光谱分光与纳米流体课件

光谱分频材料及纳米流体材料光谱分频材料及纳米流体材料光谱分频材料及纳米流体材料提纲分频薄膜聚光-分光综合利用系统纳米流体功能材料提纲分频薄膜背景背景能谱分级利用新思路能谱分级利用新思路光伏发电光伏发电热利用热利用硅禁带宽度：硅禁带宽度：1.12 eV1.12 eV背景能谱分级利用新思路光伏发电热利用硅禁带宽度：1.121.聚光系统可以提高光热品级，进一步用于发电；更为重要的是以低廉的反射镜替代了昂贵的半导体材料。2.通过分光分光分光分光技术，把适合太阳电池工作的太阳辐射光谱段投射到电池电池电池电池表面，其余部分的辐射能可以投射到合适的光热元件光热元件光热元件光热元件上加以利用，不仅可以降低光伏电池废热，提高转换效率，还可以提升总的太阳能利用效率。背景背景分频系统特点分频系统特点1.聚光系统可以提高光热品级，进一步用于发电；更为重要的是基于太阳能利用的分频技术发展情况全息滤光全息滤光太阳能利用装置,是全息记录材料在太阳能方面的应用，其依据是非均匀性布喇格-李谱曼反射全息图的理论液体滤光利用液体的特殊光学特性，特别是对特定光谱段的强吸收性，采用液体介质滤光，是一种便捷的滤光方案干涉薄膜滤光全息滤光理想纳米流体滤光液与水的透射吸收性能比较基于太阳能利用的分频技术发展情况全息滤光全息滤光理想纳米流体干涉薄膜滤光（A）单层薄膜干涉，（B）多层薄膜干涉（A）短波截止长波通滤光，（B）长波截止短波通滤光干涉薄膜滤光（A）单层薄膜干涉，（B）多层薄膜干涉（A）短波薄膜材料薄膜材料的数量有上百种，但是针对具体的设计要求，在全面考虑其光学性能、机械性能和化学稳定性等的情况下，合适的选择并不多。总体上，可以分为金属材料和介质及半导体材料两大类；而单独使用这两类材料构成的薄膜分别称之为金属膜和介质膜。薄膜材料薄膜材料的数量有上百种，但是针对具体的设计要求，在全薄膜材料薄膜设计材料的主要特性薄膜材料薄膜设计材料的主要特性薄膜材料氟化镁（MgF2）作为一种薄膜制备的常用材料，其牢固度是所有低折射率卤化物中最高的。常与ZnS 组合使用。由于MgF2 的高张应力，制得的MgF2-ZnS存在容易破裂的问题。硫化锌（ZnS）是用于可见光和红外段的重要膜料。在可见光段，常与低折射率的氟化物联用；在红外段常与高折射率的半导体材料联用。沉积在室温基板上的ZnS 膜牢固性差，一般需要通过离子轰击、基板烘烤或者老化处理等手段进行改善。二氧化钛（Ti2O）性能优异，各项指标都非常突出，在可见和近红外区均透明。但是制作Ti2O 薄膜的过程中，往往会伴生高吸收的亚氧化钛 Ti nO2n-1（n=1,2,10）。Ti2O 膜的氧化程度直接决定其膜层吸收特性，一般来说通过在空气中的加热处理，可以减少亚氧化钛含量，优化膜层性能。二氧化硅（Si2O）光吸收极小，膜层牢固且抗磨、耐腐蚀，应用广泛。制作时，与Ti2O 类似，会伴生低价氧化物，但是程度远不及Ti2O。薄膜材料氟化镁（MgF2）作为一种薄膜制备的常用材料，其牢固分频策略的确定分频策略的确定系统构建系统构建太阳能太阳能电电PV 电池光热光热/热电转换热电转换热热/电电聚光系统聚光系统分频器分频器综合利用综合利用分频策略的确定系统构建太阳能电PV 电池光热/热电转换热分频策略的确定分频策略的确定 将波长在600-1050nm范围内的辐射能量反射给光伏电池使用，波长在600nm以下及1050nm以上的辐射能量透射给太阳能热机发电系统，如碟式斯特林热发电系统使用。TEGTG左图为根据典型硅电池的外量子效率（EQE）曲线计算的对应的单位波长光电转化效率（EFF）。引入常规的温差发电件发电效率（设为8%）即图中TEGTEG（thermoelectric generator）线，以及典型太阳能热机发电的利用效率（设为20%）即图中TGTG(thermal power generator)线，可以确定分频方案的波段选取范围。将波长在400-1100nm范围内的辐射能量反射给光伏电池使用，其余辐射能量透射给温差电池利用；2 2种分频方案种分频方案种分频方案种分频方案分频策略的确定 将波长在600-1050nm范围内的分频器的设计分频器的设计 图（图（a a）分光干涉薄膜示意图；）分光干涉薄膜示意图；b b）光路干涉原理图）光路干涉原理图基本思路基本思路基本思路基本思路：Needle OptimizationNeedle Optimization 全局优化方法；真空镀膜真空镀膜真空镀膜真空镀膜技术基本原理：基本原理：基本原理：基本原理：基于每层材料之间的光学干涉原理，光学干涉原理，光学干涉原理，光学干涉原理，分光器可以反射选定波段的光束，同时其余光束均透射过分光薄膜，满足系统的分频要求，在特定波段实现高反射率或透射率。材料材料材料材料：零吸收率，反射率不同的电介质薄膜材料；玻璃基片分频器的设计 图（a）分光干涉薄膜示意图；b）光路干涉入射光束入射光束投射光束投射光束反射光束反射光束Layer nLayer n-1Layer n+1HSubstrateLHL衬底衬底(BK7 Glass)分光薄膜分光薄膜分光薄膜分光薄膜 mm m m分频器的设计分频器的设计器件结构及特点器件结构及特点 光学选择性透过或反射，低吸收率；光学选择性透过或反射，低吸收率；陶瓷材料，可实现低廉成本陶瓷材料，可实现低廉成本入射光束投射光束反射光束Layer nLayer n-1La分频器的设计分频器的设计分频器物理结构分频器物理结构分频方案一：分频方案一：分频方案一：分频方案一：PV-TEGPV-TEGPV-TEGPV-TEG系统系统系统系统4001100nmR1PV-TEG PV-TEG 分光薄膜涂层结构分光薄膜涂层结构分频器的设计分频器物理结构分频方案一：PV-TEG系统40分频器的设计分频器的设计（b b）PV-TGPV-TG分光方案薄膜涂层结构分光方案薄膜涂层结构分频方案二：分频方案二：分频方案二：分频方案二：PV-TGPV-TGPV-TGPV-TG系统系统系统系统6001050nmR1设计结果显示设计结果显示分光薄膜对太阳辐射波段分光薄膜对太阳辐射波段分光薄膜对太阳辐射波段分光薄膜对太阳辐射波段有较好的分频作用：有较好的分频作用：有较好的分频作用：有较好的分频作用：对于选定的高反射对于选定的高反射目标波段，有理想的反射效果；而在其目标波段，有理想的反射效果；而在其它太阳光谱段，反射率很低，它太阳光谱段，反射率很低，分频器物理结构分频器物理结构分频器的设计（b）PV-TG分光方案薄膜涂层结构分频方案二：PV-TEG联用系统结构图联用系统结构图菲涅尔透镜菲涅尔透镜分频器分频器热电池热电池晶硅光伏电池晶硅光伏电池太阳能聚光太阳能聚光-分光综合发电系统（一）分光综合发电系统（一）PV-TEG系统PV-TEG联用系统结构图菲涅尔透镜分频器热电池晶硅光伏电池分频工况下电池性能测试结果分频工况下电池性能测试结果太阳能聚光太阳能聚光-分光综合发电系统（一）分光综合发电系统（一）PV-TEG系统分频工况下电池性能测试结果太阳能聚光-分光综合发电系统（一）使用分光薄膜（使用分光薄膜（PV-TEGPV-TEG分光器）后，分光器）后，光伏电池的效率有了较为明显的提光伏电池的效率有了较为明显的提升，平均效率增加了升，平均效率增加了3.24%3.24%3.24%3.24%。电池效率提升结果电池效率提升结果温差电池实验结果温差电池实验结果太阳能聚光太阳能聚光-分光综合发电系统（一）分光综合发电系统（一）PV-TEG系统使用分光薄膜（PV-TEG分光器）后，光伏电池的效率有了较为太阳能聚光太阳能聚光-分光综合发电系统（一）分光综合发电系统（一）PV-TEGPV-TEG系统系统电池热管理研究电池热管理研究电池热管理研究电池热管理研究当冷却热阻足够小即冷却措施适当时，电当冷却热阻足够小即冷却措施适当时，电池温度可以在很大的入射光强范围内保持池温度可以在很大的入射光强范围内保持在较低水平，即电池效率可以稳定在较高在较低水平，即电池效率可以稳定在较高水平，并且电池输出功率随入射光强而增水平，并且电池输出功率随入射光强而增强，满足用户的使用要求，进行有效的太强，满足用户的使用要求，进行有效的太阳电池热管理。阳电池热管理。太阳能聚光-分光综合发电系统（一）system=15.2%太阳能聚光太阳能聚光-分光综合发电系统（一）分光综合发电系统（一）PV-TEG系统system=15.2%太阳能聚光-分光综合发电系统（分光下光伏效率分光下光伏效率：25.1%热电转换效率：热电转换效率：20%系统效率：系统效率：20.2%太阳能聚光太阳能聚光-分光综合发电系统（二）分光综合发电系统（二）PV-TG系统光电光电光热综合利用系统效率曲线光热综合利用系统效率曲线分光下光伏效率：25.1%太阳能聚光-分光综合发电系统（分光组件分光组件纳米流体纳米流体直接吸收太阳能技术（Direct absorption collection DAC）:是利用工作流体直接全部或部分吸收太阳辐射进行光热转换。DAC技术的应用工质：除部分使用融盐作为吸热工质外，多数采用了超微（纳米）颗粒分散于基液中，利用颗粒的吸收特性对太阳辐射进行直接吸收利用。本研究设计的（C）PV/T系统：光热光电单元分离；光热单元直接吸收红外；光电单元仅接收可见光光伏发电；可应用于聚光高温系统分光组件纳米流体直接吸收太阳能技术（Direct abso分光组件分光组件DACDAC系统图系统图分光组件DAC系统图分光组件分光组件-纳米流体纳米流体分光组件-纳米流体光谱分光与纳米流体课件纳米流体材料新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米流体的简介概念优势制备稳定性及评价应用1:强化传热应用2：改性压裂液应用3：纳米微胶囊技术26纳米流体材料新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米流体的简介什么是纳米流体？1993,美国Argonne实验室,Stephen U.S.Choi 提出纳米流体的概念,作为新一代传热介质。纳米流体：将纳米级的材料稳定悬浮在基液中形成的多相系统物质物质导热率导热率（W/(m.K)）物质物质导热率（导热率（W/(m.K)）水水0.61银银429乙二醇乙二醇0.253铜铜401机油机油0.145氧化铝氧化铝40导热油导热油0.128多壁碳纳米管多壁碳纳米管6000空气空气0.03硅硅148新能源材料：纳米流体及其材料与应用27什么是纳米流体？1993,美国Argonne实验室,St10 m1 m0.1 m1 cm1 mm100 m10 m1 m100 nm10 nm1 nm0.1 nm细菌菌小小分子分子 笔笔记本本电脑微型通道微型通道病毒病毒传感元件感元件新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳纳米米材材料料2810 m1 m0.1 m1 cm1 mm100 m10 纳米材料的优势l纳米材料，巨大巨大的比表面积，有效导热系数增加；l结合新型材料新型材料，如碳纳米管等，在提高基液换热能力方面更有优势；l与纯液体相比，存在粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的碰撞，破坏边界层，减少热阻，增加湍流强度，强化传热；l纳米材料的分散体系比微米级材料更更稳定稳定，可其自身更强烈的布朗运动保持悬浮；新能源材料：纳米流体及其材料与应用29纳米材料的优势纳米材料，巨大的比表面积，有效导热系数增加；新纳米流体的组成新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米颗粒金属：Cu,Fe,Ag金属氧化物：Al2O3,CuO,TiO2 非金属：SiO2,TiO2,碳纳米管,SiC分散剂+基液水，乙醇，乙二醇，甲苯，己烷，导热油，机油，矿物油无机电解质有机聚合物表面活性剂，阳离子、阴离子、亲水亲油性不同如：十六烷基三甲基溴化铵CTAB、油酸30纳米流体的组成新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米颗粒金属纳米流体的制备新能源材料：纳米流体及其材料与应用一步法在制备纳米颗粒的过程同时将其分散在基液中，省去干燥、存储等过程。方法较为多样：化学蒸发法、化学合成法；通过控制反应的工艺，可制备出浓度、粒径、形状可控的纳米流体；制备方法复杂、单次制备量小。两步法将已经制备得到的纳米粉体通过物理法将纳米颗粒分散到基液中。现已工业化生产纳米粉体，可大量制备纳米流体；纳米流体中颗粒的分散较为困难，团聚问题难以解决，稳定性较差。31纳米流体的制备新能源材料：纳米流体及其材料与应用一步法在制备真空圆柱体内装有低蒸汽压的液体，旋转液体使其在壁面形成很薄的液膜，以收集附着在壁面的纳米粒子，冷却系统是用来放置液体升温而使圆柱体内压力上升。新能源材料：纳米流体及其材料与应用美国Argonne国家实验室低压气体蒸发法制备纳米流体示意图Reference:郭顺松等,SiO2纳米流体粘度研究.硅酸盐通报,2006(5):第52-55页.利用水解法制备的纳米二氧化硅颗粒单步法制备的Cu-乙二醇纳米流体的TEM照片一步法制备一步法制备32真空圆柱体内装有低蒸汽压的液体，旋转液体使其在壁面形成很薄的新能源材料：纳米流体及其材料与应用两步法制备机械搅拌活性剂超声震荡颗粒+基液两步法制备：物理法和化学法 加入分散剂纳米流体纳米流体33新能源材料：纳米流体及其材料与应用两步法制备机械搅拌活性剂超纳米流体的悬浮稳定性纳米流体是一种胶体分散体系，悬浮稳定性包括：热力学稳定性：热力学稳定性：不稳定。由于纳米颗粒具有高比表面积和表面能，因此具有互相团聚来降低其表面能的趋势。动力学稳定性：动力学稳定性：相对稳定。在周围基液分子的轰击作用下，纳米颗粒处于剧烈的布朗运动，粒子自身的这种无规则随机运动可以减缓因中立作用而引起的沉淀过程。聚集稳定性：聚集稳定性：不稳定。纳米颗粒粒子一团聚难以自行分散，造成纳米粒子进一步聚集，团聚体逐渐增大，形成纳米粒子簇团。新能源材料：纳米流体及其材料与应用34纳米流体的悬浮稳定性纳米流体是一种胶体分散体系，悬浮稳定性包纳米流体体系的基本作用力连续作用力粒子与粒子之间的范德瓦尔斯引力静电排斥力（对于表面带有电荷的粒子）浮升力：重力与液体浮力的合力相间阻力：悬浮的纳米颗粒与周围液体存在相对速度，由Stokes定律可得，流动速度产生相间阻力瞬间作用力纳米粒子受到的由于基液分子的碰撞产生的布朗力外场作用力新能源材料：纳米流体及其材料与应用35纳米流体体系的基本作用力连续作用力新能源材料：纳米流体及其材纳米流体的分散方法物理分散方法物理分散方法：机械搅拌、超声分散、高压微射流分散超声分散：将纳米流体置于超声场中，用适当的频率和功率的超声波加以振动，克服粒子之间的相互吸引力。高压微射流分散：高压与微通道形成高速剪切流，对团聚体有拉伸的作用。新能源材料：纳米流体及其材料与应用3,000-23,000psi(204-1564 bar)Microchannels高压微射流分散仪示意图36纳米流体的分散方法物理分散方法：新能源材料：纳米流体及其材料纳米流体的分散方法化学分散方法化学分散方法：使用合适的分散剂，常用的分散剂主要有：（1）表面活性剂，表面活性剂，利用颗粒表面的电荷来吸附带有相反电荷表面活性剂分子，形成空间位阻与静电位阻。（2）无机电解质或无机聚合物无机电解质或无机聚合物，通过吸附原理使粒子带上正电荷或负电荷，增大粒子表面的静电斥力。但会引入杂质，影响导电率、耐蚀性等。（3）有机高聚物，有机高聚物，具有较大分子量，吸附在颗粒表面，高分子链在介质中充分伸展，形成空间位阻。对于离子型聚合物，还可形成静电位阻。新能源材料：纳米流体及其材料与应用37纳米流体的分散方法化学分散方法：使用合适的分散剂，常用的分散新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米流体的基本特性纳米流体在换热系统中具有极大的应用潜力。纳米流体在换热系统中具有极大的应用潜力。小质量分数的纳米颗粒添加量，可大大增加工质的导热小质量分数的纳米颗粒添加量，可大大增加工质的导热系数；系数；导热系数随温度变化；导热系数随温度变化；导热系数与纳米颗粒添加百分比的关系，非线性；导热系数与纳米颗粒添加百分比的关系，非线性；可强化沸腾传热可强化沸腾传热可作为润滑介质，减少流动阻力可作为润滑介质，减少流动阻力纳米流体将成为下一代的传热工质。纳米流体将成为下一代的传热工质。38新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米流体的基本特性纳米流体应用1 强化传热新能源材料：纳米流体及其材料与应用39Exp.油基多壁碳纳米管(MWNTs)纳米流体使用化学蒸发法可配制多壁碳纳米管使用化学蒸发法可配制多壁碳纳米管如图示，多壁碳纳米管平均直径为如图示，多壁碳纳米管平均直径为25nm，平均长度为，平均长度为50 m,并带有约并带有约30层环形层环形层。层。使用二步法配制的使用二步法配制的MWNTs-Oil纳米流体纳米流体稳定的稳定的MWNTs-Oil纳米流体分散体系能大纳米流体分散体系能大大提高有效导热系数。大提高有效导热系数。对比：对比：(a)不含分散剂的不含分散剂的MWNTs-Oil 纳米流体纳米流体 (b)含有丁二酰亚胺作为分散剂的含有丁二酰亚胺作为分散剂的MWNTs-Oil 纳纳米米流体流体(质量百分数质量百分数5%).39应用1 强化传热新能源材料：纳米流体及其材料与应用39Exp新能源材料：纳米流体及其材料与应用油基碳纳米管纳米流体的导热系数测试研究研究因素因素 颗粒种类颗粒种类颗粒粒径颗粒粒径 体积分数体积分数流体温度流体温度油基碳纳米管纳米流体导热率的理论值与油基碳纳米管纳米流体导热率的理论值与实验值对比实验值对比Appl.Phys.Lett.79,2252,2001.体积百分比1%的添加量150%导热系数的增量使用先进模型无法预测 （大圆点代表MWNTs-Oil nanofluid）预测模型为线性增长，而实验值随体积百分比增加呈呈40新能源材料：纳米流体及其材料与应用油基碳纳米管纳米流体的导热碳纳米管材料与普通纳米材料的对比新能源材料：纳米流体及其材料与应用41Reference胡倩.导热油纳米流体基础热物性及对流换热特换热特性实验研究D.浙江大学,2013.温度温度对于纳米流体导热率的影响对于纳米流体导热率的影响随温度上升，导热率下降随温度上升，导热率下降与基液的变化趋势相似与基液的变化趋势相似碳纳米管材料与普通纳米材料的对比新能源材料：纳米流体及其材料添加百分比对导热率的影响新能源材料：纳米流体及其材料与应用42油基-长碳纳米管纳米流体的添加百分比对导热系数的影响添加百分数越多，导热率越高导热率随温度变化而变化添加百分比对导热率的影响新能源材料：纳米流体及其材料与应用4新能源材料：纳米流体及其材料与应用温度、添加百分比对导热率的影响n添加百分比的变化对于导热率的影响n水基水基随温度升高，导热率增加n随温度变化，增长斜率不同。水基氧化铝纳米流体的导热率随温度变化水基氧化铝纳米流体的导热率随温度变化曲线曲线(*)J.Heat Transfer,125,567,2003.43添加量是否可以一直增加？还需要权衡添加百分比增大对于粘度、成本与导热率增加量的关系新能源材料：纳米流体及其材料与应用温度、添加百分比对导热率的纳米流体的流变特性新能源材料：纳米流体及其材料与应用4420nm 氧化铝导热油纳氧化铝导热油纳米流体粘度米流体粘度随随温度变化温度变化曲线曲线浓度大，增大而减小；浓度大，增大而减小；浓度小，先增大后减小。浓度小，先增大后减小。单颗粒引起的阻力大小单颗粒引起的阻力大小；颗粒量。颗粒量。纳米流体的流变特性新能源材料：纳米流体及其材料与应用4420新能源材料：纳米流体及其材料与应用粒径的影响纳米流体的微观结构纳米尺度的固液相间的分散剂层也会影响固液分散体系的热物性。对这方面的研究还比较缺乏。ANL 研究小组(Choi et.al.)认为纳米尺度的分散剂层可作为固液两相间的热量传递通道，这也是导热率大大增加的原因之一。该理论认为，对于小颗粒（r 5 nm），必须要考虑分散剂层的影响，而对于大颗粒来说，分散剂层的对导热率的影响较小。因此，加入更小的颗粒要比加入更多的大颗粒有效。微观模型包括纳米颗粒、固液相间的分散微观模型包括纳米颗粒、固液相间的分散剂层、大量基液剂层、大量基液45新能源材料：纳米流体及其材料与应用粒径的影响纳米流体的微新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米颗粒的布朗运动在纳米流体的导热模型构建中在纳米流体的导热模型构建中必须考虑纳米颗粒的布朗运动必须考虑纳米颗粒的布朗运动的影响。的影响。实线为考虑布朗运动的理论模实线为考虑布朗运动的理论模型，虚线为未考虑布朗运动的型，虚线为未考虑布朗运动的理论模型。理论模型。在预测模型中考虑了两种纳米在预测模型中考虑了两种纳米颗粒，颗粒，6nm Cu与与38nm Al2O3在1%体积百分数下，纳米流体的导热率增加比46新能源材料：纳米流体及其材料与应用纳米颗粒的布朗运动在纳米流应用2：页岩气开采将纳米颗粒加入以表面活性剂为主的清洁压裂液中，制成以压裂液为基液的纳米流体，来改善压裂液的特性。十二五目标十二五目标65亿立方米亿立方米/年年新能源材料：纳米流体及其材料与应用47应用2：页岩气开采将纳米颗粒加入以表面活性剂为主的清洁压裂常用的压裂液稠化剂天然植物胶纤维素合成聚合物如胍胶，价格如胍胶，价格较为昂昂贵，普遍用于常，普遍用于常规油气开油气开发热稳定性好，但摩定性好，但摩阻偏高，不能阻偏高，不能满足足大型大型压裂施工需要裂施工需要如以聚丙如以聚丙烯酰胺胺PAM为主的滑溜水，主的滑溜水，具有添加量少，价具有添加量少，价格低的格低的优势，在，在页岩气开采中效果好。岩气开采中效果好。溶解性差，配比成分复杂抗温抗剪切性能差，有残留新能源材料：纳米流体及其材料与应用48常用的压裂液稠化剂天然植物胶纤维素合成聚合物如胍胶，价格较为什么是粘弹性清洁压裂液？表面活性剂无机盐有机反离子盐u粘弹性清洁压裂液粘弹性清洁压裂液主要是由长链脂肪酸盐衍生物所形成的季铵盐作为表面活性剂表面活性剂加入到氯化钾、氯化镁、氯化钾、氯化镁、氯化铵、氯甲基四铵氯化铵、氯甲基四铵或水杨酸钠水杨酸钠溶液中配制而成。特点：特点：为小分子结构，可生物降解为小分子结构，可生物降解配比成分相对简单，溶解速度快配比成分相对简单，溶解速度快具有一定的粘弹性和抗剪切性具有一定的粘弹性和抗剪切性较小的表观粘度就能满足压裂携带支撑剂的要求；较小的表观粘度就能满足压裂携带支撑剂的要求；在高温下，分子溶解度大幅度增加，粘度下降快，造成粘在高温下，分子溶解度大幅度增加，粘度下降快，造成粘温性能的不稳定。温性能的不稳定。配比高，成本约为普通压裂液的配比高，成本约为普通压裂液的2-5倍；倍；新能源材料：纳米流体及其材料与应用49什么是粘弹性清洁压裂液？表面活性剂无机盐有机反离子盐粘弹性清加入高比表面高比表面积积的纳米颗粒，通过纳米颗粒缔缔合胶合胶束的特性束的特性来建立类似交联聚合物的网状结构，以提高在高温（60-100）时表观粘度的粘度的稳稳定性定性，并降低在岩缝中滤失特性在高温下，溶液中表面活性剂分子的溶解度会大幅度增加，在高温下，溶液中表面活性剂分子的溶解度会大幅度增加，粘度下降快，不能够满足高温下的压裂需要。粘度下降快，不能够满足高温下的压裂需要。针对解决的问题针对解决的问题应用2：页岩气开采表面活性剂新能源材料：纳米流体及其材料与应用50加入高比表面积的纳米颗粒，通过纳米颗粒缔合胶束的特性来建立类粘弹性液体的特性固体的弹性理想流体的粘性牛顿流体牛顿流体假塑性流体假塑性流体胀流性流体胀流性流体塑性流体塑性流体剪剪切切应应力力剪切速率剪切速率剪切速率剪切速率粘粘度度理想的压裂液：工作时具有较高的粘度在输入时具有较低的摩阻在压裂后能迅速降粘流动曲线粘度曲线新能源材料：纳米流体及其材料与应用51粘弹性液体的特性固体的弹性理想流体的粘性牛顿流体假塑性流体微胶囊的概念：微胶囊的概念：指一种具有聚合物壁壳的微型容器或包物。其大小一般为5-200m不等。微胶囊化：微胶囊化：制备微胶囊的过程称为微胶囊化。微胶囊化技术：微胶囊化技术：指将固体、液体或气体包埋在微小而密封的胶囊中，使其只有在特定条件下才会以控制速率释放的技术。其中，被包埋的物质称为心材心材，包括香精香料、酸化剂、甜味剂、色素、脂类、维生素、矿物质、酶、微生物、气体等。包埋心材实现微囊胶化的物质称为壁材壁材。新能源材料：纳米流体及其材料与应用应用3：微胶囊与纳米微胶囊技术52微胶囊的概念：指一种具有聚合物壁壳的微型容器或包物。其大小一微胶囊技术的应用历史微胶囊化始于本世纪微胶囊化始于本世纪30年代，但发展非常迅速。应用范围扩年代，但发展非常迅速。应用范围扩大到医药，农用化学品，黏胶剂和夜晶等各个领域大到医药，农用化学品，黏胶剂和夜晶等各个领域。1936年11月：大西洋海岸渔业公司(Atlantic Coast Fishers)提出了适用于在液体石蜡中，制备含鱼肝油明胶微胶囊鱼肝油明胶微胶囊的专利申请。1950年4月：东方柯达(Eastman Kodak)公司提出了将彩色照片用的乳液和三种基色颜料包敷(即微胶囊化)制备混合颗粒制备混合颗粒的专利申请。1953一1954年：NCR公司提出了利用凝聚法制备含油明胶微胶囊之基本方法的二个专利，以及利用上述基本方法制备微胶囊型压敏复写纸微胶囊型压敏复写纸的四个专利。除日本外，全世界都应用了这个专利。1956年3月：NCR公司提出了有关光电材料微胶囊化光电材料微胶囊化的专利申请。1957年11月：通用安尼莱因(Anlline)胶片公司提出用乙基纤维素将照相照相乳液微胶囊化乳液微胶囊化后成混合的细粒状的专利申请。新能源材料：纳米流体及其材料与应用53微胶囊技术的应用历史微胶囊化始于本世纪30年代，但发展非常迅芯材芯材：可可为油溶性、水溶性化合物或为油溶性、水溶性化合物或混合物。混合物。其其状态可为粉末、固体、液体或气体状态可为粉末、固体、液体或气体。可可包囊物的品种极其繁多包囊物的品种极其繁多,如交联剂、催化剂、化学反应剂、如交联剂、催化剂、化学反应剂、显色剂、给湿剂、药物、杀虫剂、矿物油、水溶液、染料、显色剂、给湿剂、药物、杀虫剂、矿物油、水溶液、染料、颜料、洗涤剂、食品、液晶、溶剂、气体、疏水化合物及颜料、洗涤剂、食品、液晶、溶剂、气体、疏水化合物及无机胶体等。无机胶体等。壁材壁材：可可用作微胶囊包囊材料的有天然高分子、半合成高分子和用作微胶囊包囊材料的有天然高分子、半合成高分子和合成合成高分子材料。高分子材料。视视所包囊物质所包囊物质(囊心物囊心物)的性质的性质,进行选择。进行选择。油油溶性囊心物需选水溶性包囊材料溶性囊心物需选水溶性包囊材料,水溶性囊心物则选油溶水溶性囊心物则选油溶性包囊材料性包囊材料,即包囊材料应不与囊心物反应即包囊材料应不与囊心物反应,不与囊心物混不与囊心物混溶溶。常见的微胶囊原材料新能源材料：纳米流体及其材料与应用54芯材：常见的微胶囊原材料新能源材料：纳米流体及其材料与应用5 微胶囊技术中常用壁材种类碳水化合物碳水化合物变性淀粉、麦芽糊精、玉米糖性淀粉、麦芽糊精、玉米糖浆、环糊糊精、蔗糖、乳糖、精、蔗糖、乳糖、纤维素、胶体、葡聚素、胶体、葡聚糖糖蛋白蛋白质明胶、大豆蛋白、乳清蛋白、谷蛋白、明胶、大豆蛋白、乳清蛋白、谷蛋白、血血红蛋白、蛋白、鸡蛋清蛋白蛋清蛋白脂脂类石蜡、蜂蜡、硬脂酸甘油三石蜡、蜂蜡、硬脂酸甘油三酯、单甘脂、甘脂、甘油二甘油二酯、油、脂肪、油、脂肪、氢化物、卵磷脂化物、卵磷脂新能源材料：纳米流体及其材料与应用55 微胶囊技术中常用壁材种类碳水化合物变性淀粉、麦芽糊精、玉米微胶囊的作用粉末化降低挥发性提高物质的稳定性(易氧化，易见光分解，易受温度或水分影响的物质)掩味隔离活性成分控制释放控制释放新能源材料：纳米流体及其材料与应用56微胶囊的作用粉末化新能源材料：纳米流体及其材料与应用56微胶囊释放的方式溶解扩散溶解扩散利用高分子材料溶解性随人体各部位PH值不同而改变的特点，使囊材在指定部位溶解，释放包裹的药物，使药效提高并减少副作用。膜层膜层破裂破裂制备特定囊膜，使其在加热条件下熔化或分解，释放出芯料。降解降解微生物的分解作用使包膜受损，这对微囊肥料尤其重要。新能源材料：纳米流体及其材料与应用57微胶囊释放的方式溶解扩散新能源材料：纳米流体及其材料与应用5基于凝固相的分离制备基于凝固相的分离制备微胶囊：微胶囊：通过通过在一个不能混在一个不能混合的连续相中乳化或分散核心物质合的连续相中乳化或分散核心物质(如缓蚀剂如缓蚀剂)来制来制备微胶囊备微胶囊.基于界面反应制备基于界面反应制备微胶囊：微胶囊：通过通过在一个不能混合的在一个不能混合的连续相中乳化或分散核心物质连续相中乳化或分散核心物质(如缓蚀剂如缓蚀剂)来制备微来制备微胶囊胶囊.水相水相分离分离：包括包括复杂的凝聚作用。包括复杂的凝聚复杂的凝聚作用。包括复杂的凝聚作用，界面的凝聚作用和内环境中界面聚合凝聚作作用，界面的凝聚作用和内环境中界面聚合凝聚作用都广泛地用于亲油物质的微胶囊的合成过程用都广泛地用于亲油物质的微胶囊的合成过程,这这个过程的最终产物为缓蚀剂微胶囊的水分散物个过程的最终产物为缓蚀剂微胶囊的水分散物.微囊化的原理新能源材料：纳米流体及其材料与应用58基于凝固相的分离制备微胶囊：通过在一个不能混合的连续相中乳化微囊化的方法和步骤化学法：主要利用单体小分子发生聚合反应生成化学法：主要利用单体小分子发生聚合反应生成高分子或膜材料并将芯材包覆高分子或膜材料并将芯材包覆,常使用的是常使用的是界面聚界面聚合法和原位聚合法合法和原位聚合法。物理法：物理法是利用物理和机械原理的方法制物理法：物理法是利用物理和机械原理的方法制备微胶囊备微胶囊,主要有主要有空气悬浮法、喷雾干燥法、真空空气悬浮法、喷雾干燥法、真空蒸发沉积法和包结络合法蒸发沉积法和包结络合法等等。物理化学法：通过改变条件物理化学法：通过改变条件(温度、值加入电温度、值加入电解质等解质等)使溶解状态的成膜材料从溶液中聚沉出来使溶解状态的成膜材料从溶液中聚沉出来并将芯材包覆形成微胶囊并将芯材包覆形成微胶囊,具体有具体有凝聚法、油相分凝聚法、油相分离法、干燥浴法、熔化分散冷凝法离法、干燥浴法、熔化分散冷凝法等。等。分为分为囊心囊心物的分散、囊材的加入、囊材的沉积和囊材的固物的分散、囊材的加入、囊材的沉积和囊材的固化化4步步。新能源材料：纳米流体及其材料与应用59微囊化的方法和步骤化学法：主要利用单体小分子发生聚合反应生成一般步骤：芯材分散壁材包覆新能源材料：纳米流体及其材料与应用60一般步骤：芯材分散壁材包覆新能源材料：纳米流体及其材料与微胶囊的性能测试微胶囊的性能一般指微胶囊的微胶囊的性能一般指微胶囊的大小大小、包囊层、包囊层厚度厚度、囊心物的囊心物的质量百分数质量百分数、包囊膜的、包囊膜的渗透性渗透性、表面、表面电电荷密度荷密度、微胶囊的、微胶囊的形态形态等等。影响微胶囊性能的因素有影响微胶囊性能的因素有:pH:pH、离子强度、搅拌速、离子强度、搅拌速度、温度、表面活性剂的种类及用量、包囊材料度、温度、表面活性剂的种类及用量、包囊材料的性能、囊心物与包囊材料的比率、包囊材料与的性能、囊心物与包囊材料的比率、包囊材料与溶剂的比率等。除此以外溶剂的比率等。除此以外,对于释放型微胶囊对于释放型微胶囊,包包囊膜的孔洞大小及几率、介质性能等均影响其释囊膜的孔洞大小及几率、介质性能等均影响其释放性能放性能。新能源材料：纳米流体及其材料与应用61微胶囊的性能测试微胶囊的性能一般指微胶囊的大小、包囊层厚度、相变材料微胶囊在传热流体方面的应用新能源材料：纳米流体及其材料与应用62强化传热的机理机理主要为以下两点：（1）相变材料在融化时增加了整体的比热容（2）两相间的微对流增加了管壁与工质间的传热基于这些普通传热工质没有的优点，两相流体能明显降低流体的体积流量，减少管路的尺寸、降低泵的耗功。功能热流体中的纳米微胶囊纳米微胶囊，可极大地强化流体的传热性能，但也存在容易破裂、堵塞管道等缺点。相变材料微胶囊在传热流体方面的应用新能源材料：纳米流体及其材相变材料微胶囊在传热流体方面的应用相变材料微胶囊功能热流体属于多相流，流动和传热特性复杂，涉及到多种因素，需要进行大量的研究。早期文献指出，相变材料微胶囊功能热流体能够提供1040倍于一般流体的等效热容，使流体的努谢尔数Nu提高23倍。当微胶囊的体积分数小于25时，相变材料微胶囊功能热流体可以当成牛顿流体；理想条件下，流体的努谢尔数Nu高出一般的单相流1.54倍。新能源材料：纳米流体及其材料与应用63相变材料微胶囊在传热流体方面的应用相变材料微胶囊功能热流体属纳米胶囊与普通微胶囊的对比项目目普通微胶囊普通微胶囊纳米胶囊米胶囊壳材料壳材料取材广泛，包括多种无机材料和有机材料，其中高分子材料最为常用主要为可生物降解的高分子物质，如聚乳酸、明胶、巨氰基丙烯酸酯等分散性分散性粒径5 400m,分散于水中为悬浊液粒径11000nm,易分散于水中形成透明的胶体溶液制制备方法方法包括机械、物理、化学和物理化学等多种方法多采用单凝聚法、聚合法、相分离法、多重乳液法等新能源材料：纳米流体及其材料与应用64纳米胶囊与普通微胶囊的对比项目普通微胶囊纳米胶囊壳材料取材广微胶囊的应用胶囊墨液墨液是少数紫外光固化型胶囊墨液的代表性产品.该产品系将染料前体封入粒径2m的微胶囊中，再将它均匀分散在紫外光固化型齐聚物中，加以墨液化而形成的。当它用胶印印刷时，用紫外光照射，促使齐聚物固化，成为一种新的复制方式。新能源材料：纳米流体及其材料与应用65微胶囊的应用胶囊墨液墨液是少数紫外光固化型胶囊墨液的代表微胶囊的应用全色热敏纸新能源材料：纳米流体及其材料与应用66微胶囊的应用全色热敏纸新能源材料：纳米流体及其材料与应用微胶囊在各个领域的应用医药中的应用医药中的应用:药物药物经微囊化以后经微囊化以后,可防止其在空气中分可防止其在空气中分解解,减少对人体脏器的刺激减少对人体脏器的刺激,通过控制释放通过控制释放(即缓释即缓释),可减可减少服药量少服药量,延长药效。延长药效。农药中的应用农药中的应用:微囊化微囊化农药制剂以其能够延长药效期农药制剂以其能够延长药效期,提提高药效高药效,降低挥发损失以及隐蔽难闻气味、降低对人畜降低挥发损失以及隐蔽难闻气味、降低对人畜的毒性和刺激等优点而受到重视。的毒性和刺激等优点而受到重视。香料中的应用香料中的应用:采用微胶囊技术将液体香精用天然或合采用微胶囊技术将液体香精用天然或合成高分子化合物作壁形材微囊化而制得固态的微囊香精成高分子化合物作壁形材微囊化而制得固态的微囊香精。克服克服了液态香精易于挥发的缺点了液态香精易于挥发的缺点,进一步进一步扩大了香料的扩大了香料的使用使用范围范围。新能源材料：纳米流体及其材料与应用67微胶囊在各个领域的应用医药中的应用:药物经微囊化以后,可防止破胶剂的应用：破胶剂的应用：将破胶剂微胶囊化，当达到一定深度的底将破胶剂微胶囊化，当达到一定深度的底层时由于温度上升，壁材溶解，破胶剂释放，达到定时层时由于温度上升，壁材溶解，破胶剂释放，达到定时定温破胶的目的。具有耐高温的特点，适合做成高温破定温破胶的目的。具有耐高温的特点，适合做成高温破胶剂。胶剂。颜料颜料、染料中的应用、染料中的应用:在颜料粒子表面形成一层或多层改在颜料粒子表面形成一层或多层改性包覆膜性包覆膜,可提高颜料在分散介质中的润湿性和分散性。可提高颜料在分散介质中的润湿性和分散性。不同的颜料不同的颜料,通过选择不同的包覆材料通过选择不同的包覆材料,可制得具有良好可制得具有良好着色力、光泽度及耐光、耐热、耐溶剂等性能的微胶囊着色力、光泽度及耐光、耐热、耐溶剂等性能的微胶囊颜料。颜料。粘合剂中的应用粘合剂中的应用:微囊化的粘合剂通常以固态存在微囊化的粘合剂通常以固态存在,使用前使用前并无粘性并无粘性,仅在施压后产生粘性仅在施压后产生粘性,所以使用极为方便所以使用极为方便,操作操作简单简单,并降低了粘合剂中某些组分的毒性及挥发性并降低了粘合剂中某些组分的毒性及挥发性,而且而且不会因为久置而失云粘接效果。不会因为久置而失云粘接效果。新能源材料：纳米流体及其材料与应用68微胶囊在各个领域的应用破胶剂的应用：将破胶剂微胶囊化，当达到一定深度的底层时由于温新应用领域通过研究有效换热系数更好地传热介质，可制造更为紧凑的换热器。通过研究有效换热系数更好地传热介质，可制造更为紧凑的换热器。如如车辆散热、航天器热控制、电子仪器散热设备车辆散热、航天器热控制、电子仪器散热设备。在换热器传热工质的设计中，需要理想的工质要具有高导热系数与在换热器传热工质的设计中，需要理想的工质要具有高导热系数与低摩阻的特点。加入合适的低摩阻的特点。加入合适的聚合物添加剂聚合物添加剂，可以提高导热率，并减，可以提高导热率，并减少流动阻力。少流动阻力。在在核工业核工业中，可作为循环换热工质，减少反应堆尺寸，提高核能系中，可作为循环换热工质，减少反应堆尺寸，提高核能系统的安全性与经济性。统的安全性与经济性。提高导热油的导热系数，有助于提高导热油的导热系数，有助于太阳能集热器太阳能集热器在高温段的应用。在高温段的应用。69新能源材料：纳米流体及其材料与应用自然与纳米流体自然界中存在着各式各样类似的纳米流体，如血液等。在这自然界中存在着各式各样类似的纳米流体，如血液等。在这些液体中存在着不同尺度范围的纳米颗粒。些液体中存在着不同尺度范围的纳米颗粒。对于生物、医学等领域都有着重要的研究意义。对于生物、医学等领域都有着重要的研究意义。新应用领域通过研究有效换热系数更好地传热介质，可制造更为紧凑未来研究方向在纳米颗粒与基液界面上的在纳米颗粒与基液界面上的化学作用与物理作用化学作用与物理作用，对纳米流体的流动与传热行为有更为深入的了解。对纳米流体的流动与传热行为有更为深入的了解。拓展对于纳米流体复杂体系的拓展对于纳米流体复杂体系的理论性研究理论性研究。发展新的纳米流体的发展新的纳米流体的实验表征手段实验表征手段。发展能观测到纳米流体中发展能观测到纳米流体中纳米级的结构及运动纳米级的结构及运动的手的手段。段。发展对纳米流体流动与换热的数值计算发展对纳米流体流动与换热的数值计算模拟模拟研究，研究，对于纳米颗粒与基液分子间的物理、化学作用的对于纳米颗粒与基液分子间的物理、化学作用的模模拟拟研究。研究。70新能源材料：纳米流体及其材料与应用未来研究方向在纳米颗粒与基液界面上的化学作用与物理作用，对纳