CN103556193A - 紫铜表面超亲水结构制备方法及用该方法制造的紫铜微热管 - Google Patents
紫铜表面超亲水结构制备方法及用该方法制造的紫铜微热管 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了紫铜表面超亲水结构制备方法及用该方法制造的紫铜微热管，紫铜超亲水结构的制备包括电解液的配制、紫铜表面预处理、电化学沉积构筑表面微-纳米粗糙结构和烧结处理4个步骤，利用该方法制备的超亲水结构与水的接触角为5-0°，且该超亲水结构具备良好稳定性以及较高的界面结合强度，可作为超亲水层应用在紫铜微热管上。由于良好的超亲水性能，大大提高了紫铜微热管的导热系数和超亲水层的毛细力。本发明解决了紫铜微热管传统加工难题，且工艺简单易控，成本低廉，适合推广。
Description
技术领域
本发明涉及电化学加工金属表面微结构领域。
背景技术
固体表面的浸润性在对基础研究和实际应用都非常重要。近年来，固体表面的超亲水、超疏水现象受到广泛的关注。超亲水表面是指与水的接触角小于5°的表面，超亲水表面有许多优异的性能，如自清洁、防雾、生物医药和提高表面热交换效率等。自然界中大部分固体表面是亲水状态的，但是要想达到超亲水必须通过进一步构筑表面微结构。目前，已经有许多关于超疏水铜表面的研究和成果，但对于铜表面超亲水结构的研究还很少，特别是如何制备一种界面结合强度高且稳定性好的铜表面超亲水结构。
随着电子技术的快速发展，集成电路的功率越来越大，体积却要求越来越小，导致单位面积的发热量加倍增大，特别是在电子通讯设备领域，高热流密度电子元件的散热技术已经成为影响设备性能的关键因素。在现实需求的推动下，微热管技术应运而生，很好地解决了高热流密度散热问题，不过随着科技的发展，新的散热问题不断出现，微热管技术也在不断更新进步。
普通热管一般包括基管、吸液芯以及填充在热管内的工质液体，其中吸液芯结构对热管的性能有决定性的作用。传统吸液芯结构主要有粉末烧结式和沟槽拉拔式这两种制造方法，两种方法各有优缺点。粉末烧结式吸液芯毛细力较强，但液体回流阻力较大，且由于烧结层较厚既增加了管壁热阻又增加了微热管重量。沟槽式吸液芯结构的微热管相比烧结式吸液芯结构的微热管重量要轻30%-40%，且工质液体回流阻力小，但存在吸液芯毛细力小、受重力影响大以及制造工艺复杂等缺点。
近年来，不少研究表明超亲水表面在传热方面有明显的促进作用，如提高热流密度、强化沸腾等，而紫铜已被广泛应用于传热领域，例如热管、热柱、均热板等。由于超亲水铜表面相比普通铜表面具有更高的导热系数，所以在传热方面具有巨大的应用价值。因此一种紫铜表面超亲水结构制备方法以及覆盖了超亲水层的紫铜微热管是我们迫切需要的。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种结合强度高、稳定性好的紫铜超亲水表面的制备方法。
本发明的另一个目的是提供一种易于加工、提升导热系数、降低加工成本的紫铜微热管。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
紫铜表面超亲水结构制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）电解液的配制
将CuSO4固体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液；
（2）紫铜表面预处理
对紫铜表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后烘干；
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，沉积结束后，用去离子水清洗并烘干；
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中进行烧结处理，结束后即得到紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层。
步骤（1）中，所述电解液中铜离子浓度不低于0.01mol/L，氢离子浓度不低于0.5mol/L。
步骤（3）中，所述电流密度为10-50mA/cm2,沉积时间为8-20min。
步骤（4）中，所述烧结处理为分段升温的烧结方式，烧结温度为500-900℃，升温速率小于5℃/min。
步骤（4）中，所述超亲水层为与紫铜紧密结合的微-纳米铜颗粒沉积层，铜颗粒直径为0.1-2μm。
利用紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，它包括紫铜基管；紫铜基管的内壁设有超亲水层。
紫铜基管包括第一圆管段、直径比第一圆管段大的第二圆管段以及将两者连接的环形过渡段。
超亲水层覆盖紫铜基管的整个内壁。
紫铜基管两端封闭，中间为容纳工质液体的真空容腔。
紫铜基管的管壁厚度为0.2-0.5mm，第二圆管段的外径为3-6mm。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.本发明制备的紫铜表面超亲水结构具有良好的稳定性，在水和空气中各放置1个星期后重新测量其接触角，发现接触角仍然小于5°。
2.本发明制备的具有超亲水结构的紫铜表面超亲水层具备较高的界面结合强度：
（1）用小型手动压力试验机对超亲水铜表面施加10-100N的压力，结果表明压力小于80N时，紫铜表面始终能保持超亲水的性能；而未经烧结处理的铜表面在10N以下压力时表面结构就已经被破坏，紫铜表面颗粒会附着到与之接触的物体上，从而导致表面结构被破坏。
（2）将这种超亲水表面作为流道的一个壁面，流道中通体积流量为100-500mL/min，去离子水2min后取出，结果表明体积流量小于450mL/min时,超亲水紫铜表面依然保持超亲水性能；而未经固化处理的紫铜表面在通50mL/min去离子水2min后取出，发现表面沉积层部分颗粒被水流带走，表面结构受到严重破坏。
3.本发明制造的紫铜微热管由于设置了超亲水层，大大提高了微热管的导热系数和超亲水层的毛细力，减小了微热管内工质液体的回流阻力。
4.本发明利用电化学沉积的方法制造的紫铜微热管，解决了微热管因尺寸小传统加工困难的难题，降低加工成本，适合生产推广。
附图说明
图1为实施例1工艺处理后所得紫铜表面超亲水结构的SEM图。
图2为实施例2工艺处理后所得紫铜表面超亲水结构的SEM图。
图3为实施例3工艺处理后所得紫铜表面超亲水结构的SEM图。
图4为实施例4工艺处理后所得紫铜表面超亲水结构的SEM图。
图5为实施例5工艺处理后所得紫铜表面超亲水结构的SEM图。
图6为水滴在紫铜表面的超亲水层的接触角图片。
图7为实施例6所制造的紫铜微热管的结构示意图。
其中，1为紫铜基管，2为超亲水层，3为真空容腔。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
一种紫铜表面超亲水结构制备方法，包括以下步骤：
（1）电解液的配制
将五水硫酸铜晶体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液，铜离子浓度优选0.02mol/L，氢离子浓度优选1mol/L。
（2）紫铜表面预处理
对紫铜（铜元素含量大于99.9%）表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后在空气中自然烘干。
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，电流密度为10mA/cm2,沉积时间为20min，沉积结束后，用去离子水清洗然后自然烘干。
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中按以下工艺烧结，结束后即得到界面结合强度高且稳定性好的紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层，用接触角测量仪（JC2000D，POWEREACH）测量铜表面接触角，水滴大小为5μL，测得其接触角为0°。
烧结工艺：开始烧结时通氮气作为保护气体，初始温度为室温（30℃）经过80min加热到400℃，保护气体换为氢气，保温30min，再经过30min加热到500℃，保温60min，炉冷到400℃，保护气体重新换为氮气，继续炉冷到200℃，取出紫铜，空冷。
实施例2
一种紫铜表面超亲水结构制备方法，包括以下步骤：
将五水硫酸铜晶体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液，铜离子浓度优选0.02mol/L，氢离子浓度优选1mol/L。
（2）紫铜表面预处理
对紫铜表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后在空气中自然烘干。
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，电流密度为20mA/cm2,沉积时间为15min，沉积结束后，用去离子水清洗然后自然烘干。
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中按以下工艺烧结，结束后即得到界面结合强度高且稳定性好的紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层，用接触角测量仪（JC2000D，POWEREACH）测量铜表面接触角，水滴大小为5μL，测得其接触角为0°。
烧结工艺：开始烧结时通氮气作为保护气体，初始温度为室温（30℃）经过80min加热到400℃，保护气体换为氢气，保温30min，再经过30min加热到500℃，保温60min，炉冷到400℃，保护气体重新换为氮气，继续炉冷到200℃，取出紫铜，空冷。
实施例3
一种紫铜表面超亲水结构制备方法，包括以下步骤：
将五水硫酸铜晶体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液，铜离子浓度优选0.02mol/L，氢离子浓度优选1mol/L。
（2）紫铜表面预处理
对紫铜表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后在空气中自然烘干。
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，电流密度为30mA/cm2,沉积时间为10min，沉积结束后，用去离子水清洗然后自然烘干。
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中按以下工艺烧结，结束后即得到界面结合强度高且稳定性好的紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层，用接触角测量仪（JC2000D，POWEREACH）测量铜表面接触角，水滴大小为5μL，测得其接触角为0°。
烧结工艺：开始烧结时通氮气作为保护气体，初始温度为室温（30℃）经过100min加热到500℃，保护气体换为氢气，保温20min，再经过100min加热到900℃，保温60min，炉冷到500℃，保护气体重新换为氮气，继续炉冷到200℃，取出紫铜，空冷。
实施例4
一种紫铜表面超亲水结构制备方法，包括以下步骤：
将五水硫酸铜晶体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液，铜离子浓度优选0.02mol/L，氢离子浓度优选1mol/L。
（2）紫铜表面预处理
对紫铜表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后在空气中自然烘干。
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，电流密度为40mA/cm2,沉积时间为12min，沉积结束后，用去离子水清洗然后自然烘干。
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中按以下工艺烧结，结束后即得到界面结合强度高且稳定性好的紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层，用接触角测量仪（JC2000D，POWEREACH）测量铜表面接触角，水滴大小为5μL，测得其接触角为0°。
烧结工艺：开始烧结时通氮气作为保护气体，初始温度为室温（30℃）经过100min加热到500℃，保护气体换为氢气，保温20min，再经过100min加热到900℃，保温60min，炉冷到500℃，保护气体重新换为氮气，继续炉冷到200℃，取出紫铜，空冷。
实施例5
一种紫铜表面超亲水结构制备方法，包括以下步骤：
（1）电解液的配制
将五水硫酸铜晶体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液，铜离子浓度优选0.02mol/L，氢离子浓度优选1mol/L。
（2）紫铜表面预处理
对紫铜表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后在空气中自然烘干。
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，电流密度为50mA/cm2,沉积时间为8min，沉积结束后，用去离子水清洗然后自然烘干。
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中按以下工艺烧结，结束后即得到界面结合强度高且稳定性好的紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层，用接触角测量仪（JC2000D，POWEREACH）测量铜表面接触角，水滴大小为5μL，测得其接触角为0°。
烧结工艺：开始烧结时通氮气作为保护气体，初始温度为室温（30℃）经过80min加热到400℃，保护气体换为氢气，保温30min，再经过30min加热到500℃，保温60min，炉冷到400℃，保护气体重新换为氮气，继续炉冷到200℃，取出紫铜，空冷。
实施例6
利用紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，包括以下步骤：
（1）紫铜基管制备
利用割管机将紫铜管切割成一定长度的短管，然后对短管的一端用缩管机进行缩管处理，接着对短管依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗3-5min，去除表面油污和紫铜碎屑，最后用去离子水将紫铜短管冲洗干净，获得紫铜基管。
（2）超亲水层的制造
将经过（1）处理后的紫铜基管作为电化学反应的阴极，另取一块紫铜板作为阳极，浸入0.02mol/L CuSO4和1mol/L H2SO4的混合溶液中，阴极基管接恒流源负极，阳极紫铜板接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜基管内壁构筑超亲水层，电流密度为50mA/cm2，沉积时间为20min，沉积结束后，用去离子水清洗，然后在空气中自然烘干。将内壁具有超亲水层的紫铜基管放进烧结炉中进行烧结处理，烧结温度为500℃，烧结后紫铜基管内壁上的沉积层与基管内壁紧密结合作为紫铜微热管的超亲水层。
烧结工艺：开始烧结时通氮气作为保护气体，初始温度为室温（30℃）经过80min加热到400℃，保护气体换为氢气，保温30min，再经过30min加热到500℃，保温60min，炉冷到400℃，保护气体重新换为氮气，继续炉冷到200℃，取出热管，空冷。
（3）封装密封
利用氩弧焊将步骤（2）所制备的紫铜基管未经缩管处理的一端进行焊接密封，然后从另一端向紫铜基管内灌注一定量的去离子水，接着利用抽真空设备对经过缩管处理的一端进行抽真空处理，达到所需的真空度后利用抽真空设备上的封口装置对缩管一端进行封口处理，最后将经过封口处理的一端进行焊接密封，得到电化学沉积式具备超亲水层的紫铜微热管。
图7所示，该紫铜微热管包括紫铜基管和超亲水层；紫铜基管包括第二圆管段、经缩管处理的第一圆管段和过渡段；超亲水层覆盖紫铜基管的整个内壁；紫铜基管两端密封，中间围成容纳工质液体的真空容腔；本实施例中第二圆管段的外径为5mm，紫铜基管的管壁厚度为0.4mm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.紫铜表面超亲水结构制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）电解液的配制
将CuSO4固体溶于去离子水中形成CuSO4溶液，然后往CuSO4溶液中加入浓H2SO4，将得到的CuSO4和H2SO4的混合溶液作为电解液；
（2）紫铜表面预处理
对紫铜表面依次用稀硫酸和乙醇进行超声波清洗，再用去离子水冲洗干净，然后烘干；
（3）电化学沉积构筑微-纳米粗糙结构
将步骤（2）预处理后的紫铜作为电化学反应的阴阳极，浸入步骤（1）配制的电解液中，阴极紫铜接恒流源负极，阳极紫铜接恒流源正极，通过控制电流密度和沉积时间在阴极紫铜表面构筑微-纳米粗糙结构，沉积结束后，用去离子水清洗并烘干；
（4）烧结处理
将步骤（3）所得的具有微-纳米粗糙结构的紫铜放进烧结炉中进行烧结处理，结束后即得到紫铜表面具有超亲水结构的超亲水层。
2.按照权利要求1所述的紫铜表面超亲水结构制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述电解液中铜离子浓度不低于0.01mol/L，氢离子浓度不低于0.5mol/L。
3.按照权利要求1所述的紫铜表面超亲水结构制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述电流密度为10-50mA/cm2,沉积时间为8-20min。
4.按照权利要求1所述的紫铜表面超亲水结构制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述烧结处理为分段升温的烧结方式，烧结温度为500-900℃，升温速率小于5℃/min。
5.按照权利要求1所述的紫铜表面超亲水结构制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述超亲水层为与紫铜紧密结合的微-纳米铜颗粒沉积层，铜颗粒直径为0.1-2μm。
6.利用权利要求1至5中任一项所述的紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，其特征在于：它包括紫铜基管；紫铜基管的内壁设有超亲水层。
7.按照权利要求6所述的紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，其特征在于：所述紫铜基管包括第一圆管段、直径比第一圆管段大的第二圆管段以及将两者连接的环形过渡段。
8.按照权利要求6所述的紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，其特征在于：所述超亲水层覆盖紫铜基管的整个内壁。
9.按照权利要求7所述的紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，其特征在于：所述紫铜基管两端封闭，中间为容纳工质液体的真空容腔。
10.按照权利要求7所述的紫铜表面超亲水结构制备方法制造的紫铜微热管，其特征在于：所述紫铜基管的管壁厚度为0.2-0.5mm，第二圆管段的外径为3-6mm。
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