碳包金屬納米顆粒導熱材料的研究與應用.pdf

1、隨著電子器件、熱管和高能元件等傳熱強度的不斷提高，材料的傳熱負荷日益增大，傳統(tǒng)導熱材料已難以滿足高效換熱技術發(fā)展的需要。納米碳材料具有優(yōu)異的導熱性能，其熱導率遠遠高于傳統(tǒng)導熱流體和高分子材料。將納米碳材料通過特定方式加入到傳統(tǒng)導熱材料如水、乙二醇和橡膠等中可提高復合材料的導熱性能。金屬納米顆粒（如鐵、銅、鋁納米粉末）的比表面積大、化學活性強，對所處環(huán)境特別敏感，極易氧化而影響其性能和工程應用。具有殼核結構的碳包金屬納米材料既可以利用表面

2、碳殼的特殊性能，又能發(fā)揮內(nèi)核金屬的特性，使這種材料綜合了單一組分材料的優(yōu)異性能，被認為在傳熱學、磁學、電學和醫(yī)學等領域有著巨大的應用前景。
　　本文以碳包金屬納米顆粒材料為研究對象，通過直流電弧放電法制備碳包鐵(Fe@C)、碳包鋁(Al@C)和碳包銅(Cu@C)納米顆粒，一方面將其填充到傳統(tǒng)高分子硅橡膠材料中制成導熱硅橡膠復合材料，另一方面將其分散到傳統(tǒng)導熱流體中制成碳包金屬納米流體，文章還探討了碳包鐵納米顆粒材料在腫瘤的消融和熱

3、療中的應用。本文主要研究內(nèi)容與結果如下:
　　(1)直流電弧放電法制備碳包金屬納米顆粒的研究
　　使用改進的直流電弧放電法，優(yōu)化制備工藝，合成高質(zhì)量的碳包鐵(Fe@C)、碳包鋁(Al@C)和碳包銅(Cu@C)納米顆粒;通過X射線衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X-射線能譜(EDS)等手段研究了顆粒的形貌、組成和結構;論述了真空氬氣條件下直流電弧放電法合成碳包金屬納米顆粒的形成機理。結果表明

4、，碳包金屬納米顆粒均為球形或類球形，粒徑分布在20～70nm之間，內(nèi)核金屬的晶化程度高，具有明顯的核-殼結構，外層碳殼厚度在3～8nm范圍;其中Fe@C和Cu@C顆粒具有很好的碳包裹性。結合電弧放電特點和金屬-碳相圖，在汽液固理論基礎上提出碳包金屬納米顆粒的形成分成核、顆粒生長和核殼生成三個階段，即氣相原子劇冷后均勻成核形成液滴，再通過吸附和聚集方式長大，最后經(jīng)內(nèi)碳析出和外碳沉積方式形成核殼結構納米顆粒。
　　(2)碳包銅納米顆粒

5、/室溫硫化硅橡膠導熱復合材料的制備與研究
　　以碳包銅(Cu@C)納米顆粒為導熱填料，以α，ω-二羥基聚二甲基硅氧烷為基膠，采用機械共混法制備了低填充型(＜30wt％) Cu@C/室溫硫化硅橡膠導熱復合材料;研究了Cu@C對室溫硫化硅橡膠導熱復合材料導熱性能、熱穩(wěn)定性及力學性能的影響。結果表明，Cu@C具有較大的比表面積，在基體中分散較均勻，顆粒間相互接觸形成導熱網(wǎng)鏈。Cu@C填料能有效提高室溫硫化硅橡膠的熱穩(wěn)定性和導熱性能。室溫

6、硫化硅橡膠的熱分解起始溫度提高到422℃，最終分解溫度延緩至625℃。Cu@C/室溫硫化硅橡膠復合材料的導熱性能取決于填料在基體中的分布情況。當填料含量較少時，其對復合材料的導熱性能的改善不大;當含量過多時，顆粒發(fā)生堆垛，界面缺陷增多，熱阻增大，不利導熱，另外其力學性能也受到影響。只有當填料含量達到某一值時，填料之間相互接觸形成導熱網(wǎng)鏈，產(chǎn)生協(xié)同作用，復合材料獲得最佳導熱性能。Cu@C填充量為30％時，復合材料的熱導率達2.41 W/(

7、m· K)，比基體提高了11.5倍。隨著Cu@C填充量的增加，材料的拉伸強度和斷裂伸長率下降，100％定伸應力和硬度增大。
　　(3)碳包鐵/生理鹽水納米流體的研究
　　采用兩步法，以生理鹽水為基液，以十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、阿拉伯樹膠(GA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為表面活性劑，添加不同量的碳包鐵納米顆粒配制成碳包鐵/生理鹽水納米流體。研究了表面活性劑種類、超聲分散、流體pH值對納米流體分散穩(wěn)定性的影響關系;研究了

8、表面活性劑種類和碳包鐵質(zhì)量分數(shù)對流體導熱系數(shù)的影響關系。結果表明，施加超聲震蕩、添加表面活性劑可有效提高納米流體的分散穩(wěn)定性。納米流體中顆粒的平均粒徑經(jīng)高功率超聲震蕩300s后趨于平穩(wěn);SDBS、PVP和GA主要通過靜電穩(wěn)定、空間位阻穩(wěn)定和靜電位阻穩(wěn)定機制對流體起分散穩(wěn)定作用。調(diào)節(jié)流體pH值可改變顆粒表面的Zeta電位值，提高流體的分散穩(wěn)定性，添加SDBS、PVP和GA的納米流體獲得最佳分散穩(wěn)定性的pH值為8.8、7.2和6.5,對應顆

9、粒平均粒徑為128nm、181nm、240nm。納米流體的導熱系數(shù)與碳包鐵納米顆粒含量的關系，因添加不同表面活性劑而表現(xiàn)不同。添加PVP納米流體的導熱系數(shù)在納米顆粒質(zhì)量分數(shù)0.11％時達最高值0.94 W/(m· K)。納米流體導熱性能的提高不僅與添加了高導熱能力的碳包金屬納米顆粒有關，而且與納米顆粒在流體中的分散狀態(tài)也有重要關系。
　　(4)碳包鐵納米顆粒在腫瘤消融和熱療中的應用研究
　　研究了包括碳包鐵/生理鹽水納米流體

10、在內(nèi)的四種流體介質(zhì)在射頻消融(RFA)中的消融效果，分析了四種流體與射頻消融的協(xié)同作用。結果表明，生理鹽水、無水乙醇和碳包鐵/無水乙醇的RFA消融區(qū)中心溫度超過100℃，組織發(fā)生炭化，消融區(qū)組織溫度分布梯度大，三種流體所對應的平均消融面積分別為7.147cm2、8.655cm2和9.550cm2;相比之下，碳包鐵/生理鹽水納米流體協(xié)同的RFA消融中心最高溫度低于100℃，消融中心區(qū)域未見明顯炭化，消融區(qū)組織溫度分布梯度小，其平均消融面積

11、達11.938cm2,是生理鹽水灌注情況下消融面積的167％，具有較大的消融范圍和較好的消融效果，說明通過碳包鐵/生理鹽水納米流體灌注輔助的RFA在單針情況下可以獲得更大的消融范圍。射頻消融中的熱量傳遞與組織中納米流體的導熱系數(shù)和碳包鐵的含量均有關系。流體的導熱系數(shù)越高，碳包鐵在組織中的分布越均勻，熱量傳遞的速度就越快，范圍越大。碳包鐵含量低，組織中粒子分布不足，熱量傳遞效率不高;碳包鐵含量過高，容易導致粒子塞積，粒子分布范圍有限，熱量

12、傳遞效率也得不到提高;適量的碳包鐵不僅利于提高納米流體的導熱系數(shù)，而且均勻分布在豬肝組織中可以提高熱量傳遞的效率，增大熱量傳遞的范圍，提高射頻消融的效果。
　　通過注射注入法和挖孔填入法將碳包鐵納米顆粒置入原塊豬肝中研究碳包鐵顆粒的磁感應發(fā)熱性能，結果表明，碳包鐵顆粒的鐵含量越高，顆粒質(zhì)量越大，在原塊豬肝中的磁感應發(fā)熱效果越明顯。碳包鐵與生理鹽水混合后注入原塊豬肝中的發(fā)熱溫度高于直接將碳包鐵挖孔填入豬肝的發(fā)熱溫度;鐵含量80％的樣