面向高效换热工质的纳米流体及其制备方法和换热设备与流程

本发明涉及纳米材料与热能利用技术领域，具体地，涉及面向高效换热工质的纳米流体及其制备方法以及换热设备。

背景技术：

纳米流体具有特殊的热辐射特性和强化传热性质，能够大幅提升传热工质的导热系数和传热系数，使得纳米流体在热能利用领域具有独特的应用前景。目前，常用于制备纳米流体的纳米颗粒有金属、金属氧化物和碳系材料等，同时配以能够包裹纳米颗粒的分散剂，平衡颗粒重力的影响，保证纳米流体的稳定性。但是，目前的纳米流体存在以下缺点：1、金属或金属氧化物纳米颗粒的比重大，需要大量使用分散剂，导致界面热阻增大，溶液粘度增加；2、虽然碳纳米材料的比重较低，但其结构亲水性较差，难以在水相中均匀分散；3、针对碳纳米材料的常规改性方法需要使用强酸、强碱、强氧化剂或是严苛的反应条件，后期处理工艺复杂，容易腐蚀设备，环保成本高；4、一般地，碳纳米材料的改性方法只能满足实验室规模制备，难以实现大批量、可连续地工业化生产；5、受限于碳纳米结构的自身性质和纳米流体的制备工艺，纳米流体的导热和传热换热性能不高，难以获得高性价比的传热换热纳米流体工质。

因而，目前的纳米流体制备技术仍有待改进，以扩大其在传热工质中应用前景。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种操作简单、方便，易于实现大规模生产的纳米流体制备方法，在制备过程中杜绝了强酸、强碱和强氧化剂的使用或是严苛的反应条件，仅需添加少量剥离剂，便可以制得传热系数或者导热系数较高的纳米流体。

在本发明的一方面，本发明提供了一种制备纳米流体的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：将所述膨胀石墨与剥离剂在第一基础液中混合，得到第一混合物；对所述第一混合物进行原位液相剥离处理，得到含有石墨烯纳米片的石墨烯原浆；将所述石墨烯原浆分散到第二基础液中，得到所述纳米流体。发明人发现，该方法操作简单、方便，安全环保，对膨胀石墨进行原位液相剥离处理即可获得石墨烯纳米片，反应条件较为温和，无需对膨胀石墨进行氧化处理，无需后续处理工艺，极大简化制备工艺，有利于降低成本以及实现大规模生产，石墨烯原浆中石墨烯纳米片的含量高，使得石墨烯原浆体系的稳定性较高，在剥离剂的辅助下石墨烯纳米片的剥离程度高、分散性好，进而使得纳米流体中石墨烯纳米片的分散程度高、均一、稳定性佳，且在长期使用过程中均能保持良好的稳定性；该纳米流体中不含有分散稳定剂，降低了石墨烯纳米片与基础液之间的界面热阻，传热系数和导热系数较高，换热效果较佳；且膨胀石墨的原料充足、价廉易得，石墨烯纳米流体的生产成本低(1wt％石墨烯纳米片含量的成本约0.5元/公斤)，市场竞争力较强。

根据本发明的实施例，基于所述膨胀石墨的总质量，所述膨胀石墨中的固定碳含量>95％。由此，获得的纳米流体的传热系数和导热系数较高，换热效果优异。

根据本发明的实施例，所述膨胀石墨的粒径5微米–1000微米。

根据本发明的实施例，所述剥离剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇对异辛基苯基醚、聚乙烯吡咯烷酮中的至少之一。由此，材料来源广泛，价格低，容易插入膨胀石墨中的石墨片层中，进而有利于将膨胀石墨分散成石墨烯纳米片；且无需使用强碱、强氧化剂或其它有毒有害试剂，反应条件温和，无需后续处理工艺，安全环保，有利于大规模生产。

根据本发明的实施例，所述剥离剂与所述膨胀石墨的质量比为1:10–1:1。

根据本发明的实施例，所述原位液相剥离的方式包括：超声破碎、高速剪切乳化、高速均质搅拌、行星球磨、搅拌球磨、微射流均质、高压均质以及砂磨中的至少之一。由此，原位液相剥离处理操作简单、方便，易于实现，可以有效将膨胀石墨充分剥离，并获得剥离程度较高的石墨烯纳米片。

根据本发明的实施例，所述原位液相剥离过程中消耗的能量与所述第一混合物的质量之比为0.5kwh/kg–100kwh/kg，优选为2kwh/kg–40kwh/kg。由此，可以充分的将膨胀石墨剥离成石墨烯薄片，节约时间和成本，适于大规模生产。

根据本发明的实施例，基于所述石墨烯原浆的总质量，所述石墨烯原浆中石墨烯纳米片的浓度为10wt％–40wt％。由此，石墨烯原浆的浓度较为合适，有利于获得剥离程度较高的石墨烯纳米片，且石墨烯原浆粘度较为合适，可以在较长的时间内保持较佳的稳定性。

根据本发明的实施例，将所述石墨烯原浆分散到第二基础液中的方式包括磁力搅拌、机械搅拌、均质混合以及砂磨中的至少之一。由此，操作简单、方便，易于实现，适于大规模生产。

根据本发明的实施例，所述分散过程中消耗的能量与所述石墨烯原浆和所述第二基础液的混合物的质量之比为0.1kwh/kg–20kwh/kg，优选为0.1kwh/kg–5kwh/kg。由此，可以将石墨烯原浆均匀的分散在第二基础液中，进而有利于提高纳米流体的导热性能以及传热性能。

根据本发明的实施例，基于所述纳米流体的总质量，所述纳米流体中石墨烯纳米片的含量为0.025wt％–1wt％。由此，纳米流体的浓度较为合适，导热性能以及传热性能较佳，粘度较低，纳米流体的流动阻力较小，可以降低对管道的磨损以及降低泵的功耗，节约能源，利于推广使用。

根据本发明的实施例，所述第一基础液和所述第二基础液各自独立的包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇、n-甲基吡咯烷酮以及硅油中的至少之一。由此，第一基础液和所述第二基础液的来源广泛，导热性能以及传热性能较佳，石墨烯纳米片在上述基础液中的分散比较均匀，能够进一步提高纳米流体的导热性能以及传热性能。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种纳米流体。根据本发明的实施例，该纳米流体是利用前面所述的方法制备得到的。发明人发现，该纳米流体无需使用分散剂，降低了纳米粒子与基础液之间的界面热阻，进而充分提高纳米流体的换热系数以及导热系数，石墨烯纳米片在基础液中分散的比较均匀，稳定性较佳，在冷却系统、地热能利用或者工业余热回收等领域具有广阔的应用前景。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种换热设备。根据本发明的实施例，所述换热设备中的传热工质包括前面所述的纳米流体。发明人发现，在换热装置中采用石墨烯纳米流体的换热效果较佳，有利于降低能耗、节约能源，市场竞争力较强，可以应用于电子器件的微冷却、汽车发动机冷却系统、地热能利用或者工业余热回收等领域。

附图说明

图1是本发明一个实施例中制备纳米流体的方法流程示意图。

图2是本发明一个实施例评价纳米流体换热性能的装置示意图。

图3是实施例1中石墨烯纳米片的表征结果图，其中a是实施例1中石墨烯纳米片的比表面积测试曲线，b实施例1中石墨烯纳米片的孔容测试曲线。

图4是实施例1中石墨烯纳米片的拉曼测试曲线。

图5是实施例1中石墨烯纳米片的透射电镜图。

图6是纳米流体的数码照片，其中a展示了刚制备好的纳米流体，b展示了静置6个月后的纳米流体。

图7是纳米流体中石墨烯纳米片在不同浓度时的热导率随温度的变化曲线。

图8是纳米流体中石墨烯纳米片在不同浓度时的换热系数随雷诺系数的变化曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一方面，本发明提供了一种制备纳米流体的方法。根据本发明的实施例，参照图1，该方法包括：

s100：将所述膨胀石墨与剥离剂在第一基础液中混合，得到第一混合物。

根据本发明的实施例，所述膨胀石墨中的固定碳含量>95％，如96％、97％、98％、99％等。由此，相对于上述固定碳含量，膨胀石墨碳含量高，将其剥离之后获得的石墨烯纳米片的导热性能优异。当膨胀石墨的碳含量过低时，则可能因为杂原子的存在而降低石墨烯的传热性能。

根据本发明的实施例，所述膨胀石墨的粒径5–1000微米(例如5微米、10微米、50微米、100微米、200微米、300微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米、1000微米等)。由此，可以获得较为平衡的加工性能和传热性能。相对于上述粒径范围，当膨胀石墨的粒径过小时则会使纳米片比表面积过大而相对急剧地推升纳米流体的粘度，当膨胀石墨的粒径过大时则会使纳米片的碰撞几率相对减小而不利于增强换热效果。

根据本发明的实施例，所述剥离剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、聚乙二醇对异辛基苯基醚、聚乙烯吡咯烷酮中的至少之一。由此，材料来源广泛，价格低，容易插入膨胀石墨中的石墨片层中，进而有利于将膨胀石墨分散成石墨烯纳米片；且无需使用强碱、强氧化剂或其它有毒有害试剂，反应条件温和，无需后续处理工艺，安全环保，有利于大规模生产。

根据本发明的实施例，所述剥离剂与所述膨胀石墨的质量比为1:10–1:1(例如1:10、1:9、1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1等)。由此可获得较好的剥离效果和分散状态，相对上述比例范围，当剥离剂与膨胀石墨的质量比过大时，则可能造成体系粘度相对过高而降低剥离程度、损害加工性能；当剥离剂与膨胀石墨的质量比过小时，则易导致因片层间相对更大的范德华力而发生二次团聚。

根据本发明的实施例，所述第一基础液包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇、n-甲基吡咯烷酮以及硅油中的至少之一。由此，第一基础液的潜在应用场景广泛，导热性能以及传热性能较佳，石墨烯纳米片在上述基础液中的分散比较均匀，能够进一步提高纳米流体的导热性能以及传热性能。

s200：对所述第一混合物进行原位液相剥离处理，得到含有石墨烯纳米片的石墨烯原浆。

根据本发明的实施例，剥离剂能与石墨碳产生较强相互作用(如π强相键作用)而嵌入膨胀石墨的石墨片层之间，同时利用空间位阻效应，削弱片间范德华力的作用，抑制石墨烯的二次团聚，进而达到剥离石墨烯纳米片并使其稳定分散在第二基础液中的目的。

根据本发明的实施例，所述原位液相剥离的方式包括超声破碎、高速剪切乳化、高速均质搅拌、行星球磨、搅拌球磨、微射流均质、高压均质以及砂磨中的至少之一，用于原位液相剥离的设备可以为超声破碎仪、高速剪切乳化机、高速均质搅拌机、行星球磨机、搅拌球磨机、微射流均质机、高压均质机或砂磨机中的至少之一。由此，液相剥离处理操作简单、方便，易于实现，成本较低，可以有效地将膨胀石墨充分剥离，并获得剥离程度较高的石墨烯纳米片。

根据本发明的实施例，所述原位液相剥离过程中消耗的能量与所述第一混合物的质量之比为0.5kwh/kg–100kwh/kg；一些具体实施例中，所述原位液相剥离过程中消耗的能量与所述第一混合物的质量之比为2kwh/kg–40kwh/kg(例如2kwh/kg、5kwh/kg、10kwh/kg、20kwh/kg、40kwh/kg等)。由此，可以充分的将膨胀石墨剥离成石墨烯纳米片，节约时间和成本，适于大规模生产。相对于上述能耗/质量比，当其过低时则不能有效将膨胀石墨剥离成石墨烯纳米片，造成纳米流体的传热以及导热性能相对不佳；当其过高时，则可能会破坏石墨烯纳米片的表面结构，造成纳米流体中的石墨烯纳米片分散的相对不够均匀，使得纳米流体稳定存在的时间较短，且过高的能耗/质量比会造成能源的浪费。

根据本发明的实施例，液相剥离后获得的石墨烯纳米片具备较高的比表面积(例如，甚至超过2700m²/g)、以及较高的孔容，表明膨胀石墨已经被充分剥离为石墨烯纳米片，具有高表面活性，进而有利于实现高效换热，导热系数也较高。

根据本发明的实施例，基于所述石墨烯原浆的总质量，所述石墨烯原浆中石墨烯纳米片的浓度为10wt％–40wt％(例如10wt％、12wt％、14wt％、16wt％、18wt％、20wt％、22wt％、24wt％、26wt％、28wt％、30wt％、32wt％、34wt％、36wt％、38wt％、40wt％等)。由此，对应的膨胀石墨与第一基础液的质量比较为合适，在原位液相剥离过程中产生的强剪切流场下，膨胀石墨之间相互碰撞有利于将其分散成寡层、尺寸均一、高结构规整度的石墨烯纳米片，几乎不会损坏石墨烯纳米片的表面结构，获得的石墨烯原浆的浓度较为合适，进而使得石墨烯原浆粘度较为合适，可以在较长的时间内保持较佳的稳定性。相对于上述浓度范围，当石墨烯纳米片的浓度过低时，原浆粘度相对较低，体系稳定性相对较差；当石墨烯纳米片的浓度过高时，则原位液相剥离的处理难度相对较大、剥离效果相对较差。

根据本发明的实施例，原位液相剥离之后获得的石墨烯纳米片的层数少、表面活性高，使得其与基础液的亲和力较强，有利于均匀、稳定地分散在基础液中，保证纳米流体的长期稳定性。在本发明的一些实施例中，纳米流体在静置存放超过180天后仍能够保持稳定的分散状态。

s300：将所述石墨烯原浆分散到第二基础液中，得到所述纳米流体。

根据本发明的实施例，将石墨烯原浆分散到第二基础液中可以将石墨烯的含量稀释到一定的浓度，基于所述纳米流体的总质量，所述纳米流体中石墨烯纳米片的浓度为0.025wt％–1wt％(例如0.025wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％、0.5wt％、0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1wt％等)。由此，纳米流体中石墨烯纳米片的含量较为合适，导热性能以及传热性能较佳，粘度较低(例如石墨烯纳米片的浓度为0.5wt％时，纳米流体在25℃下的粘度为10mpa·s)，纳米流体的流动阻力较小，可以降低对管道的磨损以及降低泵的功耗，节约能源，利于推广使用。相对于上述浓度范围，当石墨烯纳米片的浓度过高时，则造成体系粘度相对较高且生产成本相对较大，当石墨烯纳米片的浓度过低时，则相对达不到明显的增强传热效果。

根据本发明的实施例，为了实现较佳的分散效果，将所述石墨烯原浆分散到第二基础液中的方式包括磁力搅拌、机械搅拌、均质混合以及砂磨中的至少之一，用于分散的设备包括磁力搅拌机、桨叶搅拌机、均质混合机或砂磨机中的至少之一。由此，操作简单、方便，易于实现，适于大规模生产。

根据本发明的实施例，所述分散过程中消耗的能量与石墨烯原浆和第二基础液的混合物的质量之比为0.1kwh/kg–20kwh/kg；一些具体实施例中，上述分散过程中消耗的能量与纳米流体的质量之比为0.1kwh/kg–5kwh/kg(例如0.1kwh/kg、0.5kwh/kg、1kwh/kg、2kwh/kg、3kwh/kg、4kwh/kg、5kwh/kg等)。由此，可以将石墨烯原浆均匀的分散在第二基础液中，进而有利于提高纳米流体的导热性能以及传热性能。相对于上述能耗/质量比，当其过低时，则分散效果相对不佳，使得纳米流体的传热以及导热效果相对不佳，稳定性也相对不佳；当其过高时，则会造成生产效率相对低下、相对增加生产成本。

根据本发明的实施例，所述第二基础液包括水、乙醇、乙二醇、丙三醇、n-甲基吡咯烷酮以及硅油中的至少之一。由此，第二基础液的来源广泛，石墨烯纳米片在上述基础液中的分散比较均匀，进一步提高纳米流体的导热性能以及传热性能，可应用领域广。其中，需要说明的是，第一基础液和第二基础液的具体种类可以相同，也可以不同，可以根据实际使用需要而灵活选择。

根据本发明的实施例，所述纳米流体中石墨烯纳米片的最大径向尺寸为500纳米–5微米(例如500纳米、600纳米、700纳米、800纳米、900纳米、1微米、1.5微米、2微米、2.5微米、3微米、3.5微米、4微米、4.5微米、5微米等)。由此，石墨烯纳米片的比表面积较高，有利于均匀、稳定的分散在第二基础液中，且有利于传热，使得纳米流体的导热系数以及传热系数较高。相对于上述尺寸范围，当石墨烯纳米片的尺寸过小时则会相对急剧增加体系粘度，当石墨烯纳米片的尺寸过大时则易造成纳米片分散相对不稳定。需要说明的是，石墨烯纳米片的最大径向尺寸指的是石墨烯纳米片上任意两点之间连线的最大距离。

根据本发明的实施例，上述制备纳米流体的方法操作简单、方便，易于实现，生产成本较低，具有良好的普适性，可以实现大规模连续生产，对膨胀石墨进行原位液相剥离处理即可获得石墨烯纳米片，无需使用强酸或者强氧化剂，反应条件温和，后续处理工艺较为简单，安全环保，有利于大规模生产，石墨烯原浆中石墨烯纳米片的含量高，使得石墨烯原浆的稳定性较高，且有利于石墨烯纳米片的剥离，石墨烯纳米片的剥离程度较高、分散性较好，进而使得纳米流体中石墨烯纳米片的分散程度较高，稳定性较佳，且在长期使用过程中均能保持较佳的稳定性；该纳米流体中不含有分散剂或者稳定剂，降低了石墨烯纳米片与基础液之间的界面热阻，传热系数和导热系数较高，在各种换热装置中的换热效果较好，市场竞争力较强。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种纳米流体。根据本发明的实施例，该纳米流体是利用前面所述的方法制备得到的。发明人发现，该纳米流体无需使用分散剂，大大减小了纳米粒子与基础液之间的界面热阻，进而充分提高了纳米流体的换热系数以及导热系数，与纯水比较，纳米流体的导热系数与传热系数有显著的提升，一些数据显示纳米流体的导热系数与传热系数可以分别提升118.6％与545.8％，尤其适用于热能利用和热量管理领域，在冷却系统、地热能利用或者工业余热回收等领域具有广阔的应用前景。

在本发明的另一方面，本发明提供了一种换热设备。根据本发明的实施例，所述换热设备中的传热工质包括前面所述的纳米流体。发明人发现，该换热设备结构简单、易于实现，换热效果较佳，有利于节约能源，与纯水比较，纳米流体的导热系数与传热系数有显著的提升，尤其适用于热能利用和热量管理领域，市场竞争力较强，在冷却系统、地热能利用或者工业余热回收等领域具有广阔的应用前景。

根据本发明的实施例，上述换热设备的种类可以为换热器等，换热设备的结构可以包括换热管、外壳等，在此不再过多赘述。

下面描述本申请的实施例。

实施例

以下实施例中纳米流体换热性能测试方法：

利用如图2所示的装置对纳米流体的管内换热性能进行测试，具体地，该系统是一个封闭的循环系统，包括了冷却装置1，夹套水箱2，泵3，高精度数显涡轮流量计4，管道5(管道的材质为紫铜，管道内径为12mm，外径为14mm，长度为900cm)，数据收集器(型号为agient34970a)6，计算机7，加热电源8，其中管道5包括进口51和出口52，采用加热电源8对管道5中的纳米流体进行加热。数据采集器可以采集到纳米流体在管中的进出口温度和压力，流量计显示纳米流体的流速和流量(测量精度0.5％)，进而可以计算得到纳米流体的换热系数。也可以通过改变压力，得到不同流速或质量流量下纳米流体的换热数据。

实施例1

纳米流体的制备方法：

(1)以膨胀石墨(固定碳含量为98％，粒径为100微米)为原料，依次加入水和聚乙二醇对异辛基苯基醚，三者质量比为1:3.8:0.2，在室温下搅拌混合均匀，在高压均质机中混合分散30分钟，再通过棒销式砂磨机研磨、剥离2小时，高压均质和砂磨两者消耗的能量之和与所处理物料质量(即膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚的混合物)之比为15kwh/kg，获得含20wt％石墨烯纳米片的石墨烯原浆；

(2)采用bet法(采用型号为asap2460，micromeritics的比表面测试仪)测试石墨烯原浆中石墨烯纳米片的比表面积和孔容，分别达到了2711m²/g和1.276cm³/g(如图3所示)；

(3)通过拉曼光谱仪(型号xploraplus，horibascientific，日本)表征了石墨烯原浆中石墨烯纳米片的化学结构，如图4所示，拉曼光谱探测到了位于1572cm^-1的g带和2680cm^-1的2d峰，表明石墨烯纳米片中大量石墨微晶结构的存在，而d峰与g峰的峰强比(id/ig)仅为0.23，证实了石墨烯纳米片结构的高规整度；

(4)通过透射电镜(型号hitachiht7700，日立电子，日本)观察石墨烯纳米片的微观结构，其透射电镜结果如图5所示(其中，图5中的a代表石墨烯纳米片在低倍下的透射电镜图，图5中的b代表石墨烯纳米片在高倍下的透射电镜图)，表明了石墨烯纳米片剥离充分且尺寸较均一，石墨烯纳米片的最大径向尺寸为1.8±0.5微米(平均值±方差)；

(5)向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至0.025wt％，通过高速剪切乳化机均质30分钟，高速剪切乳化消耗的能量与所处理物料质量(即石墨烯原浆和水的混合物)之比为0.5kwh/kg，获得均匀分散的纳米流体，石墨烯纳米片的充分剥离和较小尺寸保证了纳米流体的均匀分散和高稳定性，将制备得到的纳米流体静置180天后观察状态，静置前后的照片分别见图6中的a和b。如图6所示(其中，图6中的0.1％、0.2％、0.5％和1％对应的纳米流体中石墨烯纳米片的质量分数分别为0.1wt％、0.2wt％、0.5wt％和1wt％)，可以看出，在180天后，纳米流体仍具有良好的均一性；

(6)利用瞬态热线法(测试仪器的型号为linseisthb，德国)直接测试纳米流体在25-80℃温度区间内的导热系数，测试结果见图7。如图7所示(其中，图7中0.025％、0.05％、0.1％、0.5％、1％对应的纳米流体中石墨烯纳米片的质量分数分别为0.025wt％、0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％、1wt％)，在所有测试温度下，石墨烯纳米流体的热导率均随石墨烯含量增加而提高，在25℃时纯水的热导率(与前面所述的导热系数可以互换使用)仅为0.607w/m·k，而石墨烯纳米片的浓度为0.025wt％的纳米流体的热导率达到0.698w/m·k，增幅为15.0％；

(7)为评价石墨烯纳米片对纳米流体换热性能的提升效果，利用自行搭建的对流换热性能评价系统(具体可参照图2)，测试纳米流体在不同流动状态下(雷诺系数10000-40000)的换热系数，测试结果见图8。如图8所示(其中，图8中0.025％、0.05％、0.1％、0.5％、1％对应的纳米流体中石墨烯纳米片的质量分数分别为0.025wt％、0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％、1wt％)，纳米流体的换热能力较纯水有大幅提升，在雷诺系数为40000时，纯水的换热系数为7395w/m²·k，而石墨烯纳米片的浓度为0.025wt％的纳米流体的换热系数达到14998w/m²·k，增幅为102.8％。

实施例2

纳米流体的制备方法：

(1)以膨胀石墨(固定碳含量为95％，粒径为5微米)为原料，依次加入水和十二烷基苯磺酸钠，三者质量比为1:8.8:0.2，在室温下搅拌混合均匀，在高压均质机中混合分散30分钟，再通过棒销式砂磨机研磨、剥离2小时，高压均质和砂磨两者消耗的能量之和与所处理物料质量(即膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚的混合物)之比为2kwh/kg，获得含10wt％石墨烯纳米片的石墨烯原浆；

(2)向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至0.05wt％，通过高速剪切乳化机均质30分钟，高速剪切乳化消耗的能量与所处理物料质量(即石墨烯原浆和水的混合物)之比为0.1kwh/kg，获得均匀分散的纳米流体，其中，石墨烯纳米片的最大径向尺寸为0.5微米。

如图7所示，在25℃时，石墨烯纳米片的浓度为0.05wt％的纳米流体的热导率达到0.818w/m·k，较纯水提高34.8％；如图8所示，在雷诺系数为40000时，石墨烯纳米片的浓度为0.05wt％的纳米流体的换热系数达到24120w/m²·k，较纯水提高226.2％。

实施例3

纳米流体的制备方法：

(1)以膨胀石墨(固定碳含量为99.9％，粒径为1000微米)为原料，依次加入水和十二烷基硫酸钠，三者质量比为4:5.8:0.2，在室温下搅拌混合均匀，在高压均质机中混合分散30分钟，再通过棒销式砂磨机研磨、剥离2小时，高压均质和砂磨两者消耗的能量之和与所处理物料质量(即膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚的混合物)之比为100kwh/kg，获得含40wt％石墨烯纳米片的石墨烯原浆；

(2)向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至0.1wt％，通过高速剪切乳化机均质30分钟，高速剪切乳化消耗的能量与所处理物料质量(即石墨烯原浆和水的混合物)之比为0.1kwh/kg，获得均匀分散的纳米流体，其中，石墨烯纳米片的最大径向尺寸为5.0±1.1微米。

如图7所示，在25℃时，石墨烯纳米片的浓度为0.1wt％的纳米流体的热导率达到0.969w/m·k，较纯水提高59.6％；如图8所示，在雷诺系数为40000时，石墨烯纳米片的浓度为0.1wt％的纳米流体的换热系数达到33074w/m²·k，较纯水提高347.2％。

实施例4

纳米流体的制备方法：

(1)以膨胀石墨(固定碳含量为95％，粒径为1000微米)为原料，依次加入水和聚乙烯吡咯烷酮，三者质量比为1:3.8:0.2，在室温下搅拌混合均匀，在高压均质机中混合分散30分钟，再通过棒销式砂磨机研磨、剥离2小时，高压均质和砂磨两者消耗的能量之和与所处理物料质量(即膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚的混合物)之比为40kwh/kg，获得含20wt％石墨烯纳米片的石墨烯原浆；

(2)向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至0.5wt％，通过高速剪切乳化机均质30分钟，高速剪切乳化消耗的能量与所处理物料质量(即石墨烯原浆和水的混合物)之比为20kwh/kg，获得均匀分散的纳米流体，其中，石墨烯纳米片的最大径向尺寸为4.2±0.9微米。

如图7所示，在25℃时，石墨烯纳米片的浓度为0.5wt％的纳米流体的热导率达到1.153w/m·k，较纯水提高90.0％；如图8所示，在雷诺系数为40000时，石墨烯纳米片的浓度为0.5wt％的纳米流体的换热系数达到39489w/m²·k，较纯水提高434.0％。

实施例5

纳米流体的制备方法：

(1)以膨胀石墨(固定碳含量为99.999％，粒径为5微米)为原料，依次加入水和聚乙二醇对异辛基苯基醚，三者质量比为1:3.8:0.2，在室温下搅拌混合均匀，在高压均质机中混合分散30分钟，再通过棒销式砂磨机研磨、剥离2小时，高压均质和砂磨两者消耗的能量之和与所处理物料质量(即膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚的混合物)之比为100kwh/kg，获得含20wt％石墨烯纳米片的石墨烯原浆；

(2)向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至1wt％，通过高速剪切乳化机均质30分钟，高速剪切乳化消耗的能量与所处理物料质量(即石墨烯原浆和水的混合物)之比为0.1kwh/kg，获得均匀分散的纳米流体，其中，石墨烯纳米片的最大径向尺寸为1.2±0.3微米。

如图7所示，在25℃时，石墨烯纳米片的浓度为1wt％的纳米流体的热导率达到1.326w/m·k，较纯水提高118.5％；如图8所示，在雷诺系数为40000时，石墨烯纳米片的浓度为1wt％的纳米流体的换热系数达到47756w/m²·k，较纯水提高545.8％。

实施例6

基本采用实施例1的方法制备纳米片含量为20wt％的石墨烯原浆，不同的是，本实施例中膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚三者的质量比为1:3.9:0.1。再将石墨烯原浆稀释至浓度为1wt％的纳米流体，并测试其导热系数和换热系数。

纳米流体中石墨烯纳米片的最大径向尺寸为2.3±0.7微米，在25℃时，石墨烯纳米片的浓度为1wt％的纳米流体的热导率达1.298w/m·k，在雷诺系数为40000时，纳米流体的换热系数为43825w/m²·k。可见，减少剥离剂用量后实施例6的导热和换热性能稍低于实施例5，但仍处于相当的水平。

实施例7

基本采用实施例1的方法制备石墨烯纳米片含量为20wt％的石墨烯，不同的是，本实施例中膨胀石墨、水和聚乙二醇对异辛基苯基醚三者的质量比为1:3:1。再将石墨烯原浆稀释至浓度为1wt％的纳米流体，并测试其导热系数和换热系数。

纳米流体中石墨烯纳米片的最大径向尺寸为1.6±0.3微米，在25℃时，石墨烯纳米片的浓度为1wt％的纳米流体的热导率达1.393w/m·k，在雷诺系数为40000时，纳米流体的换热系数为49610w/m²·k。可见，增加剥离剂用量后实施例7的导热和换热性能略高于实施例5，可能是由于纳米片剥离程度的提高。

实施例8

基本采用实施例1的方法制备纳米片含量为20wt％的石墨烯原浆，不同的是向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至0.2wt％，并测试其导热系数和换热系数。

纳米流体中石墨烯纳米片的最大径向尺寸为1.5±0.2微米，在25℃时，石墨烯纳米片浓度为0.2wt％的纳米流体的热导率达1.018w/m·k，在雷诺系数为40000时，纳米流体的换热系数为35943w/m²·k。

实施例9

基本采用实施例1的方法制备纳米片含量为20wt％的石墨烯原浆，不同的是向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至0.01wt％，并测试其导热系数和换热系数。

纳米流体中石墨烯纳米片的最大径向尺寸为1.8±0.6微米，在25℃时，石墨烯纳米片浓度为0.01wt％的纳米流体的热导率达0.621w/m·k，在雷诺系数为40000时，纳米流体的换热系数为9160w/m²·k。

可见，与实施例1的测试数据相比，当石墨烯纳米流体的石墨烯浓度过低时，对导热和换热性能的提升作用相对较为有限。

实施例10

基本采用实施例1的方法制备纳米片含量为20wt％的石墨烯原浆，不同的是向石墨烯原浆中加水将石墨烯纳米片浓度稀释至5wt％，并测试其导热系数和换热系数。

纳米流体中石墨烯纳米片的最大径向尺寸为2.3±0.5微米，在25℃时，石墨烯纳米片浓度为5wt％的纳米流体的热导率达1.582w/m·k，在雷诺系数为40000时，纳米流体的换热系数为51760w/m²·k。

可见，与实施例5的测试数据相比，虽然提高石墨烯含量可提高导热系数和换热系数，但提升幅度相对有限(依次分别为19.3％和8.4％)，且使用高浓度纳米流体的经济性相对较差。

对比例1

基本采用实施例1的方法制备石墨烯纳米片含量为20wt％的石墨烯，不同的是，本例不使用剥离剂，而膨胀石墨和水的质量比为1:4。再将石墨烯原浆稀释至浓度为1wt％的纳米流体，并测试其导热系数和换热系数。

在25℃时，石墨烯纳米片浓度为1wt％的纳米流体的热导率为0.742w/m·k，在雷诺系数为40000时，纳米流体的换热系数为12239w/m²·k。

可见，与实施例5的测试数据相比，虽然纳米流体的浓度相同，但在不使用剥离剂的条件下，石墨烯纳米片的剥离效果较差，实际获得的纳米片浓度较低，而最终导致纳米流体的导热系数和换热系数偏低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。