一种分级分布微结构及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种分级分布微结构及其制备方法和应用，所述分级分布微结构包括基板、微米结构及多孔结构；所述微米结构位于基板上；所述微米结构是由包括锥状或沟槽状的微结构阵列而成；所述微结构的顶部和靠近微结构顶部的侧壁上覆盖有多孔结构；所述多孔结构为由锥状亚微米结构所形成的阵列或片状纳米结构。本发明专利技术中的分级分布微结构包括微米结构和多孔结构，多孔结构分布在微米结构中的微结构的顶部和侧壁，多孔结构可以提供更多的活性行核点，有效增强液气相变能力，而微结构的底部因未覆盖多孔结构可以实现高效的毛细流动，这种分级分布结构可以使分级分布微结构同时兼具高效的毛细流动和高效的气液相变性能。高效的毛细流动和高效的气液相变性能。

【技术实现步骤摘要】
一种分级分布微结构及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于加工领域，具体涉及一种分级分布微结构及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]金属铜具有极高的热导率、较好的介质相容性，广泛用于热管、均热板等基于两相相变原理的热管理器件的制备。在这些器件中，内部表面覆盖了一层吸液芯结构，吸液芯结构中一方面发生液气相变过程以带走热量，一方面依靠毛细力促使冷凝液体的高效回流。增强液气相变过程需要增加表面的活性行核点数量，同时增强局部液体的瞬时扩散能力，这都要求表面具有精细的微米或纳米结构。国内外研究已经证明，在铜表面制备精细的微米或纳米结构可以大幅提高沸腾等液气相变换热过程的换热系数和临界热流密度。另一方面，当表面覆盖精细的微米或纳米结构时，由于比表面积的大幅增加，会大幅增加毛细流动的阻力，降低渗透率，从而抑制冷凝液体的回流过程。由于表面微米或纳米结构的这两方面影响，如何在确保毛细流动性能的前提下，增强液气相变过程，成为一个巨大的技术挑战。解决这一问题，需要对表面结构进行更加精准的设计。
[0003]大量已有报道使用各种方法制备复合结构以增强表面的液气相变或毛细传输过程。这些制备方法中，一般通过机械微加工、电加工、激光加工等方法制备毫米或微米结构，再通过化学氧化、化学刻蚀、化学沉积、热氧化等方法制备微米或纳米结构。由于前后制备工艺缺乏协同效应，这些方法所制备的复合结构中，后续工艺制备的微米或纳米结构一般覆盖了整个前道工艺制备形成的毫米或微米结构表面。这种复合结构虽然具有较强的液气相变能力，但不可避免的，其毛细流动能力也会下降，难以实现液气相变和毛细流动这两方面性能的综合或平衡。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种分级分布微结构，该分级分布微结构包括锥状或沟槽状的微结构，基板和微结构的主要成分为铜，具有较低热阻和极佳的稳定性，微结构的底部为平滑表面，有利于液体的毛细流动；微结构的顶部为多孔结构，有利于液气相变。通过微结构和多孔结构两种结构的分级分布，实现在确保毛细流动性能的前提下，大幅增强液气相变过程。
[0005]本专利技术的目的之二在于提供一种分级分布微结构的制备方法，所述方法先通过短脉冲激光加工制备一定形貌特征的微米结构，再通过电沉积方法在微米结构表面沉积亚微米或纳米的多孔结构。短脉冲激光加工形成的微米结构的尖端电场集中效应会调控后续电沉积过程中的电场分布，当与本专利技术中电沉积工艺结合时，可以使得电沉积形成的亚微米或纳米多孔结构仅分布在微结构的顶部和靠近微结构顶部的侧壁处，而微结构的底部则无多孔结构分布，从而实现分级分布，使本专利技术中的分级分布微结构同时兼具高效的气液相变和毛细流动能力。该制备方法利用短脉冲激光加工形成的微米结构对后续电沉积过程形成多孔结构进行调制，实现了前后制备工序的有效协同。
[0006]本专利技术的目的之三在于提供一种分级分布微结构在相变换热器件中的应用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：
[0008]本专利技术的第一个方面在于提供一种分级分布微结构，包括基板、微米结构及多孔结构；所述微米结构位于基板上；所述微米结构包括锥状或沟槽状的微结构阵列；所述微结构的顶部和靠近微结构顶部的侧壁上覆盖有多孔结构；所述多孔结构为锥状亚微米结构所形成的阵列或片状纳米结构。
[0009]在本专利技术的一些技术方案中，所述微米结构为基板表面经过短脉冲激光加工后未被去除的部分所形成的结构。微米结构包括锥状或沟槽状的微结构阵列，微结构的宽度随着深度的增加而增加，即微结构的顶部宽度比微结构的底部宽度小，且从微结构的顶部到底部宽度逐渐增加；且微结构的高度和底部宽度的比值≥0.5，微结构的底部宽度≤100μm，微结构的顶部宽度≤10μm，相邻两个微结构之间的间距≤100μm。通过对微结构的尺寸进行优化，实现在基板上施加电场时，微结构的特殊尺寸可使微米结构的表面电场分布不均匀化，即微结构的顶部电场强度高，微结构的底部电场强度低，从而在后续电沉积过程中，获得的多孔结构仅分布在微结构的顶部和靠近微结构顶部的侧壁上。
[0010]在本专利技术的一些技术方案中，微结构的横截面的形貌为锥形、倒V形、梯形或类似形状。
[0011]在本专利技术的一些技术方案中，所述基板为铜板或铜合金板。
[0012]在本专利技术的一些技术方案中，所述多孔结构的主要成分为铜和镍，且铜的质量分数不低于90％，镍的含量＜10％。
[0013]在本专利技术的一些技术方案中，所述锥状亚微米结构之间具有空腔。
[0014]在本专利技术的一些技术方案中，所述锥状亚微米结构的水平横截面的宽度≤2μm；所述锥状亚微米结构的高度≥500nm；相邻两个锥状亚微米结构之间的距离≤5μm。
[0015]在本专利技术的一些技术方案中，所述片状纳米结构的水平横截面的宽度≤200nm；所述片状纳米结构的高度＜2μm；相邻两层片状纳米结构之间的间距≤5μm。
[0016]在本专利技术的一些技术方案中，相邻两层片状纳米结构之间具有空腔。
[0017]在本专利技术的一些技术方案中，所述靠近微结构顶部的侧壁为微结构侧壁上距微结构顶部的垂直距离≤0.6h的区域；所述h为微结构的高度。
[0018]本专利技术的第二个方面在于提供本专利技术第一个方面提供的分级分布微结构的制备方法，包括以下步骤：采用短脉冲激光在基板上加工出微米结构，然后采用电沉积的方法在微米结构上形成多孔结构，制得所述分级分布微结构。
[0019]在本专利技术的一些技术方案中，所述短脉冲激光加工是指利用聚焦的短脉冲激光束按照特定路径扫描，去除扫描路径上的材料，从而形成锥状或沟槽状微结构。
[0020]在本专利技术的一些技术方案中，所述短脉冲激光的参数为：脉冲半高宽不大于20ns；在本专利技术的一些优选地技术方案中，所述短脉冲激光的参数为：脉冲半高宽小于1ns。较短的脉冲宽度可确保形成光滑的加工表面，避免因为熔融物运动而形成随机分布的颗粒物，影响后续亚微米或纳米的多孔结构的形成。同时，较短的脉冲宽度还能避免加工过程中的表面氧化现象，确保电沉积过程的顺利进行。
[0021]在本专利技术的一些技术方案中，所述电沉积的方法具体为：将加工有微米结构的基板作为阴极，将阴极和阳极均插入沉积液中，然后在阴极和阳极之间施加工作电压进行电
沉积反应。在电沉积反应中，金属离子被还原并沉积在锥状或沟槽状微结构上，形成多孔结构。
[0022]在本专利技术的一些技术方案中，所述阳极为金属铂网、铂板、铜网、铜板、石墨板中的一种。
[0023]在本专利技术的一些技术方案中，所述阴极和阳极之间的间距为1～10cm；在本专利技术的一些优选地技术方案中，所述阴极和阳极之间的间距为2～8cm；在本专利技术的一些更优选地技术方案中，所述阴极和阳极之间的间距为3～5cm。
[0024]在本专利技术的一些技术方案中，所述工作电压为0.5～2V；在本专利技术的一些优选地技术方案中，所述工作电压为1.2～1.8V；在本专利技术的一些更优选地技术方案中，所述工本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分级分布微结构，其特征在于：包括基板、微米结构及多孔结构；所述微米结构位于基板上；所述微米结构包括锥状或沟槽状的微结构阵列；所述微结构的顶部和靠近微结构顶部的侧壁上覆盖有多孔结构；所述多孔结构为锥状亚微米结构所形成的阵列或片状纳米结构。2.根据权利要求1所述的分级分布微结构，其特征在于：所述多孔结构中铜的含量≥90％，镍的含量＜10％。3.根据权利要求1或2所述的分级分布微结构，其特征在于：所述微结构的高度和底部宽度的比值≥0.5；所述微结构的底部宽度≤100μm；所述微结构的顶部宽度≤10μm；相邻两个微结构之间的间距≤100μm。4.根据权利要求1或2所述的分级分布微结构，其特征在于：所述锥状亚微米结构的水平横截面的宽度≤2μm；所述锥状亚微米结构的高度≥500nm；相邻两个锥状亚微米结构之间的距离≤5μm。5.根据权利要求1或2所述的分级分布微结构，其特征在于：所述片状纳米结...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙江游，欧阳紫晴，席明杰，李艳，吴峻炜，林境豪，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：