability; thermal conductivity

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外的研究现状 1

1.3本文主要的研究内容 4

第2章 纳米材料的特性 5

2.1引言 5

2.2纳米MoS₂颗粒的特性 5

2.3透射电镜表征材料的尺寸和形貌 5

2.4 XRD表征材料的晶相 6

2.5本章小结 7

第3章 纳米润滑油的制备及测试原理 8

3.1通过两步法制备纳米润滑油 8

3.1.1纳米润滑油的制备装置 8

3.1.2纳米润滑油的制备过程 9

3.2纳米润滑油的稳定性测试原理 10

3.3纳米润滑油的导热系数测试原理 11

3.4本章小结 12

第4章 纳米润滑油稳定性影响因素分析 13

4.1超声振荡对纳米润滑油稳定性的影响 13

4.1.1实验过程 13

4.1.2实验结果及分析 14

4.2表面活性剂对纳米润滑油稳定性的影响 14

4.2.1实验过程 14

4.2.2实验结果及分析 18

4.3颗粒浓度对纳米润滑油稳定性的影响 18

4.3.1实验过程 18

4.3.2实验结果及分析 19

4.4本章小结 20

第5章 纳米润滑油导热系数影响因素分析 21

5.1引言 21

5.2表面活性剂对导热系数的影响 21

5.3颗粒浓度和温度对导热系数的影响 22

5.4本章小结 23

第6章 结论与展望 24

6.1结论 24

6.2展望 25

致 谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

早在1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等人提出了纳米流体这一新颖的概念。在现代工业领域和生活中，传热现象是十分常见的，如汽车内燃机的冷却系统、余热回收利用和电子设备的高传热强度等问题，传统的液体工质已经无法满足传热需求，热量传递问题也显得愈发重要。纳米流体的出现，立刻得到了学术界以及各行各业的广泛关注。纳米流体在汽车上也得到了广泛运用，其中气缸内的燃烧温度非常之高，润滑油的传热性能也受到极大的考验，已经有研究表明纳米润滑油可以强化传热、减少发动机的机械损失和提高燃油经济性等优点。经过了二十多年的研究发展，纳米流体的导热性能强这一特点已经被广为认可，但是纳米颗粒对提高流体传热性能的作用机理仍然需要深入研究。如今，对纳米流体的研究方向有一部分是纳米颗粒的组成、基液类型和颗粒体积浓度等因素对纳米流体的导热系数、粘度系数等热物性数据的影响探究。在本次毕业设计中，需要分析不同因素对纳米流体分散稳定性的影响机制，通过实验数据，比较纳米润滑油与基础油的导热系数大小；调整影响因素的参数，优化纳米润滑油的传热性能。

1.2 国内外的研究现状

在国内，已经有越来越多的学者以及高等院校对纳米流体这一新技术进行了研究。毛大恒等人^[1]通过对制备纳米WS₂润滑油的三种方法进行分散稳定性的对比，分析了三种方法对润滑油中纳米WS₂颗粒的沉降时间。结果表明，强超声、球磨搅拌、表面活性剂三种处理方式结合对纳米WS₂颗粒在润滑油中的分散稳定性影响效果最佳。纳米润滑油在强超声与球磨搅拌的共同作用后，适量表面活性剂使解聚后的WS₂颗粒表面活性增强，表面特性变为亲油疏水，可长期稳定分散在润滑油中。

万庆明等人^[2]对质量分数为1%的纳米MoS₂润滑油添加适量的Span80分散剂，用以提高其分散稳定性，用四球摩擦磨损试验系统对纳米MoS₂润滑油进行测试，分别进行了黏度测试、摩擦学性能测试、Stribeck曲线、磨损表面分析，并对润滑油的导热及传热性能进行分析。得出结论，纳米MoS₂润滑油的摩擦因数较基础润滑油低，其抗磨性能良好；纳米润滑油的导热系数也明显高于传统润滑油。