来源 | Materials Today Nano

链接 | https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2026.100756

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背景介绍

现代工业中电子设备集成度提升，高功率芯片散热需求迫切，传统传热流体（水、乙二醇等）热物理性能有限，无法满足高热通量冷却需求。纳米流体技术在微通道流动沸腾换热系统中的应用是提高电子器件冷却效率的有效途径，但传统纳米流体普遍存在制备工艺复杂、稳定性不足、纳米颗粒尺寸不可控等问题，严重制约了其换热性能。

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成果掠影

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所马明联合西安交通大学郝南京团队合成了一种新型的无机纳米流体（MoS₂-PEG-PVP，命名为MP纳米流体），基于聚乙二醇（PEG）改性的二硫化钼（MoS₂）纳米片，通过超声破碎方法和随后的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）辅助分散，能够实现优异的分散稳定性和显著增强的流动沸腾传热性能。配制的纳米流体在80 °C下表现出超过14天的优异稳定性，并且在环境条件下表现出90天的优异稳定性而没有聚集或沉降。更重要的是，流动沸腾实验证明MP纳米流体，在仅仅5 ppm和0.13 m/s的情况下，与基础流体相比，将临界热通量（CHF）提高了110%，将传热系数（HTC）提高了114%，显著优于更高浓度下的常规纳米流体。其散热增强机制源于气泡尺寸减小、生长 - 破裂周期加快，结合芯片表面润湿性与粗糙度优化，有效避免沸腾危机，经 50 次热循环测试验证可靠性，为高功率电子芯片散热提供了高效、长效的新型纳米流体解决方案。研究成果以“Highly Dispersed Two-Dimensional Molybdenum Disulfide Nanofluids for Heat Dissipation Enhancement in HighPower Electronic Chips”为题发表在《Materials Today Nano》期刊。

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图文导读

图1. MP纳米流体的溶剂热制备过程及其在流动沸腾传热系统中的应用示意图（上）。

图2. MoS₂基纳米材料的物理化学特性。（a）探针超声处理后纯MoS₂和MoS₂-PEG纳米片的XRD图谱。（b）探针超声处理后纯MoS₂和MoS₂-PEG纳米片的FTIR光谱。（c）探针超声处理前后MoS₂-PEG纳米片的流体动力学尺寸分布。（d）e）探针超声处理之前（d）和之后（e）的MoS₂-PEG纳米片的TEM图像。（f）探针超声处理之后MoS₂-PEG纳米片的高分辨率TEM图像。（g）显示MP纳米流体在环境条件下90天和在80 ℃下14天的分散稳定性的照片。MP纳米流体在环境条件下储存90天之前和之后的尺寸分布（i）MP纳米流体在环境条件下储存90天之前和之后的Zeta电位。

图3.流动沸腾实验系统示意图。（a）系统中的三个关键模块。（b）试验段示意图。（c）试验段中流动方向的不同视图。（i）正视图;（ii）俯视图。（d）试验段照片。

图4.纯MoS₂和MP纳米流体的传热性能。（a）在相同颗粒质量浓度为5 ppm下，纯MoS₂和MP纳米流体在不同流速下的热通量曲线。（b）在浓度为5 ppm下，纯MoS₂和MP纳米流体在不同流速下的HTC曲线。（c）不同浓度的MP纳米流体在不同流量下的热通量曲线。（d）不同浓度的MP纳米流体在不同流量下的HTC曲线。流量：（i）0.13 m/s，（ii）0.20 m/s，（iii）0.27 m/s。

图5.通过可视化技术分析流动沸腾机制。（a）基本流体和MP纳米流体芯片表面上气泡行为的图像。（b）基本流体和MP纳米流体中气泡面积的统计分布。（c）基于基本流体和MP纳米流体的流动沸腾过程中气泡的演化。（d）基本流体和MP纳米流体沸腾过程中气泡演化的定量分析。（e）基液和MP纳米流体在芯片表面上的接触角。（f）流动沸腾测试后芯片表面的SEM图像。（g）通过用ImageJ软件分析来自每组的芯片样品的SEM图像来产生线扫描表面粗糙度分布。