氢氧化铜纳米棒结构表面强化微槽群热沉内润湿与传热特性的研究

发布时间：2020-05-21 11:45

【摘要】：微槽群热沉具有高强度的相变传热能力,其传热性能与其润湿特性紧密相关。构建微/纳米结构表面被认为是进一步提高微槽群热沉内液体润湿及传热特性的有效手段,然而现有研究中关于纳米结构表面强化微槽群热沉内润湿及传热特性研究较少,只有少数关于微纳复合槽群结构热沉内强化流动沸腾和池沸腾传热特性的报道。此外,常见的纳米结构表面制备工艺需要高花费、体积庞大的设备,涉及较为复杂、耗时的加工步骤,加工成本较高,制备得到能够大规模工程应用的微纳复合槽群结构热沉仍具有挑战性。本文将高效、低成本、易实现的碱辅助表面氧化法成功应用到微槽群结构中,在其表面原位生成了氢氧化铜纳米棒阵列结构,得到了一种新颖的氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉,并对其强化润湿特性和传热特性进行了理论和实验研究,旨在为基于微槽群的微纳尺度相变传热热沉的优化设计和性能改善提供理论依据,对解决高功率密度电子器件的散热难题具有较为重要的意义。本文首先通过探索工艺参数,利用线切割工艺和碱辅助表面氧化法,制备得到了槽道尺寸(槽宽0.3 mm,槽深0.6 mm,槽间距0.3 mm)相同的三种热沉:紫铜微槽群热沉、亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉和超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉。通过扫描电镜和接触角测量仪的测试,三种热沉中,紫铜微槽群热沉表面接触角为65.2°;当反应进行至某一时刻时,紫铜微槽群表面观察到有氢氧化铜纳米棒结构生成,制备得到亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉,表面接触角减小为45°;当继续增加反应时间到某一时刻时,紫铜微槽群热沉表面均匀地覆盖了稠密且细长的氢氧化铜纳米棒阵列结构,制备得到超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉,接触角为4.1°。测试结果表明:在一定时间范围内,碱辅助表面氧化反应时间越长,表面生成的纳米棒尺寸越长、数量越多,亲水性越好,氢氧化铜纳米棒结构表面的生成显著提高了微槽群热沉表面的亲水性。随后本文进行了上述三种热沉内液体工质轴向润湿长度和蒸发流动特性的可视化对比实验研究,实验结果表明氢氧化铜纳米棒表面显著强化了微槽群热沉的润湿性,超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉具有最优异的润湿特性。在无输入热流密度时,对于竖直放置的上述三种热沉,水在亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉和超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉内的润湿长度相比于紫铜微槽群热沉分别提高了 150%和300%。在无输入热流密度时,对于超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉,水和乙醇在热沉内的润湿长度都随着热沉的倾斜角(与水平方向夹角)的增加而减小。在输入热流密度为12.5～75 kW·m-2的纯蒸发传热条件下,当输入热流密度相同时,水在超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉内润湿长度最高,亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉内润湿长度次之,紫铜微槽群热沉内润湿长度最低,超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉能够支持的输入热流密度最高。通过建立无输入热流密度条件下微槽群结构内液体毛细爬升的理论模型和进行毛细爬升实验,定量评价了超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构毛细性能的改善。实验结果表明当液体工质为蒸馏水时,对于超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构,其考虑重力效应时的毛细性能参数K/Reff比不考虑重力时的高261%,因此重力效应不可忽略。对于具有相同微槽尺寸(槽宽0.3 mm,槽深0.6 mm,槽间距0.3 mm)的紫铜微槽群结构和超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构,毛细性能参数K/reff分别为4.3μ 和25 μm,超亲水氢氧化铜纳米棒结构表面的生成使得紫铜微槽群结构的毛细性能参数提高了约481%,毛细性能增量比是目前报道的最高值之一。通过对毛细压力和渗透率的进一步计算发现,超亲水氢氧化铜纳米棒结构表面使得微槽群毛细压力显著增加的同时,也略微提高了渗透率,因此大幅度增强了微槽群的毛细性能,这很好地解释了超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构润湿特性提高的原因。本文基于自适应理论,发展了用以预测纯蒸发传热条件下氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉内液体润湿长度的一维轴向流动理论模型,其综合考虑了接触角、倾斜角、表面结构和输入热流密度等影响因素。通过与实验结果的对比表明,该模型能够很好地描述纯蒸发传热条件下,液体在不同表面亲水性的槽群结构热沉内的润湿特性。本文进行了上述三种热沉的传热特性的对比实验研究,结果表明,纯蒸发传热条件下,超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉具有最优的传热性能。在输入热流密度相同时,超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉的表面温度明显低于紫铜微槽群热沉,蒸发传热系数的最大增强比为100%,这是因为超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉的形成可以大幅扩展具有高传热性能的蒸发薄液膜面积,显著提高蒸发传热系数。另一方面,在发生沸腾传热时,表面生成的氢氧化铜纳米棒阵列结构形成了许多微/纳尺度的孔隙,大大增加了表面粗糙度,导致整个换热表面的汽化核心密度增加,因此超亲水氢氧化铜纳米棒微纳复合槽群结构热沉相比于紫铜微槽群热沉具有更好的沸腾传热性能。
【图文】：

光滑铜表面,静态接触,亚微米结构

第１章引言逡逑（如图１．邋３），实验结果表明：亚微米结构和微针翅结构相比光滑表面均对沸腾逡逑换热有很大的强化作用，他们的热通量是光滑表面的１．８？２．３倍，在低热流密度逡逑区，亚微米结构芯片具有最高的传热性能。逡逑（ａ）微针翅表面结构ＳＥＭ图逦（ｂ）亚微米结构表面ＡＦＭ图逡逑（ａ）邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ邋ｆｉｎｓ逦（ｂ）邋Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑图ｉ．３微针翅表面和亚微米结构表面微观图逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ａｎｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ邋ｆｉｎｓ逡逑随后，Ｋｕｎｕｇｉ等人研宄了一种由百微米级长度的碳纳米管、氧化铝和氧逡逑化铜纳米颗粒组成的纳米多孔结构表面的强化换热特性，结果发现纳米颗粒表面逡逑可以强化换热。Ｖｅｍｕｒｉ等人［４（）］以ＦＣ－７２介电流体为工质研究了氧化铝纳米多孔逡逑表面对池沸腾传热的强化作用，在传热实验中发现，相较于光滑表面，氧化铝纳逡逑米多孔表面的起沸点降低，他们认为纳米表面增强换热的原因在于其增加了汽化逡逑核心的密度。Ｕｊｅｒｅｈ等人［４１］研究了碳纳米管涂层对池沸腾换热的影响情况，实验逡逑测试了不同碳纳米管阵列密度和面积覆盖比的样品

槽群,树皮,表面,三角形微槽

Ｔａｎｇ等人［３３］利用犁削挤压（ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ－ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）法制备了三角形微槽，随逡逑后用ＮａＯＨ溶液对其进行表面化学腐蚀，形成了具有表面树皮状微米粗糙结构的逡逑复合槽群毛细芯，其表面微观结构如图１．６。他们系统研宄了溶液浓度和腐蚀时逡逑间对复合芯的毛细性能的影响，如图１．７，结果表明，相比于原始未被腐蚀的三逡逑角形微槽，复合结构内液体的润湿高度大大提高，Ｉ．５ｍｏＩ／Ｌ的溶液反应ｌＯｍｉｎ后，，逡逑毛细性能参数的X椉哟锏阶钣胖担岣吡隋澹玻埃罚ァｅ义希聥摃埽哄义蟇逡逑ｍ邋■邋ｉｚｚ邋ｓ＾＊邋＊邋＊邋ａｓｓ逦Ｊ逦ｕ＊－ｗ邋ｉ？ｊｗ＊ｊａ－ｓｓ３．邋＊？ｒ＊逦脚喝邋ｉ逡逑（ａ）三角形微槽表面微观结构逦（ｂ）复合槽群毛细芯的表面结构逡逑（ａ）邋Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ邋ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ逦（ｂ）邋Ｈｙｂｒｉｄ邋ｗｉｃｋ邋Ｓｕｒｆａｃｅ逡逑图１．６具有表面树皮状微米粗糙结构的复合槽群毛细芯丨５５丨逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．６邋Ｈｙｂｒｉｄ邋ｗｉｃｋ邋ｃｏｍｂｉｎｅｄ邋ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｓ邋ａｎｄ邋ｂａｒｋ邋ｍｉｃｒｏｎ邋ｒｏｕｇｈ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK124

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