非晶碳膜复合层次微纳结构表面的制备及抗垢性能研究

发布时间：2020-08-21 05:25

【摘要】：换热表面在服役过程中常常会附着一层污垢晶体,它会延长污垢诱导期,增大换热面污垢热阻,降低换热设备的传热效率,增加设备能耗,缩短换热设备的使用寿命。可见,如何增强换热表面的抗垢性能的研究工作具有重要的科学意义和应用价值。本论文提出采用电火花加工技术和磁控溅射技术相结合的两步法,在换热表面制备出具有非晶碳膜覆盖层的复合层次微纳结构(HMNS),研究了复合层次微纳结构表面的形貌特征、表面粗糙度(Ra和Rz)、润湿性(表面接触角CA)和耐腐蚀性等表面特性,着重研究了表面特性与换热表面抗垢性能的构效关系,并研究层次微纳结构在池沸腾强化传热方面的应用。根据电火花加工原理和特点,提出采用电火花成型设备制备铜金属表面层次微纳结构的方法。利用宏观和微观形貌分析(OM、HRSEM、SEM、AFM、EDS)对所制备的层次微纳结构表面的粗糙度、接触角等特征参数进行了表征和分析。通过正交实验设计方案,探讨了脉冲放电参数对表面粗糙度和润湿性的影响规律。结果表明,可通过调整脉冲放电参数调控层次微纳结构表面特性。影响Ra的因素主次为:电流、脉宽、间隙电压、占空比。影响Rz和CA的因素主次则为:电流、脉宽、占空比、间隙电压。铜基HMNS表面为疏水表面,静态接触角随脉宽的增大而增大。在本论文实验中可达到144.7°±2.1°,接触角滞后性为8.46°±3.3°～14.1°±1.2°。铜基HMNS表面中的微纳结构孔洞可存储空气在其中形成“气垫”效应,这是提高表面疏水性的关键。根据铜基HMNS表面和水滴的液固界面所占面积分数fsl,结果显示水滴和层次微纳结构表面仅有14.05%～25.10%的接触面积,其他接触面积是水滴和“气垫”接触。因此,水滴难以在铜基HMNS表面铺展开而具有团聚的趋势,提高了铜基HMNS表面的接触角。非晶碳膜的润湿性与非晶碳膜sp2的含量有关,通过调整磁控溅射偏压参数,可调控非晶碳膜中sp2的含量,提高非晶碳膜的表面接触角。结果表明,磁控溅射制备的非晶碳膜表面由纳米尺寸的球状非晶碳簇束组成,球状非晶碳簇束的平均尺寸随着偏压的增大而增大,簇束之间的平均距离则随着偏压的增大而减小,非晶碳膜中孔洞数量也随之减少。随着偏压的增大,非晶碳膜中sp2的含量先减小后增大,sp2含量的范围为59.02%～70.50%。随着非晶碳膜中ID/IG、sp2/sp3和sp2含量的增大,非晶碳膜接触角随之增大,而非晶碳膜的表面能随之减小。根据Cassie-Baxter润湿理论,非晶碳膜中孔洞起到了存储空气阻碍液滴在表面铺展的效果,与非晶碳膜的低表面共同作用而提高了非晶碳膜的疏水性。不同偏压下的非晶碳膜的接触角分别为 133.16°±0.45°(-100V)、119.57°± 1.17°(-200V)和 121.28°±0.20°(-300V);表面能分别为 4.57×0.29mJ/m2(-100V)、11.73×1.89 mJ/m2(-200V)和 10.57×1.53 mJ/m2(-300V)。通过自制的换热表面涂层传热性能测试系统研究铜基HMNS表面的抗垢性能和池沸腾传热性能,探讨了不同疏水性、表面粗糙度和耐腐蚀性对铜基HMNS表面的抗垢性能的影响。结果表明,铜基HMNS表面在低热通量条件下具有较长的污垢诱导期和较低的最大污垢热阻值(Rf max);在高热通量条件下,铜基HMNS表面的污垢诱导期消失了,但其Rfmax仍旧低于光滑铜表面的。一方面是因为铜基HMNS表面的疏水性降低了换热表面污垢的附着量,且附着的污垢晶体松散;另一方面是因为铜基HMNS表面耐腐蚀性降低了污垢溶液中Cu2+的浓度,减少了复杂的碳酸根污垢沉积;三是因为铜基HMNS表面具有类似多孔表面的作用,增强了沸腾气泡的活动,提高了沸腾气泡脱离频率,使得附着在表面的污垢受到沸腾气泡脱离时的擦拭作用而从换热表面上脱落。这些因素共同作用而使得铜基HMNS表面表现出优异的抗垢性。另外,铜基HMNS表面上附着的污垢晶体可通过超声清洗的方式去除,清洁后的铜基HMNS表面的接触角与原有表面的接触角相比较轻微下降。在池沸腾传热性能方面,铜基HMNS表面的微纳结构增加了沸腾气泡形核区域,并增强了换热表面上沸腾气泡的活动,从而增强了铜基HMNS表面的临界热流密度(CHF)和传热系数(HTC)。一方面,铜基HMNS表面粗糙度的增大,增加了换热表面积,从而增大CHF;另一方面,铜基HMNS表面疏水性的提高了表面沸腾气泡的脱离频率,使得换热表面的HTC得到提高。采用两步法,将电火花加工技术和磁控溅射技术相结合,制备出具有非晶碳膜覆盖的复合HMNS表面(MES)。采用数码相机、HRSEM、SEM、EDS、XPS、XRD和Raman分别表征了非晶碳膜复合HMNS表面的宏观和微观形貌、非晶碳膜结构、元素价态,并用电化学工作站和原子吸收分光光度计检测了非晶碳膜复合HMNS表面的耐腐蚀性,采用表面接触角测量仪检测了该表面的疏水/疏油性能,通过自制的换热表面涂层传热性能测试系统研究了该表面的抗垢性。结果表明,非晶碳膜复合HMNS表面的纳米结构特征比铜基HMNS表面的多;该表面中非晶碳膜sp2/sp3的结果为1.98,石墨化程度较高,表面能较低,因而具有良好的疏水性,对水的接触角为146.4°±3.4°,对甘油的接触角为150.2°±3.6°,具有疏水/疏油双疏效果;同时,非晶碳膜复合HMNS表面具有较高的耐蚀性,其阻抗值高于铜基HMNS表面和光滑铜表面,反映了该表面对腐蚀介质具有更强阻隔作用,降低了腐蚀介质与复合HMNS表面的有效接触面积,从而提高试样了换热表面的耐腐蚀性。基于上述因素的共同作用,非晶碳膜复合HMNS表面在热通量为66kW/m2条件下的抗垢性能更优。与光滑铜表面和单纯铜基HMNS表面相比较,该表面的污垢诱导期更长和污垢热阻更低,该表面的污垢诱导期是铜基HMNS表面的3.8倍。电火花加工技术和磁控溅射相结合,一方面可在相脉冲放电加工制备的微纳尺度结构上复合纳米尺度特征,增强层次微纳结构表面的多尺度特征的复合程度;另一方面,便于构筑层次微纳结构表面的材料体系,调控其表面能趋于低能态。基于上述特点,层次微纳结构表面的疏水性能、耐蚀性能和抗垢性能得到增强。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB306
【图文】：

力作用而下沉触碰管壁，对管壁造成磨损和腐蚀的破坏，他们将金属扭带改为工程逡逑塑料材质的扭带，使得这一系列的问题在保证阻垢效果和传热效率的情况下得以解逡逑决。随后，俞秀民［５９］等人在光滑表面的塑料扭带增加了等距离排列的斜齿（图１－２），逡逑解决了原有光滑扭带在低流速流体中无法应用的问题。张琳｜６！１等人对自旋塑料扭带逡逑开展了大量的实验研究，以确认自旋塑料扭带在实际使用过程中的效果和可靠性。逡逑研究结果表明，自旋塑料扭带管的动态污垢低于光管，其防垢效果优于光管的效果，逡逑而且采用自旋塑料扭带的管内磨损与光管的接近，加上其扭带自身的磨损率较低，逡逑所以自旋塑料扭带的可靠性较高。同时，张琳１６１１等还研宄了自旋塑料扭带强化传热逡逑的机理，结果表明装置了自旋塑料扭带的换热管具备强化传热和抗垢的双重功能。逡逑虽然扭带具有较好的除垢效果，然而扭带的结构在加工上存在较多的问题，难以顺逡逑利一次加工成型，增加了制造难度和成本。另外，驱动扭带旋转的启动力矩较高，逡逑需额外增加提高流体流速或外力驱动而使扭带转动。为了解决这个问题

垢内插物的清污原理类似。林榕端［６５］等人开发了一种微型液轮机，通过管内液体对逡逑叶轮的驱动，令叶轮连续擦刮、刷洗管内壁，在清除污垢的同时还阻止污垢在其表逡逑面上附着。Ｊｕａｎ［６６］等人设计了刮壁式换热器（见图１－３），通过刮刀在管内进行圆周逡逑运动，将管内壁上的污垢剐蹭下来，其刮削力与刮刀的速度有明显的关系。彭德其逡逑［６７］等人将偏重式螺旋轮内插在换热管内，与内插螺旋线内插物和内插螺旋扭带内插逡逑物相比，偏重式螺旋轮内插物的清垢能力更好，但偏重式螺旋轮的转动性能与安装逡逑方式有很大关系，其清垢能力也受其影响。相较于前面几种阻垢内插物设计，叶轮逡逑８逡逑

逡逑图１－２斜齿自旋双塑料扭带结构原理［５９］。１－轴承、２－旋转轴、３－传热管、４－带斜齿的逡逑塑料扭带逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｅｌｆ邋ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ｐｌａｓｔｉｃ邋ｔｗｉｓｔｅｄ邋ｓｔｒｉｐ邋ｗｉｔｈ邋ｏｂｌｉｑｕｅ邋ｔｅｅｔｈ卜９】．逡逑１－ｂｅａｒｉｎｇ；邋２－ｒｏｔａｔｉｎｇ邋ａｘｉｓ；邋３－ｈｅａｔ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｔｕｂｅ；邋４－ｐｌａｓｔｉｃ邋ｔｗｉｓｔｅｄ邋ｓｔｒｉｐ邋ｗｉｔｈ邋ｏｂｌｉｑｕｅ邋ｔｅｅｔｈ逡逑＂逦叶轮式阻垢内插物与扭带式阻垢设计类似，只是将叶片按照一定的排布规律焊逡逑接或固定在旋转轴上，通过管内流体动力驱动自转，其清除污垢的原理与扭带式阻逡逑垢内插物的清污原理类似。林榕端［６５］等人开发了一种微型液轮机，通过管内液体对逡逑叶轮的驱动，令叶轮连续擦刮、刷洗管内壁，在清除污垢的同时还阻止污垢在其表逡逑面上附着。Ｊｕａｎ［６６］等人设计了刮壁式换热器（见图１－３），通过刮刀在管内进行圆周逡逑运动，将管内壁上的污垢剐蹭下来，其刮削力与刮刀的速度有明显的关系。彭德其逡逑［６７］等人将偏重式螺旋轮内插在换热管内，与内插螺旋线内插物和内插螺旋扭带内插逡逑物相比

本文编号：2798985