超低浓度石墨烯纳米流体多微通道换热器的热性能实验研究

研究背景

随着图形处理器（GPU）和中央处理器（CPU）等微电子器件性能的飞速提升，其单位面积产生的热量急剧增加，高效散热已成为制约其持续发展的关键瓶颈。自Tuckerman和Pease提出微通道散热器（MCHS）概念以来，该技术因其极高的比表面积和优异的传热能力，在电子冷却领域备受关注。然而，传统单相流体（如水）的传热能力已接近极限，难以满足未来高功率密度芯片的散热需求。在此背景下，纳米流体——即将纳米颗粒（如金属、金属氧化物、碳材料）分散于基液中形成的悬浮液——因其可显著提升流体导热系数，被视为下一代高性能冷却工质的有力候选者。

石墨烯作为一种二维碳纳米材料，具有极高的本征热导率（约5000 W/m·K），是制备高效纳米流体的理想材料。尽管已有大量研究探索了纳米流体在微通道中的应用，但多数工作集中于较高浓度（>0.01 wt%）范围，这往往伴随着粘度显著增加、颗粒团聚沉降、以及成本上升等问题。相比之下，超低浓度（<0.001 wt%）石墨烯纳米流体既能利用纳米颗粒的强化传热效应，又可能最大限度地避免上述弊端，但其在真实多微通道换热器中的热工水力性能尚缺乏系统性的实验数据，尤其是在接近实际芯片工作温度（>40°C）的条件下。因此，本研究旨在通过严格的实验，全面评估三种超低浓度石墨烯纳米流体（0.00025%， 0.00075%， 0.00125%）在一个多微通道矩形换热器中的传热与流动性能，探究其在宽范围热通量、质量流量及入口温度下的表现，以填补该领域的研究空白。

研究内容

研究的起点是获得稳定、均一且热物性可控的纳米流体工质。本研究采用经典的“两步法”制备石墨烯纳米流体：首先将商业化的石墨烯纳米粉末（片层尺寸约5-10 μm，厚度1-3 nm）在磁力搅拌下初步分散于去离子水中，随后使用高功率超声破碎仪进行长时间（如数小时）的超声处理，以破坏纳米片层的团聚，形成稳定的胶体悬浮液。为确保浓度精确，采用高精度分析天平进行称量。为了系统评估纳米颗粒添加对流体基础性质的影响，研究对制备好的三种浓度纳米流体及纯去离子水（作为基准）进行了全面的热物性测试。如图1、图2所示，利用瞬态热线法测量了流体的导热系数，并使用旋转流变仪测量了其动态粘度。结果表明，即使是在极低的浓度下（0.00125%），纳米流体的导热系数相较于去离子水仍有可观的提升（例如在25°C下提升约5-8%），这主要归因于石墨烯本身极高的导热性以及纳米颗粒引起的微对流效应。同时，粘度的增加相对温和，在测试的剪切速率范围内，纳米流体仍表现出近似牛顿流体的特性，这为后续在层流状态下的性能分析奠定了基础。此图及对应的物性数据是整个实验研究的基石，它量化了工质本身的“先天”传热潜力与流动阻力倾向。

图1. 纳米流体（H₂O 图）的动力粘度和相对动力粘度随流体温度的变化关系: (a) 动力粘度. (b) 相对动力粘度.

图2. 纳米流体（H₂O 图）的导热系数和相对导热系数随流体温度的变化关系: (a) 导热系数. (b) 相对导热系数.

为了在接近实际电子散热器的工况下进行测试，研究设计并搭建了一套精密的实验回路。核心部件是一个多微通道矩形换热器，其换热表面通常由数十甚至上百个平行排列的矩形微通道（例如宽度200-500 μm，深度200-500 μm）构成，以最大化换热面积。实验系统主要包括：一个恒温槽用于精确控制纳米流体的入口温度（设定为25°C和45°C两个水平），一个高精度齿轮泵或柱塞泵用于调节并稳定质量流量（对应质量通量29， 58.87， 116 kg/s·m²），在换热器底部集成了一个薄膜电阻加热器以模拟芯片热源，并能施加从7.29到51.09 kW/m²的宽范围热通量。如图3所示的系统示意图，沿流动方向在换热器进出口布置了高精度热电偶和差压变送器，以实时测量流体的温度变化和流经换热器的压降。所有传感器信号由数据采集系统记录，并在每个工况达到热稳态后进行分析。研究特别强调了测量不确定度的分析，采用标准方法（如Kline和McClintock方法）评估了温度、流量、压降和最终计算出的对流换热系数、热阻等参数的不确定度，确保了实验结果的可靠性与可比性。此图清晰地展示了从工质输送、加热、到数据采集的完整实验链路，是保证所有后续性能数据科学性的硬件基础。

图3. 实验装置示意图。

在可靠的实验系统上，研究系统揭示了超低浓度石墨烯纳米流体的传热强化规律。核心发现是：在相同的热通量、质量流量和入口温度下，纳米流体的对流换热系数（h）随石墨烯浓度的增加而单调递增。如图4、图5所示，以某一中等热通量和质量流量为例，将三种纳米流体的h值与去离子水进行对比。在最高浓度0.00125%下，h值的提升幅度最为显著，最大提升可达25.74%。这种强化效应主要归因于几个协同作用的机理：首先，石墨烯纳米颗粒的高导热性直接提升了流体的整体导热能力；其次，纳米颗粒在近壁面区域的布朗运动和在流场中的微对流，增强了流体与壁面之间的能量交换；再者，纳米颗粒的存在可能扰动热边界层，使其变薄，从而降低了传热热阻。研究还发现，传热强化效果并非固定不变，它同时依赖于其他操作参数。例如，在较高的热通量下，由于温差驱动力更大，纳米流体强化传热的绝对效果可能更明显；而在较高的入口温度（45°C）下，流体粘度降低、流动扩散增强，也可能与纳米颗粒效应产生耦合，带来额外的性能收益。此图以最直观的方式量化了“超低浓度”策略的有效性，证明了即使添加极少量的石墨烯，也能对微通道系统的核心传热指标产生实质性改善。

图4. 纳米流体（H2O 图）的对流传热系数作为入口温度为25°C时质量流速的函数。

图5. 纳米流体（H2O 图）的对流传热系数作为入口温度为45°C时质量流速的函数。

任何强化传热技术的工程应用都必须考虑其带来的“副作用”——流动阻力的增加。本研究对此进行了客观评估。实验结果如图6、图7所示，记录了不同浓度纳米流体在不同质量流量下流经多微通道换热器的压降（ΔP）。数据显示，随着石墨烯浓度的增加，流体的压降确实呈现上升趋势，这是因为纳米颗粒的加入增加了流体的有效粘度，并在流动中引入了额外的颗粒与流体、颗粒与壁面之间的摩擦损耗。然而，一个关键的发现是：在本文研究的超低浓度范围内，压降的增幅相对有限且温和。例如，在最高浓度下，压降的增幅可能远低于其对流传热系数的增幅百分比。为了综合评价“得”（传热增强）与“失”（泵功增加），研究通常会引入热工水力性能评价指标（如性能评价因子PEC，即传热增强与摩擦因子增加的比值）。初步分析表明，在多数测试工况下，超低浓度石墨烯纳米流体能获得大于1的PEC值，意味着其带来的传热收益超过了泵功增加的代价，具备综合性能优势。此图忠实地反映了纳米流体技术固有的“双刃剑”特性，但强调了在超低浓度下，其正面效应占据主导，为实际工程应用提供了重要的权衡依据。

图6. 样品纳米流体在 25°C 下随质量流量变化的压降。

图7. 样品纳米流体在45 ◦C下压力降随质量流速的变化。

对于电子散热系统，最终目标是降低从芯片结到冷却流体的总热阻（Rth）。热阻是衡量散热器综合效能的核心指标，其值越低，意味着在相同发热功率下芯片的工作温度越低，可靠性越高。本研究计算了在不同操作条件下系统的热阻。如图8、图9所示，使用石墨烯纳米流体能有效降低系统热阻，且热阻值随纳米颗粒浓度增加而进一步减小。在最优工况（如最高浓度0.00125%、较高入口温度45°C、适宜流量）下，系统达到了最低的平均热阻值，仅为0.1748 K/W。这一结果具有重要的工程意义：首先，它直接证明了采用超低浓度石墨烯纳米流体可以提升现有微通道散热器的散热上限，或允许其在更紧凑的空间内处理更高的热负荷；其次，研究特别考察了45°C的较高入口温度工况，这更贴近许多高性能计算设备中冷却液的实际入口温度。实验证明，在此温度下纳米流体依然保持稳定，且热阻降低效果显著，这表明该技术方案对实际运行环境具有良好的适应性和应用潜力。此图将传热系数的局部提升，转化为系统级散热性能的整体优化，从工程应用的终极目标角度，肯定了超低浓度石墨烯纳米流体的价值。

图8. 以25°C入口温度为例，石墨烯基纳米流体（H2O 石墨烯）的热阻随质量流速的变化。

图9. 在入口温度为45°C时，石墨烯基纳米流体（H2O-Graph）的热阻随质量流速的变化关系。

结论与展望

本研究通过系统的实验，全面评估了超低浓度石墨烯纳米流体在多微通道矩形换热器中的热工水力性能。

主要结论如下：

1. 显著的传热强化：即使是在质量浓度低至0.00025%-0.00125%的范围内，石墨烯纳米流体仍能显著提升对流换热系数，最高提升幅度达25.74%，证明了“超低浓度”策略的有效性。
2. 可控的流动阻力：纳米流体的引入会导致压降增加，但在研究的超低浓度下，增幅相对温和，热工水力综合性能评价指标（PEC）在多数情况下优于纯水。
3. 系统热阻的有效降低：使用纳米流体能够降低微通道散热系统的整体热阻，最低可达0.1748 K/W，且在更贴近实际的高入口温度（45°C）条件下依然表现优异，展现了良好的工程应用前景。
4. 操作参数的耦合影响：纳米流体的强化效果与热通量、质量流量及入口温度紧密相关，在实际设计中需进行多参数协同优化。

展望未来，以下几个方面值得进一步探索：

1. 长期稳定性与可靠性：需要考察纳米流体在长时间循环、高温及不同材质流道内的化学与物理稳定性，包括颗粒团聚、沉降、以及对流道的腐蚀与磨损情况。
2. 机理的深入挖掘：结合微观可视化技术（如显微粒子图像测速）和分子动力学模拟，更精细地揭示超低浓度下纳米颗粒在微尺度流动与传热中的作用机制。
3. 复杂构型与混合工质：将超低浓度纳米流体与更先进的微通道构型（如翅片、扰流柱、多级结构）相结合，或尝试与其他强化技术（如相变、电场/磁场协同）组成混合冷却方案，以追求极限散热性能。
4. 经济性与可持续性：全面评估该技术从纳米材料生产、流体制备、到系统运行维护的全生命周期成本与环境影响，推动其从实验室走向规模化工业应用。

本研究为开发高效、紧凑、可靠的下一代电子液体冷却方案提供了重要的实验依据和理论支持。

论文信息：

Enio Pedone Bandarra Filho, Erick Daniel Rincón Castrillo, Gleyzer Martins，Applied Thermal Engineering，Volume 280, 2025, 128323

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.128323