包括石墨微流体的电导和/或热导悬浮液

摘要

本发明涉及一种包括石墨颗粒的流体和相关的制备方法。具体实施例中描述了“微流体”。这种微流体由基液和大量微米尺度的石墨颗粒构成。本发明对微流体的热导和电导控制所涉及的产品，系统以及制造方法进行了大体描述。

权利要求

1.一种制备包括颗粒的流体的方法，提供了一种包括颗粒的流体，并将流体冷冻形成包括晶粒和晶界的多晶固体；其中大多数颗粒的最大截面尺寸小于10微米，颗粒在25℃测量时在至少一个方向上的热导率至少为5W/mK和/或电导率至少为10S/m；在冷冻步骤中，至少流体中的部分颗粒朝着晶界的区域迁移，形成在晶界处的颗粒浓度高于在晶粒内部。

2.权利要求1的方法，其中在冷冻的悬浮介质中，颗粒形成一个网络。

3.权利要求2的方法，颗粒形成一个相互连接的网络。

4.权利要求1的方法，其中的颗粒包括那些至少在一个方向上的电导率和/或热导率至少为流体电导率和/或热导率5倍以上的材料。

5.权利要求1的方法，其中颗粒包括纳米管，纳米圆盘，纳米薄片，纳米线或者纳米灯丝。

6.权利要求1的方法，其中颗粒包括碳基颗粒。

7.权利要求1的方法，其中颗粒包括石墨片，碳纳米管，碳纳米线或者碳纳米灯丝。

8.权利要求1的方法，其中颗粒包括金属。

9.权利要求1的方法，其中颗粒包括金属纳米线，金属纳米纤维，金属纳米盘，金属纳米片或者金属纳米颗粒。

10.权利要求1的方法，其中颗粒包括金属氧化物。

11.权利要求1的方法，其中大多数颗粒的宽厚比至少为3:1。

12.权利要求1的方法，其中流体包括水。

13.权利要求1的方法，其中流体包括有机溶剂。

14.权利要求1的方法，其中流体包括醇。

15.权利要求1的方法，其中流体包括碳氢化合物。

16.权利要求1的方法，其中流体包括十六烷，二十烷，三十烷，十二烷，十烷，十一烷，十八烷或者十五烷。

17.权利要求1的方法，流体包括水凝胶。

18.权利要求1的方法，流体包括金属。

19.一种制备包括颗粒的流体的方法，提供了包括第一相的悬浮液介质和在悬浮液介质中的颗粒；其中大多数颗粒的最大截面尺寸小于10微米，颗粒在25℃测量时在至少一个方向上的热导率至少为5W/mK和/或电导率至少为10S/m；在悬浮液两端施加热梯度和/或电势允许悬浮液介质发生第一相到第二相的相变，由此使得悬浮液的热导率和/或电导率发生变化。

20.权利要求19的方法，其中悬浮液是热敏电阻的一部分。

21.权利要求19的方法，其中悬浮液是温度传感器的一部分。

22.权利要求19的方法，其中悬浮液是电保险丝的一部分。

23.权利要求19的方法，其中相变是由悬浮液的电阻加热导致的。

24.权利要求19的方法，其中相变后悬浮液的热导率至少变化两倍。

25.权利要求19的方法，其中相变后悬浮液的电导率至少变化10倍。

26.权利要求19的方法，悬浮液至少承受2个冷冻/解冻周期。

27.权利要求19的方法，其中热导率和/或电导率在5个冷冻/解冻周期后在第一相和第二相之间的变化不小于20%。

28.权利要求19的方法，其中悬浮液介质的成分至少有部分基于成分的熔点和/或冰点选择。

29.权利要求19的方法，其中悬浮液介质的成分的熔点及/或冰点在－120℃和200℃之间。

30.权利要求19的方法，其中悬浮物包括液相悬浮液，并且相变包括冻结。

31.权利要求19的方法，其中悬浮物包括固体复合材料，相变包括融化。

说明书

包括石墨微流体的电导和/或热导悬浮液

[0001] 相关申请：本申请要求2009年12月15日申请的美国专利申请号12/638135，专利名称为石墨微流体的美国专利的优先权并为其部分继续案；本申请还要求2010年3月9日申请的美国专利申请号12/720382，专利名称为悬浮液中热导和/或电导的控制的美国专利的优先权并为其部分继续案；两件申请被全部引用并合并在此专利中。

[0002] 政府资助：本发明受到美国国家自然科学基金（No.CBET-0506830）资助。政府对于本发明具有确定的权利。

技术领域

[0003] 本专利总体涉及了包含石墨颗粒的流体和相关的制备方法。本专利也总体上涉及了在悬浮液中控制这种流体热导和电导的产品、系统以及制备方法。

背景技术

[0004] 很多工业和商业系统，例如电站，汽车引擎以及微电子系统都需要有效散热来获得最佳运行效果。传统强化传热一般采用在系统中扩大接触面积（例如翘片）来增加热流体流速。然而传统的散热方法很多时候无法实现高效散热。最近的研究已经获得一种高导热流体。这种流体就是在相对低导热系数的流体中悬浮一种高导热材料。这种流体除了提供足够的热传导以外，这种流体的在低导热系数要求系统中可以明显的减少热交换器的尺寸。

[0005] 制备这种高导热流体具有一定的难度。例如在很多实例中，在一些热交换器中很难制备获得一种稳定的高导热悬浮液。同时，有些材料，如，一些纳米尺度的悬浮液材料很难获得足够高的导热系数热流体。更关键的是很多高导热材料由于其价格很高很难实现日常的使用。

[0006] 能够控制热导和/或者电导将在很多领域具有很好的应用前景，例如加热和制冷系统、电力分配，传感等。近期的研究已经完成了高导热和导电流体的制备。这类流体可以通过悬浮高导热和/或高导电材料到相对低导热和导电流体中。通常一旦固体颗粒悬浮在一定的流体中，悬浮液的导热和导电性能就被固定而不再改变。日常使用中存在对这种系统的需要，这种悬浮液不需要通过添加其他任何材料就可以改变自身的电导和热导性能。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种包含石墨颗粒的流体及其制备的普遍方法。本发明也提出了悬浮液中热电和/或电导控制的产品、系统以及方法。

[0008] 在一个实施例中描述了微流体。在某些方案中，微流体包含一种憎水的流体及大量的石墨颗粒，石墨颗粒平均最大截面尺寸为大约500纳米至10微米。在某些方案中，石墨颗粒能够在流体中稳定悬浮，并且不需要在石墨表面进行官能团处理。

[0009] 在某些实施例中，这种微流体包括水和醇两种流体中的一种，以及大量平均横截面尺度为大约500纳米到10微米的石墨片。石墨片能够在流体中形成稳定的悬浮液。

[0010] 在某些实施例中，这种微流体包括一种液体及大量石墨片，这些石墨片的宽厚比至少为10：1，平均最大截面尺寸为大约500纳米到10微米，石墨片能在流体中稳定悬浮，不需要在石墨片表面引入任何官能团。

[0011] 在其他实施例中，描述了一种方法。在某些情况下，这种方法包括向流体中添加大量的石墨片，石墨片平均最大截面尺寸为大约在500纳米到10微米之间，石墨片能在流体中稳定悬浮，不需要在石墨片表面引人任何官能团。这种方法进一步包括了在流体中形成稳定的石墨颗粒悬浮液。

[0012] 这种方法还包括，在某些情况下，提供了一种包括颗粒的流体，并将流体冷冻形成包括晶粒和晶界的多晶固体；在一些实施例中，其中大多数颗粒的最大截面尺寸小于10微米，在某些情况下，颗粒在25℃测量时在至少一个方向上的热导率至少为5W/mK和/或电导率至少为10S/m；在某些情况下，在冷冻步骤中，至少流体中的部分颗粒朝着晶界的区域迁移，形成在晶界处的颗粒浓度高于在晶粒内部。

[0013] 在一些情况下，这种方法包括提供了包括第一相的悬浮液介质和在悬浮液介质中的颗粒；在悬浮液两端施加热梯度和/或电势允许悬浮液介质发生第一相到第二相的相变，由此使得悬浮液的热导率和/或电导率发生变化。

[0014] 本专利的其他先进性和新型特征将会在下面的各个非限制性实施例的详细描述中具体体现。

附图说明

[0015] 本发明的非限制实施例中将通过例子和附图说明，附图是示意图，并不代表实际尺度。在这些图中，任何相同或者近似相同的部分都通过一个数字表示。为了清楚起见，不是每个部分都在每张图中标注，也不是发明中每个实施例中的每个部分都列出，因为对于本领域有常规知识的人并不需要示意图来理解本发明。这些图中：

[0016] 图1包括一个石墨片的显微结构示意图范例；

[0017] 图2根据一个实施例，包括一个30×放大的石墨颗粒解理前的光学图片；

[0018] 图3包括一个解理石墨典型的扫描电镜（SEM）显微图片；

[0019] 图4根据一组实例，包括了石墨颗粒的示意图；

[0020] 图5A-5B包括热导率和石墨浓度的典型实验曲线图；

[0021] 图6根据一组实例，包括电导率和石墨浓度的典型实验曲线图；

[0022] 图7A-7C按照一组实施例，包括悬浮液相变过程的示意图；

[0023] 图8A-8E包括（A）典型的石墨片的SEM图片；（B）典型的石墨片TEM图片；（C）图8B中的石墨片中区域a的高分辨TEM图片；（D）浓度为0.2％V/V石墨悬浮液的典型光学显微图片；（E）浓度为0.2％V/V石墨悬浮液保存一个月以后的典型照片；

[0024] 图9A-9G包括（A）石墨体积分数不同的悬浮液的电导率与温度的典型实验曲线关系；（B）电导率变化率与悬浮液中石墨片体积分数的典型实验曲线关系；（C）不同石墨片体积分数的悬浮液的导热系数与温度的典型实验曲线关系图。（D）悬浮液电导率变化率与石墨片体积分数的典型实验曲线图；（E）体积分数为0.05％石墨/十六烷悬浮液的典型光学图片；（F）冻结的石墨/十六烷悬浮液和（G）再次融化以后的石墨/十六烷悬浮液的典型光学图片。

[0025] 图10按照一组实施例，接触电阻实验测试的平台的示意图；以及

[0026] 图11A-11C包括（A）说明颗粒之间接触面积变化的典型示意图；（B）电阻与温度的典型实验曲线图；（C）冻结十六烷中的典型压力分布图。

具体实施方式

[0027] 下面对于包含石墨颗粒的流体和相关的方法进行一般描述。在一些实施例中，描述了“微流体”。一般来说，微流体包括一种流体和众多微米尺度石墨颗粒。石墨颗粒可以悬浮在流体中。发明者已经发现微米尺度的颗粒，而不是纳米尺度的颗粒，更能提高流体的热传输能力和提高流体的稳定性。在一些实施例中（例如石墨片悬浮在憎水流体，如油中），石墨片在流体中能够形成稳定的悬浮液，不需要在石墨片表面引入其他官能团（例如苯基和羧基），不要使用任何表面活性剂和其他稳定剂。此外石墨片可以稳定悬浮在亲水液体，例如水和乙醇中。这种微流体具有很多用途，包括在热交换器中用做换热介质。这种微流体也可以用作电传导介质。

[0028] 图1是石墨颗粒微观结构的示意图，可以用在相关的实施例中。

[0029] 一般来说，石墨片的结构包括多层（12，14和16）石墨烯。每层石墨烯包括六方晶格排列的碳原子。并与相邻的石墨烯层通过典型的范德华力结合在一起，虽然有少量共价键的存在。在一些实施例中，石墨烯的表面可以被氧化，在一些情况下，可以提供至少部分亲水基。例如，在一些情况下，石墨颗粒可以变得完全亲水，或者，石墨颗粒可以变得具有双亲性。

[0030] 一般来说，石墨可以有效导热和导电。在一些情况下，相对于第二个个方向（垂直于第一个方向）石墨颗粒在第一个方向（例如，面内方向）具有很好的电导和热导。这些石墨颗粒被称为各向异性导体。第一个方向是电/热更有效传导的方向，也就是颗粒的长度方向（平行于石墨烯片层的方向）。第二个方向是电/热传输效率较低的方向，就是颗粒的厚度方向（石墨的横截面方向）。在一些实施例中，颗粒的第一个方向的尺寸大于第二个方向的尺寸，这些颗粒被称具有很高的面内传导性。

[0031] 石墨也是一种超级润滑剂。超级润滑是一种本领域所熟知的现象，一般指两个平面的摩擦力接近，但没有达到零。在微流体中超级润滑剂例如石墨的使用能有效的使微流体中的摩擦力保持一个很低值。低摩擦力流体可以通过相对低得水泵功率实现流体的有效循环，同时降低对设备中运动部件表面的损坏。另外，低摩擦，高导热流体可以在既需要有效润滑也需要高热传输的场合实现双重应用。不希望受到任何理论的限制，石墨的超级润滑作用来自于石墨中较低的层间吸引力（例如，范德华力）。

[0032] 石墨颗粒可以由很多适合类型的石墨组成。在一些实施例中，石墨颗粒可以包含或者从天然石墨制备。图2给出了放大30倍的典型石墨光学图片。天然石墨有很多形式，在一些实施例中，天然石墨包括结晶石墨片（通常指片状石墨）。一般来说，片状石墨以孤立的扁平，碟状颗粒存在。如果保持完整，具有六方边界，破坏以后具有不规则或者角状边界。在一些情况下，天然石墨包括无定形石墨（也叫碳化无烟煤），这也是通常我们所说的石墨。
其石墨颗粒来自于煤的变质，并以细小的颗粒存在。本领域内常常把非常细小的片状石墨称为无定形态。此外，天然石墨包括块状石墨（指脉石墨），其通常发生在裂隙矿脉或者断裂处，以大量内生的显微或者针状的结晶聚集体存在。

[0033] 在一些情况下，石墨颗粒可以包括或者由合成石墨制成。合成石墨的例子包括，高序热解石墨（HOPG），人工石墨以及类似物。在一些实施例中，石墨颗粒包括或者以上两种或多种类型组成。

[0034] 在一些实施例中，石墨颗粒包括解理石墨。图3是一组实施例中典型的解理石墨的电子显微镜图片。下面给出制备这种解理石墨的方法。在一些实施例中，解理石墨的体积可以实现最少10倍，50倍，100倍，300倍，或者至少500倍于初始体积的膨大。相应，膨胀石墨的密度可以减小至少10倍，50倍，100倍，300倍，或者至少500倍于其初始石墨颗粒（即石墨片）的密度。

[0035] 此处描述的石墨颗粒包括相对高含量的碳（至少95wt％，至少99wt％，或者至少99.9wt％，wt为质量份），碳含量的测量不包括其上面的官能团，下面会进一步阐述。在一些情况下，石墨颗粒在晶格中可以包括一种或者多种杂质（如金属，掺杂元素）（例如，插层石墨的情况）。一个插层石墨的例子包括钾石墨（KC8）和钙石墨（CaC8）及其他类似的情况。
插层石墨具有超导能力（可以达到零电阻）。

[0036] 虽然这里的实施例主要描述了石墨颗粒的使用，应该指出的是本发明不局限于此。在一些实施例中，这种微流体也包括一些适当的具有高导热系数的材料的颗粒。在一些例子中，这些颗粒包括基平面解理晶体材料。基解离是一种本领域常见的现象，一般指晶体解理面平行于基平面。这些材料包括，但不局限于云母（例如黑云母，白云母，金云母，锂云母，珍珠云母，海绿石等），黏土矿物质（例如高岭石，伊利石，蒙脱土，蒙脱石，蛭石，滑石，镁铝皮石，叶蜡石，等）和其他材料。

[0037] 在一些实施例中，石墨颗粒为微米尺度。石墨大小的选择对石墨微流体稳定性和流体的导热性能的提高都重要，例如，相对厘米或者更大尺度颗粒，微米尺寸颗粒容易在流体中悬浮。另外，微米尺度悬浮液不容易堵塞热交换器管道。在一些是实施例中，微米石墨颗粒的平均最大截面尺寸在500纳米和10微米之间，在1微米到5微米之间，或在1微米到10微米之间。这里的“最大横截面尺寸”指可以测试的单个结构两个边界之间的最大距离。例如，在图4中石墨颗粒20具有宽度22和厚度24。最大横截面为26。颗粒的平均最大横截面尺寸是指这些颗粒横截面尺寸的平均数。测试最大颗粒横截面的大小的一个常用方法是分析颗粒的扫描电子显微像（SEM）。

[0038] 一些实施例中，微流体中相对高百分比的石墨的尺度为微米级。例如，在一些实施例中，体积分数至少为80％，90％，95％，或者99％的石墨颗粒的横截面在500纳米到10微米之间，在1微米到10微米之间，或者在1微米到5微米之间。

[0039] 在一些实施例中，所用的石墨颗粒为石墨片。一般来说，石墨片的特征是其厚度（实质上垂直石墨烯片方向测量）显著小于横向（实质上平行石墨烯片方向测量）尺寸。在一些实施例中，这种石墨片的宽厚比（也就是最大横向尺度和最大厚度的比值）至少为
10∶1，至少为50∶1，至少为100∶1，至少为500∶1，或者至少为1000∶1.

[0040] 在一些实施例中，这种微流体除片状以外的其他形状石墨烯基颗粒。这种石墨烯基颗粒可能包括，例如微米管，或者微米圆锥体等构成。应该指出其他形状也可能出现。不希望受限任何理论，微米管和微米锥或许是石墨烯片由于内部张力而卷起形成的。

[0041] 在一些例子中，这里描述的石墨颗粒可以被官能化而带上相应的官能团。在本领域具有常规技能的人将会理解短语“官能团”的含义。表面官能化不包括氧化石墨的表面（即让石墨暴露在氧气中，让石墨的部分或者全部表面发生氧化）。在一些实施例中，憎水石墨颗粒可以表面官能团化，变成相对亲水表面，可以稳定悬浮在亲水液体，例如水和醇中。例如，氧化以后石墨颗粒可以形成羟基官能团。石墨表面可以官能化形成多种官能团，例如羟基，羧基，环氧基等。石墨颗粒表面的官能团化过程在调节石墨表面的亲水性特征方面也许有用，下面将会做详细描述。在一些实施例中（例如，当微流体包含亲水液体，例如水和乙醇），官能团化石墨颗粒可以提高石墨颗粒悬浮液的稳定性，或者形成稳定悬浮液，反正形成不稳定悬浮液。

[0042] 这里描述的微流体包括适当浓度的石墨颗粒。在一些实施例中，石墨颗粒的体积分数低于2％，低于1％，和在0.01％和2％之间，在0.05％和2％，在0.1％和2％之间，在0.5和2％之间，在1％和2％之间，在0.01％和1％之间，在0.05和1％之间，在0.1％和
1％之间，在0.5和1％之间，在0.8％和1％之间，或者在0.9％到1％之间。在一些实施例中，可以制备石墨颗粒体积分数不在以上浓度区间的石墨微流体。该领域的一个通常的技术是计算微流体中颗粒（例如，石墨颗粒）的体积分数，例如，要做这样的计算，可以测量颗粒的质量。颗粒的体积可以通过测量的质量除以颗粒密度来计算。于是体积分数可以通过颗粒的体积除以颗粒体积与介质体积之和来计算。

[0043] 任何合适的流体（即，液体）都可以用来制备这里描述微米流体。在一些实施例中，这种微流体包含醇（例如，乙醇，乙二醇等），水，或者水和醇的混合物。在一些例子中，这种微流体包含油（例如，poly-alpha-olefin（PAO）油，硅油，矿物油，合成油，乙二醇氧化物/丙烯氧化物合成油，聚烷二醇合成油等）。在一些例子中，也可能使用其他油类。基液类型的选择主要依赖于这种微流体的使用方向。

[0044] 在一些情况下，这种微流体包含亲水流体（例如水和醇等）。在一些实施例中，这种微流体包含憎水液体（例如油等）。一般来说，亲水和憎水指这种液体是否能够在没有表面活性剂或其他的稳定水和液体相互左右的实体作用下是否和水形成稳定的混合物。

[0045] 在一些情况下（例如当微流体包含憎水液体，油），石墨颗粒可以在表面缺乏官能团（例如苯基，羰基等）的情况下在流体中稳定悬浮。在一些情况下，石墨颗粒可以在没有表面分散剂的作用下这种流体中稳定悬浮。在一情况下，石墨颗粒可以没有所有稳定剂的作用下在这种流体中稳定悬浮。这里稳定剂是指任何能够提高石墨颗粒在悬浮液中稳定性的实体。在缺乏稳定剂的情况下石墨颗粒也能稳定悬浮，但需要在相同的调节下（即温度，压力条件等）。典型的稳定剂包括，例如表面活性剂，酸，碱材料，石墨表面的稳定性官能团（例如苯基，羧基）等。

[0046] 例如，在一些实施例中，微流体包含稳定的石墨颗粒的悬浮液，而且石墨表面没有官能团（或/和表面活性剂，或/和稳定剂）。在一些例子中，微流体可能包含官能团石墨颗粒（或/和表面活性剂，或/和稳定剂），但在没有这些稳定剂时，石墨仍然可以稳定悬浮形成稳定悬浮液。在一些情况下，这些石墨表面的官能团（或/和表面活性剂，或/和稳定剂）对石墨颗粒的悬浮也许没有实质影响。在其他情况下，石墨表面的官能团（或/和表面活性剂，或/和稳定剂）对悬浮液的稳定性有一些效果，但不足以由于这些稳定剂的出现而形成稳定悬浮液。一个特例，微流体可以由石墨颗粒在油（例如PAO油）中悬浮构成。石墨颗粒可以在没有苯基和/或者羧基表面官能团的作用下稳定悬浮在油中。少量的苯基或/和羧基可以接着加在微流体中的石墨表面。在这个例子中，石墨颗粒仍然说不需要官能团可以形成稳定悬浮液，由于微流体在官能团形成之前就已经稳定悬浮。

[0047] 虽然在一些实施例中，微流体不包括表面活性剂，而在其他实施例中，这些微流体也许包含一种或多种表面活性剂，例如聚乙烯醇polyvinyl alcohol（PVA），聚乙烯吡咯烷酮poly-vinylpyrrolidone （PVP），十二(烷)基硫酸钠sodium dodecyl sulfate（SDS），琥珀酰亚胺succinimide，正己醇CATB，甲基纤维素，皂角等。

[0048] 这里描述的微流体包含一种或多种特性，例如，微流体也许具有高导热系数，希望不限制于任何理论，这里的微流体的导热系数是由于石墨定向高导热系数而致。同时，通过添加微米尺度石墨颗粒而不是纳米尺度颗粒，两点间热流通道的阻隔（即颗粒之间插入的热导率较低的液体）较少，微米级石墨相对纳米石墨片，热流碰到的热阻相对较少。

[0049] 在一些情况下，微流体的导热系数至少为0.15，至少为0.6，至少为0.9，至少为1.2，或者至少为1.5W/mK。在一些实施例中，相对导热率至少为1.1，至少为1.25，至少为
1.5，至少为1.75，至少为2.0，至少为2.5，或者至少为3.0。相对导热率表示为：

[0050]

[0051] 式中，K表示包含石墨颗粒的微流体的热导率，K0不包含石墨颗粒的微流体的热导率。例如，对于石墨/水微流体，相对导热率等于石墨的导热系数除以水的导热系数。

[0052] 在一些实施例中，微流体的热导率提高相对于没有石墨颗粒的纯液体可以达到至少为25％，至少50％，至少75％，至少100％，至少150％或者至少200％。热导率增强可以表示为：

[0053]

[0054] 式中K和K0如上文所描述的一样。

[0055] 液体的导热系数可以用瞬态热丝法测量，这种方法由Nagasaka和Nagashima发明[JPhys E：Scientific Instrments，Vol.14，pp.1435-1440（1981）]，在这里被完整参考。为了测量流体导热系数，一根直径为50微米铂丝（其表面有25微米的厚的绝缘层）完全浸入待测液体中。精确知道的电流脉冲通过热线，产生的温度升高通过监测热丝中电阻随时间的变化而测量出来。液体的热导率通过分析瞬时温度变化轮廓求解热导率方程获得。

[0056] 在很多情况下，相对于无石墨颗粒的基液电导率，微流体的电导率也可以提高。例如，微流体的电导率可以至少提高100倍，至少提高500倍，至少提高1000倍，至少提高10000倍，至少提高100000倍，至少提高1000000倍，或者至少10000000倍。在一些实施例中，这种微流体的电导率至少是0.001，至少是0.01，至少是0.1，至少是1s/m，或者至少是
10s/m。在一些实施例中，微流体的电导率至少是基液电导率的100倍，至少是500倍，至少是1000倍，至少是10000倍，至少是100000倍，至少是1000000倍，或者至少10000000倍。

[0057] 在某种情况下，这里所描述的微流体至少包括一种稳定颗粒的的悬浮液。例如，在一些实施例中，石墨颗粒可以在液体中至少稳定1天，至少1周，至少一个月，至少6个月，或者至少一年。一般来说，一种稳定的悬浮液本质上在测试期间悬浮相（例如石墨颗粒）是不会发生聚沉的。

[0058] 一方面对这种微流体的制备方法进行了说明。这种方法包括将大量的石墨颗粒加到液体中，形成稳定的悬浮液。石墨颗粒具备以上讨论的一种或者多种特征。另外，悬浮液是否有稳定剂，或者稳定剂，是在石墨颗粒悬浮以前加入或者悬浮以后加入。

[0059] 在一些实施例中，形成微流体的过程选择性地包括石墨颗粒前处理过程。石墨颗粒通过合适的工艺制造。例如，石墨颗粒可以通过插层或者膨胀天然石墨，研磨，球墨，化学沉积等方法生产。在一组实施例中，石墨颗粒可以被解理。在这过程中，石墨被加热到高温（一般是600℃到900℃之间），例如，在一个炉子或者微波炉中，石墨可以加热5秒钟到180秒钟。在某些情况，石墨解理过程中要加入一种酸（例如硫酸）。一旦加热，石墨颗粒膨胀。在一些实施例中，膨胀石墨的体积可以是原始石墨颗粒体积的至少50倍，至少100倍，至少
300倍，或者至少500倍。相应的，石墨的体积在原来石墨的基础上，降低了至少50倍，至少
100倍，至少300倍，或者至少500倍。在一些实施例中，在石墨颗粒密度的减低伴随浮力提高改善了颗粒的悬浮性。膨胀石墨可以加入流体中，并随后进行声波（即超声波）处理。在一些情况中，石墨颗粒可以是干态，并可以重新分散进流体中。

[0060] 在一些实施例中，在石墨解理过程中，少量官能团会残留在石墨颗粒的表面。例如，石墨颗粒剥离后，颗粒表面可能包含苯基，环氧基，羧基等。不限制于现有任何特定理论，残余的官能团可以是由于化学插层（例如硫酸，或其他强酸，氧化剂等）或者在剥离过程中的产物。在一些情况下，经过剥离过程后，石墨颗粒或者石墨微流体中基本不需要加入任何物质（例如，没有石墨表面的官能团，没有表面活性剂，没有稳定剂）。例如，在某些情况下，石墨颗粒被剥离，然后被剥离的颗粒可以直接添加到液体中形成稳定石墨微流体，而不需要加入任何官能团，或者酸，碱，表面活性剂，或者其他稳定剂。在一些实施例中，石墨被经过剥离过程后，石墨颗粒可以直接形成稳定的悬浮液，不需要加入任何物质（包括，酸，碱，表面活性剂，官能团等）。例如在许多情况，石墨被剥离后，一种酸，一种官能团，或者/和其他稳定剂可能被加入到石墨中（也包括酸处理过程），但石墨颗粒仍然能形成稳定的悬浮液，即使没有酸或者其他稳定剂。在许多情况，酸，碱或者其他物质的加入，对石墨颗粒悬浮液的稳定性没有材料影响。

[0061] 如上所述，这里描述的系统和方法可以用于制备导热系数和/或者导电性增强流体，以及相关的类似的非石墨微流体。这类流体可以找到一些特殊的用途，例如，在热交换系统。有效的热传输有利于用相对较小的交换器进行有效的冷却。另外，这种微流体也可以用作电传导流体。

[0062] 这里描述的系统和方法跟传统导热系统比较具有很多优点。例如，包含纳米颗粒或者纳米管的流体易于团聚或者缠绕而造成两相分离。而这里描述的微米石墨颗粒相对容3
易悬浮，由于密度小（2-2.2g/cm）和表面积大或者/和较大的表面电荷密度。而且，石墨颗粒具有较大的面内导热系数（约1000W/Mk或者更多）。而且相对碳纳米管和其他纳米材料，微米石墨颗粒相对便宜。石墨也是一种天然润滑剂，可以减少与流体接触的器件的表面损伤（例如工件表面的图层）。最后，微米石墨（相对于纳米颗粒）的较大尺寸有利于热流体能较长时间的在高导热的石墨片内传输而减少热流在低热导的的颗粒界面间流体传输的机会

[0063] 本发明涉及到控制悬浮液热导和电导的物品，系统和方法也在此做一般描述。在一些实施例中，在一些包含颗粒的悬浮液具有可变的热导和/或者电导（例如，颗粒可以提高热导和或者电导）。这里悬浮液的导热系数和/或者导电性可以通过悬浮液的相变而发生改变（例如，凝固或者融化）。例如，导热系数和/或者导电性可以通过悬浮液的凝固而提高。在一些实施例中，包括悬浮颗粒的流体凝固过程中可以形成多晶，包括晶界和晶粒。一旦流体凝固以后，流体中的颗粒可以迁移到晶界上去而导致晶界上的颗粒的密度显然大于晶粒内部颗粒的密度。晶界上高浓度的颗粒就形成了颗粒网络，如下所述。

[0064] 在一些情况下，热梯度和/或者电势梯度可以在悬浮液体系中建立。在这些情况下，这种悬浮液处于第一相（固体）比处于第二相（液体）具有相对高的导热能力和导电能力。这些实施例或许在制造和操控热敏电阻方面具有一些用途，例如，限流器，温度传感器，过电流自保护装置，自控加热元件等。

[0065] 根据一组实施例，图7A-7C阐述了悬浮液相变过程的示意图。图7A中，颗粒110悬浮在流体112中，形成稳定悬浮液。如图7A所示，这些颗粒基本上都分散到了介质中。在另外一些实施例中，当悬浮媒介是液体时，这些颗粒在流体中可能会形成大量团簇。在一些实施例中，当悬浮液在液态下，这些颗粒在流体中可能会形成链状结构（例如，由于凝固和融化循环造成）。

[0066] 在一些实施例中。这些悬浮液中的介质可以发生一级或者多级相变（例如，凝固和融化），这些相比过程可以改变悬浮液的热导或者/和电导。例如在某些情况下，一种液态的悬浮液（包含液态介质的悬浮液）能凝固形成复合物（包含颗粒和固体介质的悬浮液）。这里的悬浮物应该理解即是液态的悬浮液也可以是固态的复合材料。图7B是图7A悬浮液凝固以后示意图。一旦冰冻，流体112形成多晶固体悬浮介质，包括116晶粒和118晶体界面，于是形成固体复合物。在冷冻过程中，这些颗粒可以迁移到晶界，使得晶界处的颗粒浓度显著大于晶粒内颗粒的浓度。这些颗粒向晶界的迁移形成了颗粒的网络（就是一条颗粒相互连接的网络）。图7B给出了颗粒110迁移到多晶晶界118并形成网络的示意图。

[0067] 在某些情况下，这种固态复合物（即凝固的悬浮液）相对液体悬浮液来说，具有很大的导热系数和导电系数。在一些实施例中，这种固体悬浮物的导热系数是液体导热系数的至少2倍，至少3倍，或者2倍至少5倍之间。在一些例子中，固体悬浮液的导电性至少是液体悬浮液的至少2倍，至少5倍，至少10倍，至少50倍，至少100倍，至少1000倍，或在2倍-1000倍之间，在2倍-100倍之间，在5倍-1000倍之间，在10倍-1000倍之间。不受其他任何特定理论的限制，这种固态复合材料具有相对较大的导热或者/和导电性是由于颗粒在晶界上的集聚（及内应力），这种颗粒高浓度的集聚导致了导热或者导电网络的形成使得热和/或电能有效的传输。流体或者悬浮液的导热系数可以通过由Nagasaka和Nagashima发明[J Phys E：Scientific Instrments，Vol.14，pp.1435-1440（1981）]的瞬态热线法进行测量。

[0068] 在一些实施例中，固体复合材料可以融化形成液态悬浮液。图7C包括图7B中固体悬浮液重新融化后形成液态悬浮液的示意图。在图7C中，颗粒110均匀分散在液体介质中（即液体112）。如图7C所示，这些颗粒是均匀分散的。但是在一些实施例中，这些颗粒仍然保持网络状，至少在悬浮介质融化后在某种程度保持这些网络。在一些情况下，这些颗粒大量聚焦形成团簇，在其他情况下，在悬浮物融化后，颗粒仍然保持一些网络结构。

[0069] 相对于固体复合材料，融化会降低其悬浮液导热系数和/或者导电性。在一些实施例中，融化后的液体悬浮液的导热系数比固体悬浮液至少小2倍，至少小3倍，至少小5倍，在2-10倍之间，或者在2-5倍之间。在某种情况下，融化后的液体悬浮液的的导电性比固体悬浮液至少小2倍，至少小5倍，至少小10倍，至少小50倍，至少小100倍，至少小1000倍，在2-1000倍之间，在2-100倍之间，在5-1000倍之间，在10-1000倍之间，不限制于任何特定理论，热导或者电导的降低是由于固体融化，颗粒重新分散到介质中所至。

[0070] 在某种情况下，重新融化后的以后的液体悬浮液比固化以前液体悬浮液的导热和/或者导电性要高。例如，在某些情况下具有第一电导率和第一热导率的第一液相悬浮液凝固形成固态复合材料。随后，这种固态复合物可以融化形成第二液体悬浮液，这种第二液体比第一液体悬浮液具有更高的的导热系数和/或者导电性。不受限于现有的任何理论，第二液态悬浮液（即重新消融的悬浮液）的导热系数和/或者导电性比第一液体悬浮液高是因为固体悬浮液溶化后的第二液态悬浮液中仍然存在有一些颗粒的团聚体（即形成了颗粒的网络）。在某些情况下，这些第二液体悬浮液的导热和/或者导电性比第一液态悬浮液高至少2倍，至少5倍，或在2-10倍之间。

[0071] 这里描述的悬浮液介质会经历很多次相变（即凝固/融化循环）。在一些实施例中，悬浮液在经过多次凝固和融化的相变循环后（即第一次循环除后）导热和导电性的变化趋于常数。例如在某种情况下，固液两相相变中导热和导电性的变化至少为20％，至少为10％，至少为5％，至少为1％，或者基本上保持相同的倍数变化至少在2个，至少在5个，至少在100个，至少在1000个，或者更多凝固融化循环后。应该认识到一个凝固/融化循环包括悬浮液从液态变为固态以及从固态向液体的转变。

[0072] 这里描述的颗粒可以由很多合适的材料组成。例如在某种情况下，颗粒可以由金属组成，可以是纯金属或者合金。在某种情况下，金属可以是纳米尺度颗粒。这种金属颗粒包括，例如金属纳米管，金属纳米线，金属纳米盘，纳米金属片，或者纳米金属纤维。在一些实施例中，由于颗粒本身的高导热和高导电特性，所以金属颗粒的使用具有一些优点。在一些实施例中，颗粒可以包括一些金属氧化物。

[0073] 在一些实施例中，颗粒包括表现出基平面解理特性的晶体材料。基解理是一种普通的现象，是指材料沿着平行于晶体基平面方向解离的特性。这些材料包括，但不局限于下列物质，例如黑云母，白云母，金云母，锂云母，珍珠云母，海绿石等），黏土矿物质（例如高岭石，伊利石，蒙脱土，蒙脱石，蛭石，滑石，镁铝皮石，叶蜡石，等）和其他材料。

[0074] 在一些实施例中，碳基颗粒被使用。在某种情况下，碳基颗粒包括芳香稠环网络，颗粒由基本的碳原子构成。一种芳香稠环包括至少10，至少50，至少100，至少1000，或者至少10000芳香环。在一些实施例中，碳基颗粒包括相对较高的碳含量（例如至少95wt％，至少99wt％，或者至少99.9wt％，wt为质量份），含碳量计算不包括任何连在颗粒上的其他官能团。碳基颗粒稠环末端可能任意包含一些边界。例如，一片石墨烯包含一个平面碳末端，而碳纳米包含一个非平面末端纳米结构。在某种情况下，这些末端结构被氢原子取代。在某些情况下，这些末端结构被包括氧原子的基团取代（例如苯基）。碳基颗粒的实例包括，但不局限于石墨烯片，石墨颗粒，碳纳米管，碳纳米线，碳纳米盘，碳纳米带，碳纳米纤维。在一些实施例中，碳基颗粒由于自身较高的导热和导电能力而具有很多优点。

[0075] 在一些实施例中，在悬浮液中的颗粒可以是石墨颗粒，如图1所示。石墨颗粒可以由很多形式的石墨形成。在一些实施例中，石墨颗粒可以包括或者由天然石墨制成。根据一组实施例，图2给出了一个典型的石墨颗粒的光学图片。任何形式的石墨（包括天然石墨，合成石墨。剥离石墨等）都可以用作本专利中提到的悬浮液的颗粒。

[0076] 使用石墨特别利于制备低粘度悬浮液。如文中提及，石墨也可以作为超级润滑剂。超级润滑是指在两个表面之间的摩擦力，接近但不为零的现象。超级润滑剂（例如石墨）的使用可以在悬浮液内保持较低的摩擦力。而且低摩擦力流体允许相对较小的泵功率进行有效循环，并减少对设备中运动部件的有效损伤。此外低摩擦高热导流体对需要有效润滑和高效传热的应用来说具有双重作用。不与其他理论冲突，这种超级石墨润滑效果是由于石墨烯层间较小的作用力（即范德华力）而致。

[0077] 在一些实施例中，这种颗粒粒径至少具有一个（或者小于）微米尺度。颗粒粒径的选择对形成稳定的悬浮液至关重要。例如，微米尺度的颗粒相对于毫米或者更大尺度的颗粒容易悬浮。而且，包含微米尺度颗粒的悬浮液堵塞热管管道的可能性相对毫米或者更大尺寸颗粒悬浮液小。

[0078] 在某些情况下，大多数颗粒的横截面尺度小于10微米。如前文所述，最大横截面是指某一个石墨片可以测量两个边界的最大距离。平均最大横截面是指所以石墨片可以测量两端最大距离的数平均值。一个通用的测试最大横截面大小的方法是分析SEM相片。在一些实施例中，多数颗粒的最大横截面尺寸小于1微米，小于100纳米，或在1纳米-10微米之间，在10纳米-10微米之间，或者在1纳米-1微米之间，或者在1－100纳米之间。

[0079] 在某些情况下，悬浮液中大多数颗粒的尺度为微米级。例如，在一些实施例中，至少80％，至少90％，至少95％，或者至少99％的颗粒具有最大横截面至少是10微米，1微米，至少100纳米，或者在1纳米-10微米之间，在10纳米-10微米之间，在1纳米-1微米之间，在10纳米-1微米之间，或者在1纳米-100纳米之间。

[0080] 在一些实施例中，这些颗粒具有较大的宽厚比。例如，这些颗粒由一些薄片组成。一般来说，薄片的厚度远远小于横向长度。在一些实施例中，这些颗粒包含拉长结构，例如微米管，微米线，微米纤维，微米锥，纳米管，纳米线，纳米纤维，纳米锥及类似结构。这些结构的厚度基本上都小于长度方向的尺寸。在一些实施例中，大多数80％，至少90％，至少
95％，或者至少99％的颗粒两个正交长度比至少为3∶1，至少为5∶1，至少为10∶1，至少为50∶1，至少为100∶1，至少为500∶1，至少为1000∶1，或者至少为10000∶1。

[0081] 在一些实施例中，这些颗粒至少在一个方向上具有较大导热系数。在某些情况下，这些颗粒至少在一个方向，导热系数至少为10W/mK，至少为50W/mK，至少为100W/mK，500W/mK，至少为1000W/mK，至少为5000W/mK，测试温度为25度。在一些实施例中，在25度，这些颗粒的导热系数（至少一个方向）是悬浮液中基液导热系数的至少5倍，至少10倍，至少100倍，至少1000倍，至少10000倍，至少20000倍，或者5-20000倍，10-20000倍，100-20000倍，或者1000-20000倍。

[0082] 在一些实施例中，这些颗粒在一个方向具有相对较高的导电率。在某些情况，例如这些颗粒材料的导电率（至少在一方向）至少为100S/m，1000S/m，10000S/m，100000S/m，1000000S/m，测试温度为25度。在某些情况下，这些颗粒材料的导电率（至少一个方向）是
6 12 16 16 6 16
基液导电率的5倍，10倍，1000倍，10，10 ，10 ，10～10 倍，10 ～10 倍，测试温度为25度。

[0083] 在某些情况下，这里描述的颗粒在第一个方向（和/或者更多方向，例如薄片结构中的面内方向）的热导和/或者电导效率远远大于第二方向（即垂直第一方向的方向）。这就是各向异性导体。热导和/或者电导更有效的第一个方向，是指沿着颗粒长度方向的方向（即平行与石墨烯平面的方向）。第二个方向的热导和/或者电导比第一方向低，指颗粒的厚度方向（例如石墨烯片多层交叉的方向）。在一些实施例中，如果颗粒第一方向长于第二方向，这种颗粒就是面内高导热材料。这种各向异性传导材料包括，石墨烯片，石墨颗粒，碳纳米管，碳纳米线及类似材料。

[0084] 在某些情况下，这些颗粒具有相对低的电导率，但是相对高的热导率。例如，这些颗粒包括碳化硅（例如，碳化硅纳米颗粒，碳化硅纳米纤维）。在一些实施例中，这些颗粒可以包括氮化硼。在某些情况下，这些颗粒可以包括一些聚合物（例如聚合物纤维）。例如，这些颗粒包括电绝缘，但相对较高导热系数高聚物材料。

[0085] 任何适当的流体（例如，液体，胶体）都可以用于悬浮液的基液。在某些情况下，悬浮液介质包括水凝胶。水凝胶是一种包含聚合物网络的材料，这些网络可以在其结构中限制和包含水。这种水凝胶包含交联高分子链，无论直接交联或者通过交联剂交联。在某些情况下，可以改变这种交联度，而改变其吸收能力和保留水的能力。能够形成水凝胶的高分子包括含硅高分子，聚丙烯酸酯，交联高分子（例如，聚乙烯氧化物，聚酰胺和聚乙烯比咯烷酮（PVP），聚乙烯醇，丙烯酸酯高分子（例如，聚丙烯酸钠）和憎水共聚物

[0086] 在一些实施例中，悬浮液介质是固体（例如，多晶固体）。这种悬浮液介质可以通过冷冻液体得到。如果多晶固体是预期结果，可以通过凝固可以形成多晶的液体得到。一种常用的识别液体凝固是否形成多晶固体的方法，可以用于筛选流体，例如，冰冻一种流体然后进行适当的晶体结构分析。一种常用识别流体凝固后是否形成多晶的方法是X射线衍射方法（XRD）。

[0087] 悬浮液介质包含任何形式适当的成分（不考虑其相）。例如，这种悬浮液的介质包括有机或者无机成分。这些成分包括但不局限于，水，醇（例如，乙二醇，乙醇），碳氢化合物（例如，十六烷，二十烷，十三烷，十二烷，十一烷，十烷，十八烷，十五烷）或者这些物质的组合。在某种情况下，这些悬浮液的介质包含亲水液体（例如，水，酒精等）。一般来说，憎水性和亲水性是指一种流体是否能够在没有表面活性剂或者其他稳定剂的作用下与水混溶并形成稳定混合物的特征。在一些实施例中，相对高熔点物质也包含在悬浮液介质中。例如，在某些情况下，悬浮液介质可以包含一种金属。例如，液体可以包含焊料，如锡，铜，银，铋，铟，锌，锑，铅和/或者这些金属的混合物。在某些情况下，也可能使用其他流体。使用哪种流体取决于这种悬浮液的用途。

[0088] 在一些实施例中，这种悬浮液介质中的成分的选择至少部分是取决这种成分的凝固点和/或者溶点（这里的凝固点和溶点温度不同）。例如，这种悬浮液介质的成分的选择是由于其凝固点和/或者溶点在某些特殊温度范围（例如-120℃～200℃之间）。在某种情况下，这种悬浮液介质某种成分的选择是由于其凝固点和/或者溶点接近环境温度或者稍低。这种悬浮液可以应用在一些对高温敏感的设备。在某种情况下，这种悬浮液介质的成分的选择是由于其凝固点和/或者溶点在-120℃～40℃之间，在-20℃～40℃度之间，在-5℃～40℃之间，在0℃～35℃之间，在15℃～25℃之间等。这种通过选择不同凝固点和溶点介质的方法可以改变悬浮液的相变（因此而改变热导和电导能力）温度，而应用在某些特别的地方。例如，水可以用于0℃附近温度检测传感器。另外一个例子，十六烷，凝固点/溶点是18℃，可以用于检测在室温附近的传感器。

[0089] 这里所说的悬浮液包括所有合适浓度的颗粒。在某些实施例中，悬浮液中包括的粒子浓度体积分数低于2％，或者低于1％，或者在0.01％－2％，或者在0.05－2％之间，或者在0.1－2％之间，或者在0.5－1％之间，或者在0.6－0.9％之间，或者在0.7－0.85％之间。在某些实施例中，也可以合成粒子浓度在上述范畴之外的悬浮液。行业内一个常用的技术是计算悬浮液中纳米颗粒的体积分数。例如，在计量时，首先需要称量颗粒的质量。颗粒的体积接着可以通过称量的质量除以颗粒的密度计算出来。然后，纳米颗粒的体积分数可以通过颗粒的体积除以悬浮液的体积（颗粒和液体介质的体积之和）计算出来。

[0090] 在某些实施例中，可以在悬浮液或者其固相结构中施加电压。例如，当悬浮液在其作为热敏电阻的一部分时，可能发挥作用。在某些实施例中，悬浮液可能作为温度传感器。在某些实施例中，当电势施加在液态悬浮液两端时，其电导率较低。当暴露在相对低的温度下，悬浮液凝固，形成的固相复合材料将具有较高的电导率。固相下较高的电导率将允许电流通过悬浮液，例如可以用于气候控制系统的驱动。当然行业内的通常技巧是由这种固相复合材料构成温度传感器，当其暴露在足够高的温度下可以融化，随之切断电流。作为另外一个例子，该悬浮液可以作为电流熔断器。在某些实施例中，外加电势可以夹在电导率较高的固相复合材料两端，使得电流从复合材料中通过。当电流超过临界值以后，固相复合材料会由于电阻发热（即焦耳热）而融化。融化后固相复合材料将变成有较低电导率的液相悬浮液。悬浮液中相对较低的电导率将会导致其中通过的电流显著下降（或者截止），由此起到熔断器的作用。

[0091] 在某些情况下，热的梯度可能被在悬浮液上（例如液态悬浮液，固态复合材料，或兼而有之）。例如，热梯度可能被施加在具有较高热导率的固态复合材料上，导致热量流过固体复合材料。如果固体复合材料的温度超出临界水平，它将融化，导致形成具有较低热导率的液态悬浮液。液态悬浮液的相对低热导率可能会导致通过悬浮液的热传输量的降低，而例如这，可能保护悬浮液下游的温度敏感器件。

[0092] 这里描述的悬浮液可以在一些实施例中，在多个位置用来控制热或者电的传输。例如，在一些情况下液态的悬浮液可以被输运到第一个位置并且冷冻，以提高电及/或热在第一个位置的流动。在一些情况下，固体复合材料能够被重新融化，输运到第二个位置，并且重新冷冻以提高第二位置处的电及/或热的流动。可以不断实施这种附加的传输步骤以提高电及/或热在第三、第四、第五或者任何附加位置的电及/或热流动。不同位置之间的传输可以通过，例如，在悬浮液上施加压力梯度实现（例如，使用真空、泵、或者任何合适的装置）。

[0093] 这里描述的悬浮液可以通过任何合适的方法获得。在一些实施例中，悬浮液可以通过将多种颗粒与液体组合起来获得（例如，通过在液体中添加颗粒或者在颗粒中添加液体）。

[0094] 在某些情况下，这里描述的颗粒可以官能化使其包含表面官能团。颗粒的官能化可以增强颗粒悬浮液的稳定性。例如，相对憎水的颗粒可以通过官能化使其表面变得相对亲水，可以在亲水液体如水和酒精中形成稳定的悬浮液。此外，相对亲水的颗粒可以通过官能化使其表面变得相对憎水。颗粒的表面可以被大量不同的官能团官能化，例如包括羟基、羰基、环氧基等等。

[0095] 在某些情况下，颗粒能够在缺乏表面官能团的情况下在液体中形成稳定的悬浮液。在某些实例中，颗粒能够在缺乏表面活性剂的情况下在液体中形成稳定的悬浮液。在某些情况下，颗粒能够在缺乏稳定剂的情况下在液体中形成稳定的悬浮液。如同在其他地方所指出的，稳定剂指的是相对于在完全相同的条件下（即：温度、压力等）但缺乏稳定剂的情况下的颗粒而言，任何可以增加悬浮液稳定性的实体。稳定剂的实例包括：例如，分散剂、酸性、碱性材料，吸附在颗粒表面的稳定性官能团（即苯基、羧基），及类似的材料。

[0096] 这里描述的悬浮液在某些情况下可能是由稳定的颗粒悬浮液构成。例如，在某些实例中，颗粒可以稳定地悬浮在液态悬浮介质中至少一天，至少一周，至少一月，至少六月，或者至少一年。总的说来，一个稳定的悬浮液是一种在其使用的时间周期内没有实质性颗粒沉淀发生的悬浮液。形成这种稳定石墨悬浮液的系统和方法在其他专利中，例如在2009年12月15日申请的专利申请号为12/638,135的美国专利“石墨微流体”中有类似的描述，这个专利在此被整体参考。

[0097] 这里描述的系统和方法与传统的热敏电阻及其他温度及/或电流控制系统相比，或许将提供一种或者多种优越性。例如，与类似的基于电子的器件相比，制造基于悬浮液的器件相对快速而且便宜。此外，这种基于悬浮液的系统可以在室温附近执行工作，并且可以通过简单地更换悬浮液介质的成分就能改变器件的执行温度。在温度或者电流控制系统中的悬浮液基的系统也能被简单的通过泵或者其他的流体控制体系从一个位置输运到另一个位置。

[0098] 下面的例子试图阐明该发明的特定体现，但是不能被解释为局限性，也不能简化该发明的全部范畴。

[0099] 实施例1

[0100] 在此例中，描述了石墨微流体的生产和测试。天然石墨来自于Asbury Carbons公司（Asbury Graphite Mills，Inc.，NJ，USA）。使用Tryba等人提出的化学氧化工艺（Carbon43（2005），pp.2397-2429，出于所有的考虑，该文献作为一个整体被索引）将天然石墨用来生产石墨插层化合物。不同体积分数的过氧化氢（从0到30％）与硫酸H2SO4混合，制备出插层工艺的氧化剂。2.2克的天然石墨与100毫升的氧化剂在室温下反应30分钟。反应完的浆体在去离子水中漂洗至pH达到6到7，然后放在热台上在80℃烘烤24小时。接着石墨在1100W的海尔微波炉中加热5秒到180秒，与原有尺寸相比，石墨的体积将膨胀超过
300倍。接着膨胀后的石墨被加入溶剂中超声分散15到120分钟以产生悬浮的石墨颗粒。

[0101] 开始，测量了石墨颗粒浓度对热导率的影响。聚阿尔法烯烃合成基础油（“PAO”），乙二醇和水被用作微流体的液相部分。体积分数分别为0.1％，0.3％，0.5％，0.6％，0.7％，0.8％，0.9％，和1.0％的石墨颗粒被加到三种溶液中，形成24种石墨微流体样品。使用Nagasaka和Nagashima发明的瞬态热丝法对于每种石墨微流体样品的热导率进行了测量。
在此例中，一根涂覆了25微米厚绝缘层的直径50微米的铂丝完全浸没在样品中。铂丝中通过已知数量的精确的脉冲电流，所导致的温度升高被作为时间的函数通过监测铂丝中电阻的变化而检测出来。通过采用热导方程的解分析瞬态温度变化的轮廓，每个样品的热导率就能确定下来。

[0102] 图5A－5B分别包括了具有不同石墨颗粒体积分数的微流体样品的热导率图和热导率增强图。所有三个流体中在石墨颗粒浓度为1％体积分数时都展现出超过100％的热导率增加。如图5B所示，添加1％体积分数的石墨颗粒到水中将提高其热导率超过1.27W/mK，热导率的增加达到极高的110％（相应于25℃时去离子水热导率（0.6W/mK）的超过2.1倍的相对热导率）。此外，图5A－5B说明了热导率随着石墨颗粒体积分数的变化而呈现非线性变化，在较高的石墨颗粒体积分数时，热导率提高加大。

[0103] 接着，乙二醇基微流体的电导率被进行了测量。体积分数分别为0.01％，0.02％，0.03％，0.05％，0.07％，0.85％，0.1％，0.2％，和0.3％的石墨颗粒被添加到乙二醇中。此外纯乙二醇样品的电导率也被进行了测量。图6包括了9个测试样品的电导率（在对数轴上）。微流体的电导率从不包含石墨颗粒的7×105增加到包含0.2％体积分数石墨颗粒微流体的超过0.6s/m，增加了四个数量级。

[0104] 实施例2

[0105] 这个例子描述了通过相变调控材料的电及热特性。使用石墨－十六烷悬浮液，材料的电导率在十八摄氏度可以变化两个数量级，热导率可以变化三倍。

[0106] 此例中的是的悬浮液包括悬浮在n－十六烷（99.5+％，Sigma Aldrich出品）中的解理石墨片层。首先，解理的石墨片层由天然石墨（Asbury Graphite Mills，Inc.，NJ，USA）通过化学插层和热膨胀法制备，如Tryba等人提出的工艺（Carbon 43（2005），pp.2397-2429。插层工艺采用的氧化剂包括85毫升的硫酸（96％，Alfa Aesar出品）和15毫升的过氧化氢（30％，Alfa Aesar出品）。在插层工艺中，2.2克的天然石墨与100毫升的氧化剂在室温下反应60分钟。随后，反应完的浆体在去离子水中漂洗，去除残余的盐和酸。将漂洗后的浆体过滤并放在热台上在110℃烘烤24小时以获得石墨插层化合物。膨胀石墨是通过将制备好的石墨插层化合物在1100W的微波炉中加热膨胀30秒获得的。膨胀后的石墨接着被分散在n-十六烷溶剂中以获得体积分数为1％的石墨悬浮液。为了获得石墨片层，悬浮液中的膨胀石墨通过高能超声探头（Sonics Vc 750，750瓦，80％功率输出）超声解理15分钟。获得均匀分散的产物。体积分数分别为0.2％，0.4％，0.6％，0.8％的悬浮液通过进一步添加n-十六烷并继续超声3分钟获得。等到样品冷却到室温，就得到了稳定的悬浮液。

[0107] XPS分析表明石墨片层的表面含有8％的氧原子，不限制于任何理论，这些氧原子也许来自于石墨表面的的羟基、环氧基以及羧基。

[0108] 膨胀后和解理石墨片层的形态通过扫描电镜（SEM）（EOL JSM-6320）进行了观察。解理石墨的显微结构通过透射电镜（TEM）（JEOL 200cx，JEOL 2011）在室温下进行了观察。
石墨片的平均直径为几个微米，厚度为几到几十纳米。图8A包括了典型的通过上述的硫酸插层，微波膨胀和超声解理过程的石墨片SEM图像。大多数石墨片是不平坦的，其中一些形成了卷状（图8B）。这可能是由于制备过程中诱发的内应力所导致的。图8C是图B中区域“a”的高分辨扫描电镜图。可以发现该石墨片包括大约30层原子，平均层间距大约0.335纳米，与石墨中观察到的数据一致。图8D是体积分数为0.2％的石墨/十六烷悬浮液的光学显微照片。从这个照片中，可以观察到石墨片形成了三维逾渗网络。光学显微照片中模糊不清的区域是由于非共平面的石墨片层过焦或者欠焦造成的。逾渗网络的形成表明浓稠的石墨/十六烷悬浮液的形成。图8E是50毫升0.2％的石墨/十六烷悬浮液在制备完后三个月的照片。可以看出悬浮液非常稳定，实质上在悬浮液中没有看到沉淀。

[0109] 悬浮液的电阻是通过把悬浮液倒入一个自制的导电盒中，这个盒子两端竖直插有面积1.17cm2，间距4.85厘米的铜电极。该导电盒的系统电阻大约为0.8欧姆。石墨悬浮液的电导由下式计算：

[0110] 错误！未找到引用源。[1]

[0111] 其中R是测量的电阻，K＝3.83cm-1是导电盒常数。

[0112] 石墨悬浮液的热导测量是使用Nagasaka和Nagashima（J.Phys.E：Sci.Instrum.14，1435（1981））发展的瞬态热丝法测量的。一根涂覆了25微米厚绝缘层的直径50微米的铂丝完全浸没在样品中。铂丝中通过已知数量的精确的脉冲电流，所导致的温度升高被作为时间的函数通过监测铂丝中电阻的变化而检测出来。通过采用热导方程的解分析瞬态温度变化的轮廓，每个样品的热导率就能确定下来。

[0113] 石墨悬浮液的电导率和热导率在18℃变化显著。图9A是石墨悬浮液的电导率与温度关系图。在液态下，石墨悬浮液的电导率随着温度的变化几乎不变。当温度在17.5℃和18.5℃之间时，电导率增加大约两个数量级。在十六烷结冻后，电导率又稳定下来。在固态和液态中，电导率都随着石墨含量的增加而增加。然而，如图9B所示，冷冻后的悬浮液的电导率与液态悬浮液的电导率之比（此数值表明了冷冻造成的电导率的增加）在石墨的体积分数大约0.8％时达到250倍的峰值。

[0114] 如图9C所示，石墨悬浮液的热导率也随着冷冻而上升。在体积分数0.8％时，悬浮液的热导率通过冷冻增加了3.2倍（图9D）。

[0115] 为了获得石墨/十六烷悬浮液在冷冻和消融过程中显微结构演化的清晰图像，我们使用了一个稀释的悬浮液样品（0.05％石墨/十六烷）。在液态下，石墨片相对均匀地分散在十六烷中。在一些情况下，一部分石墨片相互吸附，形成石墨团簇。在图9E中，黑色的区域相应于石墨团簇，而十六烷晶体显示出针状的结构。在冷冻的过程中，石墨片被各向异性生长的十六烷针状晶体推到晶界处，生成一种三维逾渗网络（图9F）。当冷冻的十六烷再消融时，除石墨逾渗网络仍然存在，一些自由悬浮的石墨片也能被观察到（图9G）。

[0116] 石墨悬浮液的电和热的变化与其微结构的演化有关。当第一次冷冻的时候，大多数石墨片被推到了晶界处，形成了紧密接触的逾渗网络，增加了石墨片的接触面积，降低了热和电的接触阻值。当冷冻的十六烷再融化时，石墨片之间的接触面积迅速降低。然而，许多石墨片被限制在逾渗网络内，只有相对较少的石墨片悬浮在融化的液体中。相对于原始的悬浮液，重融的悬浮液的电导率高一倍。第一个循环以后，逾渗结构变得比较稳定，电导率和热导率在冷冻和重融情况下的比值趋于常数。

[0117] 石墨悬浮液的电导率和热导率的变化率显示与石墨团簇的密度相关。当石墨片被输运到晶界处时，十六烷晶体的生长促进了团簇的形成。当石墨体积分数较低时，许多团簇是孤立的。随着石墨体积分数的增加，越来越多的石墨团簇连接起来，直接了液态和固态之间传导率（包括电和热）的比值，如图9B和9D所示。当石墨体积分数进一步增加，石墨团簇在液态下就形成了良好连接。当更浓的石墨悬浮液被冷冻时，电导率和热导率的变化将变小。再者，十六烷的晶粒尺寸将随着石墨含量的增加而减小，这将使十六烷晶体各向异性生长导致的压力降低。结果使得液态和固态下电导率和热导率的最大变化在石墨体积分数0.8％时被观察到。

[0118] 图10展示了一个室温实验装置，用来测量两片剥离下来的石墨片层在十六烷环境下的接触电阻。一个包括液态十六烷的聚乙烯器皿做为容器。两片石墨片层被浸没在十六烷中，每个石墨片通过一根直径30微米的金线与万用表相连。石墨片是从高热解石墨（HOPG SPI-1，SPI Supplies公司）上剥离下来的。石墨片的尺寸大约是1微米×3厘米×3厘米。石墨片通过调整金线的位置接触在一起。该装置的温度和电阻通过万用表测量。十六烷的内应力通过超低压表征膜测量（Pressures，Sensor Products公司），数据通过Topaq软件（Sensor Products公司）分析。剥离的高热解石墨弯曲不平。当它们彼此靠近时，接触面积非常小，由此使得石墨片之间的电阻很高。十六烷存在强烈的各向异性生长动力学，不同晶体取向之间差距超过10倍。在十六烷冷冻过程中会形成针状晶体，其长细比依赖于冷冻速度。不希望限制于任何特定理论，十六烷晶体的各向异性生长可能在石墨片表明产生压力，快速增加了它们的接触面积。冷冻后，接触面积和电阻趋于稳定。十六烷重融后，石墨片表明的压力被释放并且接触面积由于弹性回复和颗粒之间的排斥快速下降（图11A）。当温度从18.5℃下降到17.5℃，电流的阻值下降460倍，如图11B所示。图11C是在冷冻的十六烷中的应力分布图。压力在74Psi和400Psi之间非均匀分布。在冷冻的十六烷中的平均压力大约为160Psi。不希望被任何特定理论束缚，非均匀的压力分布也许-11是由于十六烷晶体的各向异性生长造成的。石墨片的弯曲刚度仅有9×10 平方纳米，导致在160Psi平均压力下石墨片之间电阻的变化超过400倍。