熱傳導-TC 納米流體濃度與導熱特性的關係

在設計節能電器、工具和結構時，無數行業都依賴於具有高導熱性的材料。在設計熱技術，尤其是液態材料，導熱率的高低在不同情境下都是關鍵要素。當前，最常用於提高混合物整體導熱性的解決方案，即為將導熱納米粒結合混合傳熱流體(Heat Transferring Fluid，HTF)。通常，導熱納米粒具有更高的熱導率。即便如此，根據研究結果顯示添加濃度的提升，液體材料會產生流變行為，比如純黏性流體轉變為彈性流體。以本文的炭黑為例，在添加一定比例的濃度後，碳黑添加得越多，不只會導致原材料的質變且熱導率可能無法獲得有效提升。所以該如何從中獲取平衡，判斷正確濃度是最為關鍵的要點，才能最準確且有效的促進熱的傳導。

此次測試將嘗試驗證導熱炭黑納米顆粒混合乙二醇溶劑後的熱傳遞表現，在此文將描述該如何選中含有不同濃度炭黑納米粒子的乙二醇，以及其影響傳熱能力的結果。

▲圖一乙二醇和粉狀炭黑

材料

炭黑(CB)：一種相對導電的物質，大多被用在橡膠工業中用作填料，或是顏料、油墨的成分。在電氣工業中被用於製造電極和碳刷。
乙二醇 (CH2OH)2：一種透明、微黏的酒精，常被用來作為傳熱介質的溶劑，最常見的應用為汽車防凍劑。

測試和結果

瞬態熱絲法 (Transient Heat Wire)目前被科學界認可為測量液體熱導率最為精準的方法。在此實驗中，實驗人員採用THW-L2熱傳導檢測儀(圖二)，其所遵循之國際標準測試方法為ASTM D7896，可測得熱導範圍為0.01 ~ 2W/mK，精準度±5%，再現性±2%。

▲圖二 THW-L2可攜式熱傳導檢測儀

此測試的混合物樣品濃度依序分別為1、2、3、5、7、9 和 11% 的 LITX ® CB 濃度。添加進乙二醇後，會將其置於離心混合器中，以 2000 rpm 的速度持續 5 分鐘進行混合。當樣品在紙上塗抹時看起來有光澤即被視為均勻。而後測試人員分別在 20 和 30°C 的溫度下測量流體，對應之熱導率可參見表1。

▲表一不同濃度的流體與其對應之熱導值

乙二醇的熱導率隨炭黑濃度不同而提升

▲圖三乙二醇的熱導率(W/mK)隨炭黑濃度不同而提升

根據表一以及圖三可以看到在不同濃度下，流體熱導值的提升。在添加1%得炭黑時，熱導值已上升2%。持續添加至11%，可以看到已比原先乙二醇本體之熱導率大幅提升約38.5%。但在此實驗中，實驗人員亦發現在添加9%或更高以後，會引發樣品從純黏性液體轉變為彈性為主的液體。

在投入導熱納米粒結合混合傳熱流體的進一步研究時，尤其是需有大量能量傳遞的行業，不妨深入了解原材料以及混合材的熱性能與質變特質，以將傳熱流體研發成更為高效的熱導體，不僅節省能源，更能降低損耗以及成本開銷。

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