《Powder Technology》：Investigation on phase change behavior and regulation of water-based nanofluids
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水基纳米流体通过调节热物理性质有效改善冰粒制备效率，Al?O?/SiO?复合体系实现最大47.4%潜热减少，缩短凝固时间并集中释放潜热，为绿色冰弹制备提供新思路。
张子硕|孙玉丽|赵创|王晓翔|卢文庄|张丹|孙一斌|左敦文
南京航空航天大学机械与电气工程学院，中国南京210016
摘要
冰磨料喷射技术在飞机蒙皮涂层去除中的大规模应用受到严重限制，主要原因是冰颗粒制备效率低且可控性差，这主要是由于纯水的冻结动力学缓慢、潜热高以及成核行为具有随机性。这些限制不仅降低了冰的生成效率，还增加了低温能耗，从而限制了其在环保涂层去除领域的工业应用。为从材料调控的角度解决这一问题，研究人员采用了基于水的纳米流体，通过改变化学物理性质来调节相变行为。将SiO?、Al?O?以及SiO?–Al?O?混合纳米颗粒以0.05%、0.1%和0.25%的质量分数分散在水中，有的添加了分散剂，有的未添加。使用差示扫描量热法（DSC）作为参考，研究了纯水的冻结起始温度、潜热释放量和固化时间。结果表明，纳米颗粒的添加显著改变了冻结行为：虽然冻结起始温度降低，但纳米流体的固化速度加快，潜热释放更加集中。这种行为归因于双重调控机制，包括增强的异质成核和改善的热传导。SiO?主要通过界面作用促进成核，而Al?O?则由于较高的热导率增强了热传递。混合纳米流体表现出协同效应，最大潜热减少了47.4%。适量的纳米颗粒浓度使得冻结时间最短。这些发现为高效、节能且可控的冰磨料制备提供了热物理基础，支持了冰磨料喷射技术在飞机蒙皮涂层去除中的应用。
引言
随着对绿色制造的重视日益增加，冰磨料喷射清洗作为一种环保替代方案应运而生，相比传统的喷砂和干冰清洗，它具有无污染、可生物降解且不对工件造成损伤等优点[1]。然而，其大规模应用的主要限制在于冰磨料制备的效率和质量较低[2]。使用纯水和液氮的传统方法存在冻结起始温度高、潜热释放缓慢以及固化速率低的问题。在过程中，首先形成外部冰壳，随后逐渐向内固化，导致冻结时间较长[3]。因此，迫切需要从材料角度取得突破。
纳米流体作为一种新型功能流体，由于其优异的热导率、相变调控能力和界面热传递性能，在热传递增强方面显示出巨大潜力[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。它们已被广泛应用于冷却系统、能量存储装置、相变热交换器和太阳能热应用中[10]、[11]、[12]。混合纳米流体结合了多种纳米颗粒类型，通常比单一颗粒系统具有更好的热导率和对流热传递性能[13]、[14]、[15]、[16]。Aparna等人[17]报告称，Al?O?/Ag混合纳米流体的相对热导率高于Al?O?纳米流体，在所有温度范围内均观察到最大值，这突显了纳米颗粒混合比例对热传递的影响。这类流体在高热流交换器、微通道冷却和冷能存储应用中受到了越来越多的关注[18]、[19]、[20]。此外，分散剂在决定纳米流体的稳定性和热物理性质方面起着关键作用。适当使用阴离子表面活性剂或聚磷酸盐添加剂可以有效减少聚集，提高悬浮稳定性并改善热性能。
尽管取得了这些进展，但对基于水的纳米流体相变调控的研究仍然有限。大多数研究集中在稳态热导率上，而冻结和熔化过程中的瞬态热物理行为尚未得到充分研究。特别是在快速冰形成和相变热管理等低温应用中，纳米颗粒类型、浓度和表面改性如何影响成核动力学、潜热释放和相变速率的机制仍不清楚。因此，需要一个系统框架来研究这些因素的耦合效应，阐明潜在的微观机制，并指导快速冻结系统的工程优化[21]、[22]。
与主要研究单一组分纳米流体或稳态热物理性质的传统研究不同，本研究重点关注与冰磨料喷射制备相关的快速冻结条件下混合基于水的纳米流体的相变调控。通过有意结合纳米颗粒类型（单一和混合系统）、浓度和分散剂化学性质，系统地考察了它们对冻结起始温度、潜热演变和结晶动力学的协同效应。特别强调了混合纳米颗粒相互作用和分散剂介导的界面改性在改变冰成核路径和固化动力学中的作用，这些在现有文献中理解不足。与传统的热能存储或冷却应用不同，这里的靶场景涉及超快速冰形成，其中冻结速率和冰质量直接影响喷射稳定性和清洁效果。通过对15种控制良好的纳米流体配方进行基于DSC的比较分析，本研究建立了将纳米流体组成与相变行为联系起来的材料级框架，从而填补了纳米流体相变理论与其在绿色冰磨料喷射制造中实际应用之间的关键知识空白。这些发现为优化高效、环保的冰磨料制备系统提供了机制洞察和实验指导。
材料与试剂
使用去离子水作为基础流体。选择了两种类型的纳米颗粒：氧化铝（Al?O?，平均粒径约200纳米）和二氧化硅（SiO?）粉末。为了提高分散稳定性，使用了分析级分散剂，包括十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和三聚磷酸钠（STPP）。所有实验均在室温（约25°C）下进行。
仪器与设备
纳米流体的均质化使用高压均质机[23]（型号AH12–150，Antos）完成
结果与讨论
本研究通过差示扫描量热法（DSC）研究了三种类型的基于水的纳米流体——Al?O?、SiO?和混合Al?O?/SiO?，重点关注颗粒类型、浓度和分散性对水相变行为的影响。特别关注了结晶起始温度、潜热释放速率、热流峰值特性以及冻结过程的持续时间。
结论
本研究使用差示扫描量热法（DSC）系统研究了含有SiO?、Al?O?和SiO?–Al?O?混合纳米颗粒的基于水的纳米流体，以阐明它们的相变行为和冻结调控机制。主要结论如下：
(1) 纳米颗粒的引入显著改变了水的成核和固化特性。所有纳米流体的冻结起始温度均低于纯水
CRediT作者贡献声明
张子硕：撰写——初稿撰写、可视化、方法论设计、数据整理、概念构建。孙玉丽：撰写——审阅与编辑、项目管理。赵创：指导。王晓翔：数据分析。卢文庄：软件支持。张丹：软件支持。孙一斌：指导、数据分析。左敦文：指导、项目管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52575506）；南京航空航天大学研究生研究与实践创新计划（项目编号：xcxjh20250505）；南京航空航天大学研究生研究与实践创新计划（项目编号：xcxjh20240506）的支持
