CN101644549B - 一种微沟槽与纤维的复合多孔结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微沟槽与纤维的复合多孔结构及其制造方法。该复合多孔结构由微沟槽基体和微沟槽壁面弥散分布的不规则细碎纤维构成。细碎纤维由众多珊瑚状的纤维颗粒组成，纤维颗粒之间、微沟槽与细碎纤维之间形成大量多尺度的孔隙。制造方法是，采用犁切-挤压刀具加工出微沟槽基体；除污、清洗后置于气氛保护式加热炉中，通入氮气、氩气或氦气保护加热至460～480℃；用还原性气体氢气进行氢处理，加热到580～620℃，于580～620℃保温30～45分钟退火；冷至室温。本发明工艺简单，生产效率高，成本低廉，微沟槽与纤维的复合多孔结构可以广泛应用于能源、化工、制冷、航天、电子等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种强化沸腾结构，特别是涉及一种用于强化沸腾传热的微沟槽与纤维的复合多孔结构及其制造方法。
背景技术
随着能源的不断消耗，节约和有效使用能源的要求变得越来越突出。强化沸腾传热技术对于提高能源的有效利用率、新能源的开发和高热负荷下设备的可靠运行等具有重要的意义。各种强化沸腾传热结构在热能动力、化工、电子、核能、制冷、航天等领域已经得到广泛的应用。常用的强化沸腾传热结构有肋化结构、微通道结构、多孔结构(常见有烧结型、喷涂型、电镀型、机械加工型、腐蚀型等五种类型)等。这些结构可以增加沸腾表面的气泡成核位置，增加沸腾表面汽化核心数目，降低液体沸腾所需的过热温度，提高沸腾的临界热流密度，从而起到强化沸腾传热的作用。在这些强化沸腾结构中，多孔结构由于具有大量的凹穴与隧道作为理想的稳定汽化核心，大大加快了气泡生成频率，对水、氟里昂、液氮、烯烃类、苯、石油、乙醇等多种工质的沸腾换热均有显著的强化作用，其强化沸腾传热效果最好，应用也最为广泛。现有的多孔结构中，喷涂型、电镀型、腐蚀型多孔结构需采用特殊的加工设备，加工成本高；机械加工型多孔结构成形复杂，制造工艺要求高；烧结型多孔结构由于烧结温度过高，在1000℃左右，造成大量能耗，降低了设备的使用寿命，其在相关领域的使用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有强化沸腾结构的缺陷，提出一种制造工艺简单、设备要求低、成本低廉的用于强化沸腾传热的微沟槽与纤维的复合多孔结构。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种微沟槽与纤维的复合多孔结构，由微沟槽基体和微沟槽壁面弥散分布的不规则薄片细碎纤维构成；所述细碎纤维由众多珊瑚状的纤维颗粒组成，纤维颗粒大小约为10～20um，并在空间交错冶金结合，纤维颗粒之间形成大量10～50μm的微小孔隙；所述细碎纤维与所述微沟槽基体壁面结合在一起，微沟槽与纤维颗粒之间形成大量相互连通的50～200um的孔隙。
所述微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，包括如下步骤和工艺条件：
(1)采用犁切-挤压刀具，通过车削在紫铜圆管内壁或通过刨削在紫铜薄板上加工出微沟槽基体；
(2)微沟槽基体除污、清洗；
(3)将微沟槽基体置于气氛保护式加热炉中，通入氮气、氩气或氦气保护加热至460～480℃；再用还原性气体氢气进行氢处理，加热到580～620℃，于580～620℃保温30～45分钟进行退火；随后冷却降温至460～480℃，改用氮气、氩气或氦气保护，炉冷至室温时，取出即可得到所述微沟槽与纤维的复合多孔结构。
所述犁切-挤压刀具包括切削刃、两个前刀面、两个成形面和一个后刀面，其中两前刀面交线形成切削刃；两前刀面分别与两成形面连接；两成形面通过后刀面连接；两前刀面、两成形面、后刀面交汇于刀尖点；两前刀面、成形面均关于过切削刃的切削平面对称。
所述通过车削在紫铜圆管内壁或通过刨削在紫铜薄板上加工出微沟槽基体是通过劈切、挤压、成形三个过程实现，其中，所述劈切是指犁切-挤压刀具的切削刃将金属劈切分开，使金属向两前刀面分流，初步形成微沟槽；所述挤压是指劈分金属受前刀面挤压，向前刀面上方和两侧流动，微沟槽加深；所述成形是指成形面对沟槽壁面进行修整成形，形成最终的微沟槽基体。
所述步骤(3)中温退火氢处理时，微沟槽与纤维的复合多孔结构的形成原因如下：由于微沟槽加工过程中刀具前刀面、成形面对微沟槽壁面的塑性挤压和摩擦作用，使得微沟槽壁面存在大量的微细孔洞和破碎晶粒。前刀面、成形面的粗糙度约为Ra3.2um～Ra6.4um，这些微细孔洞和破碎晶粒的大小也大体与此相同。由于强烈的塑性变形，微沟槽壁面存在较大的残余应力，微细孔洞和破碎晶粒处于热力学不稳定状态。中温加热(400～650℃)氢处理时，氢以较大的溶解度渗入微沟槽壁面中，引起微细孔洞和破碎晶粒的结合、延伸和拓展，并在宏观上表现为大小约为10～20um的珊瑚状纤维颗粒的生成。纤维颗粒在残余应力的作用下与微沟槽基体发生分离，并在空间交错冶金结合，整体形成不规则薄片状的细碎纤维结构，而纤维颗粒相互之间则形成大量10～50μm的微小孔隙。分离过程中，残余应力得到释放，进行到一定程度后，由于残余应力基本消除而使得分离没有完全进行，此时细碎纤维结构与微沟槽基体仍然部分结合在一起，微沟槽与细碎纤维结构之间形成大量50～200um的孔隙。
相对于现有技术，本发明具有如下特点：
1、微沟槽与纤维的复合多孔结构为沸腾传热提供了复杂的粗糙型表面，大大增加了沸腾传热的表面积；同时纤维颗粒之间、微沟槽与细碎纤维之间形成大量多尺度的孔隙，这些孔隙作为凹穴与隧道增加了汽化核心数目，提高了气泡生成的频率，降低了液体沸腾所需的过热温度，显著地强化了沸腾传热效果，同时还具有良好的抗污垢性能。
2、该强化沸腾多孔结构的制造工艺简单，通过传统的切削法加工出微沟槽后，在一定的气氛下中温退火氢处理成形，退火温度远低于烧结型多孔结构的烧结温度，降低了能耗，提高了设备的使用寿命，生产成本较低。
3、微沟槽是通过犁切-挤压刀具在车床或刨床上加工成形，相比于现有的微纳加工技术(如激光雕刻、化学腐蚀、化学汽相沉积、反应微离子刻蚀等)，加工成本大大降低，且在现有装备和技术条件下易于产业化。
附图说明
图1为本发明的犁切-挤压成形刀具的侧面图。
图2为图1中的O-O剖面图。
图3为图1中的S向视图。
图4为紫铜圆管内壁微沟槽基体的加工示意图。
图5为紫铜薄板平面微沟槽基体的加工示意图。
图6为微沟槽与纤维的复合多孔结构的扫描电镜图。
图7为微沟槽与纤维的复合多孔结构的扫描电镜放大图。
图8为形成细碎纤维的纤维颗粒的扫描电镜放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
一种微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，包括如下步骤：
第一步，犁切-挤压刀具的加工。如图1、2、3所示，犁切-挤压刀具1为成形刀具，包括切削刃11、两个前刀面12、两个成形面13和一个后刀面14。两前刀面12的交线为切削刃11，两前刀面12分别与两成形面13连接，两成形面13通过后刀面14连接，两前刀面12、两成形面13、后刀面14交汇于刀尖点。两前刀面12、成形面13均关于过切削刃11的切削平面对称。切削刃11的作用是将金属切分开，使金属向两前刀面流动：前刀面12的作用是挤压被分开的金属，使沟槽加深；成形面13的作用是挤压、修整微沟槽；后刀面14的作用是利于切削刃的切入和运动。犁切-挤压刀具1是通过磨削加工成形的：首先加工两前刀面12，两前刀面12相交形成切削刃11；再加工两成形面13；最后加工后刀面14。刀具的O-O剖面为一个尖劈，利于刀具切入时将金属分开。
第二步，微沟槽基体加工。如图4所示，将犁切-挤压刀具1固定于普通车床的刀架(图中未画出)上，通过车削在外径为Φ35mm、壁厚为1.0mm的紫铜圆管21内壁加工微沟槽22。紫铜圆管21旋转，转速为50r/min，犁切-挤压刀具1随刀架沿紫铜圆管21轴向进给，进给速度为0.69mm/r。切削深度为0.7mm。加工时发生劈切、挤压、成形三个过程，即犁切-挤压刀具1的切削刃11将管壁金属劈切分开，使金属向两前刀面12分流，初步形成微沟槽；劈分金属并非像普通刀具车削时变成切屑流出，而是由于受前刀面12挤压，沿前刀面12向前刀面12上方和两侧流动，使得微沟槽加深；成形面13对沟槽壁面进行修整成形，形成最终的微沟槽结构22。
第三步，微沟槽基体除污、清洗。使用无水乙醇溶液，将微沟槽基体通过超声波清洗机清洗干净；
第四步，复合多孔结构的中温退火氢处理成形。将微沟槽基体置于气氛保护式加热炉中，通入氮气保护加热至470℃；然后改用还原性气体氢气进行氢处理，并继续加热到600℃温度，在600℃保温40分钟进行退火；随后冷却降温至470℃，再改用氮气保护，炉冷至室温时，取出即可得到微沟槽与纤维的复合多孔结构。升温过程中，加热炉升温速度控制为300℃/h，匀速加热。
如图6、7所示，上述方法加工的微沟槽与纤维的复合多孔结构由微沟槽基体和微沟槽壁面弥散分布的不规则薄片细碎纤维构成，具有复杂的粗糙型表面。细碎纤维由众多珊瑚状的纤维颗粒组成，纤维颗粒如图8所示，其大小约为10～20um，颗粒在空间交错冶金结合，相互之间形成大量10～50μm的微小孔隙，从而为沸腾提供大量的凹穴作为汽化核心。细碎纤维与微沟槽壁面结合在一起，微沟槽与纤维颗粒之间形成大量50～200um的孔隙，这些孔隙相互连通形成隧道，将凹穴相互连接起来，沸腾时能够使得沸腾液体在凹穴内迅速相互渗透，减小了沸腾表面液体的流动阻力；同时凹穴和隧道显著增加了沸腾换热的汽化核心数目，大大加快气泡生成频率，因而能够显著地强化沸腾，且具有良好的抗污垢性能。
实施例2：
一种微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，包括如下步骤：
第一步，犁切-挤压刀具的加工。如图1、2、3所示，犁切-挤压刀具1为成形刀具，包括切削刃11、两个前刀面12、两个成形面13和一个后刀面14。两前刀面12的交线为切削刃11，两前刀面12分别与两成形面13连接，两成形面13通过后刀面14连接，两前刀面12、两成形面13、后刀面14交汇于刀尖点。两前刀面12、成形面13均关于过切削刃11的切削平面对称。切削刃11的作用是将金属切分开，使金属向两前刀面流动：前刀面12的作用是挤压被分开的金属，使沟槽加深；成形面13的作用是挤压、修整微沟槽；后刀面14的作用是利于切削刃的切入和运动。犁切-挤压刀具1是通过磨削加工成形的：首先加工两前刀面12，两前刀面12相交形成切削刃11；再加工两成形面13；最后加工后刀面14。刀具的O-O剖面为一个尖劈，利于刀具切入时将金属分开。
第二步，微沟槽基体加工。如图5所示，将犁切-挤压刀具1固定于刨床的刀架(图中未画出)上，在长为50mm、宽为40mm、厚度为1.5mm的紫铜薄板23表面加工微沟槽22。紫铜薄板23横向进给，进给速度为0.75mm/r；犁切-挤压刀具1随刀架往前运动，切削深度为0.8mm。加工时发生劈切、挤压、成形三个过程，即犁切-挤压刀具1的切削刃11将薄板表面金属劈切分开，使金属向两前刀面12分流，初步形成微沟槽；劈分金属并非像普通刀具刨削时变成切屑流出，而是由于受前刀面12挤压，沿前刀面12向前刀面12上方和两侧流动，使得微沟槽加深；成形面13对沟槽壁面进行修整成形，形成最终的微沟槽结构22。
第三步，微沟槽基体除污、清洗。使用无水乙醇溶液，将微沟槽基体通过超声波清洗机清洗干净；
第四步，复合多孔结构的中温退火氢处理成形。将微沟槽基体置于气氛保护式加热炉中，通入氮气保护加热至460℃；此时改用还原性气体氢气进行氢处理，并继续加热到580℃温度，在580℃保温45分钟进行退火；随后冷却降温至460℃，再改用氮气保护，炉冷至室温时，取出即可得到微沟槽与纤维的复合多孔结构。升温过程中，加热炉升温速度控制为300℃/h，匀速加热。
如图6、7所示，上述方法加工的微沟槽与纤维的复合多孔结构由微沟槽基体和微沟槽壁面弥散分布的不规则薄片细碎纤维构成，具有复杂的粗糙型表面。细碎纤维由众多珊瑚状的纤维颗粒组成，纤维颗粒如图8所示，其大小约为10～20um，颗粒在空间交错冶金结合，相互之间形成大量10～50μm的微小孔隙，从而为沸腾提供大量的凹穴作为汽化核心。细碎纤维与微沟槽壁面结合在一起，微沟槽与纤维颗粒之间形成大量50～200um的孔隙，这些孔隙相互连通形成隧道，将凹穴相互连接起来，沸腾时能够使得沸腾液体在凹穴内迅速相互渗透，减小了沸腾表面液体的流动阻力；同时凹穴和隧道显著增加了沸腾换热的汽化核心数目，大大加快气泡生成频率，因而能够显著地强化沸腾，且具有良好的抗污垢性能。
实施例3：
一种微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，包括如下步骤：
第一步，犁切-挤压刀具的加工。如图1、2、3所示，犁切-挤压刀具1为成形刀具，包括切削刃11、两个前刀面12、两个成形面13和一个后刀面14。两前刀面12的交线为切削刃11，两前刀面12分别与两成形面13连接，两成形面13通过后刀面14连接，两前刀面12、两成形面13、后刀面14交汇于刀尖点。两前刀面12、成形面13均关于过切削刃11的切削平面对称。切削刃11的作用是将金属切分开，使金属向两前刀面流动：前刀面12的作用是挤压被分开的金属，使沟槽加深；成形面13的作用是挤压、修整微沟槽；后刀面14的作用是利于切削刃的切入和运动。犁切-挤压刀具1是通过磨削加工成形的：首先加工两前刀面12，两前刀面12相交形成切削刃11；再加工两成形面13；最后加工后刀面14。刀具的O-O剖面为一个尖劈，利于刀具切入时将金属分开。
第二步，微沟槽基体加工。如图4所示，将犁切-挤压刀具1固定于普通车床的刀架(图中未画出)上，通过车削在外径为Φ35mm、壁厚为1.0mm的紫铜圆管21内壁加工微沟槽22。紫铜圆管21旋转，转速为50r/min，犁切-挤压刀具1随刀架轴向进给，进给速度为0.69mm/r。切削深度为0.7mm。加工时发生劈切、挤压、成形三个过程，即犁切-挤压刀具1的切削刃11将管壁金属劈切分开，使金属向两前刀面12分流，初步形成微沟槽；劈分金属并非像普通刀具车削时变成切屑流出，而是由于受前刀面12挤压，沿前刀面12向前刀面12上方和两侧流动，使得微沟槽加深；成形面13对沟槽壁面进行修整成形，形成最终的微沟槽结构22。
第三步，微沟槽基体除污、清洗。使用无水乙醇溶液，将微沟槽基体通过超声波清洗机清洗干净；
第四步，复合多孔结构的中温退火氢处理成形。将微沟槽基体置于气氛保护式加热炉中，通入氮气保护加热至480℃；此时改用还原性气体氢气进行氢处理，并继续加热到620℃温度，在620℃保温30分钟进行退火；随后冷却降温至480℃，再改用氮气保护，炉冷至室温时，取出即可得到微沟槽与纤维的复合多孔结构。升温过程中，加热炉升温速度控制为300℃/h，匀速加热。
如图6、7所示，上述方法加工的微沟槽与纤维的复合多孔结构由微沟槽基体和微沟槽壁面弥散分布的不规则薄片细碎纤维构成，具有复杂的粗糙型表面。细碎纤维由众多珊瑚状的纤维颗粒组成，纤维颗粒如图8所示，其大小约为10～20um，颗粒在空间交错冶金结合，相互之间形成大量10～50μm的微小孔隙，从而为沸腾提供大量的凹穴作为汽化核心。细碎纤维与微沟槽壁面结合在一起，微沟槽与纤维颗粒之间形成大量50～200um的孔隙，这些孔隙相互连通形成隧道，将凹穴相互连接起来，沸腾时能够使得沸腾液体在凹穴内迅速相互渗透，减小了沸腾表面液体的流动阻力；同时凹穴和隧道显著增加了沸腾换热的汽化核心数目，大大加快气泡生成频率，因而能够显著地强化沸腾，且具有良好的抗污垢性能。
Claims (4)
1.一种微沟槽与纤维的复合多孔结构，其特征在于：由微沟槽基体和微沟槽壁面弥散分布的不规则薄片细碎纤维构成；所述细碎纤维由众多珊瑚状的纤维颗粒组成，纤维颗粒大小为10～20um，并在空间交错冶金结合，纤维颗粒之间形成大量10～50μm的微小孔隙；所述细碎纤维与所述微沟槽基体壁面结合在一起，微沟槽与纤维颗粒之间形成大量相互连通的50～200um的孔隙。
2.权利要求1所述微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，其特征在于：包括如下步骤和工艺条件：
(1)采用犁切-挤压刀具，通过车削在紫铜圆管内壁或通过刨削在紫铜薄板上加工出微沟槽基体；
(2)微沟槽基体除污、清洗；
(3)将微沟槽基体置于气氛保护式加热炉中，通入氮气、氩气或氦气保护加热至460～480℃；再用还原性气体氢气进行氢处理，加热到580～620℃，于580～620℃保温30～45分钟进行退火；随后冷却降温至460～480℃，改用氮气、氩气或氦气保护，炉冷至室温时，取出即可得到所述微沟槽与纤维的复合多孔结构。
3.根据权利要求2所述微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，其特征在于：所述犁切-挤压刀具包括切削刃、两个前刀面、两个成形面和一个后刀面，其中两前刀面交线形成切削刃；两前刀面分别与两成形面连接；两成形面通过后刀面连接；两前刀面、两成形面、后刀面交汇于刀尖点；两前刀面、成形面均关于过切削刃的切削平面对称。
4.根据权利要求2所述微沟槽与纤维的复合多孔结构的制造方法，其特征在于：所述通过车削在紫铜圆管内壁或通过刨削在紫铜薄板上加工出微沟槽基体是通过劈切、挤压、成形三个过程实现，其中，所述劈切是指犁切-挤压刀具的切削刃将金属劈切分开，使金属向两前刀面分流，初步形成微沟槽；所述挤压是指劈分金属受前刀面挤压，向前刀面上方和两侧流动，微沟槽加深；所述成形是指成形面对沟槽壁面进行修整成形，形成最终的微沟槽基体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110615 Termination date: 20180728 |