[发明专利]超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及超临界流体，特别是涉及一种超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用。

背景技术

美国Argonne国家实验室的Choi等人曾于1995年提出纳米流体的概念，即把纳米粉末分散到导电系数低的分散介质(如水、醇或油)中形成悬浮液，从而提高分散介质的导热性能。纳米流体作为一种新型传热工质可广泛应用于车辆、航空航天、电子等领域的导热及冷却要求。

石墨烯是碳原子以sp2杂化体系紧密堆积而成的蜂窝状二维晶格结构碳纳米材料。利用石墨烯在活性炭颗粒之间构建三维网状结构，不仅能提高活性炭的比表面积，还有利于降低离子在孔隙中的迁移阻力，提高导热性能。由于石墨烯具有独特的二维结构、优异的导电性、出色的力学和热学性能、超大的比表面积以及开放的表面，使得石墨烯基材料在散热领域中的应用具有极大的潜力。

虽然石墨烯具有优异的性能，但在使用方面仍存在瓶颈，石墨烯纳米流体的二次分散是制约石墨烯导热性能的最主要的限制因素。目前市场上已有的石墨烯粉末在使用过程中均难以重新分散，导致导热性能提升不明显。

发明内容

本发明的目的在于解决石墨烯粉末在使用过程中难以重新分散，导致导热性能提升不明显的问题，提供一种导热性能较佳的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用。

一种超临界二氧化碳石墨烯纳米流体由超临界二氧化碳和均匀分散于二氧化碳中的纳米石墨烯组成，石墨烯的浓度为0.1wt％～2wt％，石墨烯颗粒的平均粒径为1～10nm。

为了简化起见，本说明书中将“％(重量百分百)”简写为“wt％”。上述浓度及平均粒径的石墨烯分散在超临界二氧化碳中具有较佳的导热性能，能够极大地改进超临界二氧化碳的性能，加强二氧化碳的对流换热能力。

进一步地，所述纳米流体的压强为8～22MPa，所述纳米流体的温度为：40～800℃。在该温度和压强下二氧化碳处于超临界状态，并形成均匀的纳米流体，可以作为超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质。

本发明还提供一种制备上述超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法，包括如下步骤：

1)先将装有纳米石墨烯的混合器抽真空；

2)再将高压二氧化碳通入混合器中与纳米石墨烯充分混合形成混合气；

3)压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。

将装有纳米石墨烯的混合器抽真空可以进一步脱除混合器内、以及吸附在纳米石墨烯表面的气体杂质。混合器的真空度为0.01～0.1MPa，高压二氧化碳的压力为5～10MPa，将高压二氧化碳通入混合器中，与真空状态的混合器形成较高的瞬间压力差。这种瞬间压力差在混合器内形成“气爆”，可以将部分团聚的纳米石墨烯转变为细小的颗粒，甚至剥离成为单层石墨烯，从而大大提高了纳米石墨烯的分散度，增强了导热性能。

可以将混合气导入增压泵中，压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。

在制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体前，可以使用真空泵先将制备系统抽真空，再将二氧化碳冲洗整个制备系统，以消除制备系统中残留的其他杂质。

可以将制备的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体储存在高压缸中备用。

进一步地，该制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法还包括如下步骤，在将二氧化碳通入混合器之前，将石墨烯进行预热，预热温度为40℃～300℃。预热可以进一步提升石墨烯的分散性能。

进一步地，可以采用增压泵压缩混合气至超临界状态形成纳米流体，所述增压泵可以为柱塞泵或离心泵。

进一步地，本发明还提供上述的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体作为超临界二氧化碳布雷顿循环工作介质的用途。

超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供200～800摄氏度的温度，应用现有技术即可很容易达到的的温度。超临界二氧化碳石墨烯纳米流体工质是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍以上，相比超临界二氧化碳工质具有更佳的导热效率和更低的能耗损失，能够极大地改进超临界二氧化碳的性能，加强二氧化碳的对流换热能力，从而使得超临界二氧化碳布雷顿循环的效率得到更大的提高。超临界二氧化碳石墨烯纳米流体工质的特点是临界条件更容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全。