一种高毛细性能及高沸腾传热性能的多孔结构表面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高毛细性能及高沸腾传热性能的多孔结构表面及其制备方法。该表面结构为蜂窝状多孔铜结构，具有微纳尺度孔径的孔，孔壁由铜晶枝构成，晶枝主干之间形成相互交错的槽道结构，加上微米尺度蜂窝孔的存在，减小工质流动的阻力；而晶枝丰富的分支形成纳米尺度孔则提供毛细力，因此呈现高毛细性能。其不同尺度的孔隙分别提供了大量的气泡成核位点以及气泡脱离路径，同时直通基底的孔状结构使得两相换热发生在距离基底更近的地方从而获得更小的壁面过热度，而其较高的毛细吸液特性使得液体工质不断补充，减少表面因高热流密度引起的干涸，延缓膜状沸腾的发生，从而进一步强化沸腾表面的传热。一步强化沸腾表面的传热。一步强化沸腾表面的传热。

【技术实现步骤摘要】
一种高毛细性能及高沸腾传热性能的多孔结构表面及其制备方法
[0001]

[0002]本专利技术属于材料科学领域，具体地说，涉及一种高毛细性能及高沸腾传热性能的多孔结构表面及其制备方法。

技术介绍

[0003]为了解决设备散热问题，两相传热器件是一种高效的解决方案，吸液芯是两相传热器件的一个重要部件。一方面通过吸液芯结构的毛细力来实现腔内液体工质的稳定循环，另一方面工作流体在吸液芯结构表面进行沸腾，因此吸液芯的毛细性能和沸腾传热性能直接影响两相传热器件的整体传热能力。传统的吸液芯结构大多是尺寸较大的微米以及毫米级结构，致使吸液芯的毛细性能较差，进而导致其沸腾传热性能也不佳。微/纳米结构表面处理技术是强化沸腾传热的重要技术手段(CN106435665A、CN105258548A、CN103822519A)。其中金属粉末烧结(CN105180709A)、纳米多孔结构、微纳米结构以及具有微纳复合多孔结构表面是常用的微/纳米结构表面处理技术方法。蜂窝状的微纳双尺度多孔结构表面(Wang，Y.
‑
Q.，Luo，J.
‑
L.，Heng，Y.，Mo，D.
‑
C.，and Lyu，S.
‑
S.， Int. J. Heat Mass Transf.，119，pp. 333
‑
342，(2018))具有良好性能的强化沸腾换热性能。蜂窝状的微纳双尺度多孔表面具有成核点多，壁面过热度低、传热系数高的沸腾特点。但是传统蜂窝状多孔结构表面在沸腾过程中还有很大的提升潜力，通过提高其毛细性能，能够实现沸腾过程中更为高效的液体补充从而提高沸腾传热以及沸腾临界热流密度，进一步强化沸腾传热。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高毛细性能及高沸腾传热性能的多孔结构表面及其制备方法。蜂窝状多孔结构的孔壁由铜晶枝组成，晶枝主干之间形成相互交错的槽道结构，加上微米尺度蜂窝孔的存在，减小工质流动的阻力；而晶枝丰富的分支形成纳米尺度孔则提供毛细力，因此呈现高毛细性能，实现液体工质的稳定循环。蜂窝状多孔结构表面的纳米尺度孔隙提供大量的成核位点，微米尺度的孔则提供气泡脱离路径，同时直通基底的孔状结构使得两相换热发生在距离基底更近的地方从而获得更小的壁面过热度，结合其较高的毛细吸液特性，从而进一步强化沸腾表面的传热效果。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多孔结构表面，具有微纳尺度孔径的孔，孔壁由铜晶枝构成，大孔具有微米尺度，孔壁的晶枝间隙组成纳米尺度的小孔；大孔的平均孔径在30~500μm，小孔的平均孔径在数纳米到数百纳米之间。
[0006]作为优选的，在上述的多孔结构表面中：该结构表面存在直通基底的孔状结构。
[0007]作为优选的，在上述的多孔结构表面中：所述蜂窝状大孔平均孔径范围为30~500μm。
[0008]作为优选的，在上述的多孔结构表面中：孔壁由晶枝构成，晶枝之间的间隙组成小孔，小孔平均孔径范围为100~900nm。
[0009]作为优选的，在上述的多孔结构表面中：孔壁晶枝主干长度为50~500μm。6.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：孔壁晶枝分支长度为0.1～10μm。
[0010]作为优选的，在上述的多孔结构表面中：所述的多孔结构表面的厚度为300~1000μm。
[0011]上述多孔结构表面的制备方法，包括如下步骤：（1）金属基体处理：使用稀硫酸溶液去除表面氧化物，然后使用高浓度热碱溶液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗若干次；（2）多孔结构表面的沉积：使用恒电流的方法，以经过预处理的铜片作为阴极，在硫酸和硫酸铜为电解质的溶液中，进行电沉积反应，得到的样品清洗吹干后进行热处理；（3）产品热处理：在还原保护的气氛条件下，进行热处理，增加沉积层和基体的结合力。
[0012]作为优选的，在上述的制备方法中：步骤（2）中所述恒电流的电流密度为0.05 ~ 5A
·
cm
‑2；所述硫酸的摩尔浓度为0.01~5M；硫酸铜的摩尔浓度为0.01~1M；所述电沉积反应的时间为30~1800s。
[0013]作为优选的，在上述的制备方法中：步骤（3）中所述热处理的温度为400~1100℃。
[0014]与现有的技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术的多孔结构表面的孔壁上丰富的铜晶枝形成其天然的多尺度结构，晶枝主干之间形成相互交错的槽道结构和微米尺度蜂窝孔两者共同作用，减小工质流动的阻力，而丰富的分支形成纳米级孔洞，能提供毛细力，从而获得高毛细性能。另一方面，不同尺度的孔隙分别提供了大量的成核位点以及气泡脱离路径，同时直通基底的孔状结构使得两相换热发生在距离基底更近的地方从而获得更小的壁面过热度。兼顾高毛细性能以及高沸腾传热性能，从而既保证液体工质的稳定循环又实现较高的传热效率。
[0015]2.本专利技术由电沉积方法得到，无需贵重的机械设备，成本低，制备简单，节能环保，生产周期短，适合对多种形状的表面进行处理，有很好的规模化运用的前景。
[0016]3.本专利技术的可运用范围广，除了可以运用于热管、换热器、电子元件的冷却等强化传热领域，还可以用于其他诸如催化剂载体、高效分离、微反应器等领域。
附图说明
[0017]图1为蜂窝状多孔结构表面俯视SEM图；图2为蜂窝状多孔结构孔壁晶枝SEM图；图3为吸液曲线图；图4为实施例1与其他吸液芯结构的毛细性能参数ΔPc*K对比图；图5为实施例1与毛细性能较差的蜂窝状多孔结构及烧结铜粉结构池沸腾曲线对比图。
具体实施方式
[0018]下面结合具体附图和实例对本专利技术作进一步具体详细描述。所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。这些描述是示例性的而并非要限制本专利技术的范围。
[0019]实施例1：1.金属基体处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，让后用高浓度热碱溶液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗3次。
[0020]2.多孔结构表面的沉积：使用恒电流的方法，以处理过的金属基体表面为阴极，在硫酸和硫酸铜为电解质的溶液中，硫酸浓度为1.0 M，硫酸铜浓度为0.4 M，保持电流密度为0.5A /cm2，反应时间为6min。
[0021]3.产品热处理：在还原保护气氛条件下，进行烧结，烧结温度为800℃，保温120min，进一步增强产品机械强度。
[0022]处理完成后，实施例1的俯视SEM图以及孔壁晶枝形貌SEM图分别如图1和图2所示，直通基底的蜂窝状大孔平均孔径为175μm，孔壁晶枝间隙组成的小孔平均孔径范围在100~900nm之间，孔壁晶枝形貌为从主干长出许多分支的树林状，该结构厚度为435μm。以去离子高纯水为工质进行吸液实验测试，从图3可以看到，实施例1的毛细性能优于烧结铜粉吸液芯（黄豆，贾力.烧结铜粉吸液芯毛细性能研究[J].工程热物理学报，2021，42(02):494
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔结构表面，其特征在于具有微纳尺度孔径的孔，孔壁由铜晶枝构成，大孔具有微米尺度，孔壁的晶枝间隙组成纳米尺度的小孔；大孔的平均孔径在30~500μm，小孔的平均孔径在数纳米到数百纳米之间。2.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：该结构表面存在直通基底的孔状结构。3.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：所述蜂窝状大孔平均孔径范围为30~500μm。4.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：孔壁由晶枝构成，晶枝之间的间隙组成小孔，小孔平均孔径范围为100~900nm。5.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：孔壁晶枝主干长度为50~500μm。6.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：孔壁晶枝分支长度为0.1～10μm。7.根据权利要求1所述的多孔结构表面，其特征在于：所述的多孔结构表面的厚度为300~1000μm。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：吕树申，黄林，曾慧，徐谋，罗佳利，莫冬传，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：