CN105258548A - 一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于强化传热技术领域的一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，该制备方法包括设计汽化核心模板，压覆金属微纳米颗粒顶层，共烧结-脱模工艺，获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面；本发明解决沸腾表面汽化中心不可控分布，有效控制多孔传热表面沸腾气泡过于密集，发生汇聚的现象。促进换热器领域的技术革新。本发明从多孔传热机理出发，从技术上控制汽化核心分布，从气泡动力学原理强化沸腾传热过程，并对正在兴起的多孔换热表面提供了又一新的发展方向和加工工艺，从学术上为更好的研究沸腾气泡动力学提供基础；具有深远的学术价值和重大的社会效益。

Description

一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法

技术领域

本发明属于强化传热技术领域，特别涉及一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法。

背景技术

沸腾相变传热作为一种高效传热手段，广泛应用于高效换热器、快速冷却以及能源存储等领域。但鉴于沸腾过程存在膜沸腾或干壁现象，显著降低传热效率，甚至导致设备烧毁的情况。在实际应用过程中，沸腾传热必须控制在传热系数大和壁温较低的核沸腾阶段；或者为避免干壁、烧毁现象，提高对设备材料的要求、限制换热器的应用工况。因此，提高沸腾相变传热效率、保证换热设备的安全高效运行，其重中之重即为如何精确调控沸腾形态，有效提高核沸腾形态下的相变传热性能。

沸腾过程可分为自然对流传热、核沸腾、膜沸腾几个阶段。自然对流阶段是沸腾气泡产生之前较低热通量状态；当壁面过热度增大到一定程度，在壁面核化中心处产生气泡，初始气泡在上升过程中很快与周围液体换热冷却消失，逐渐形成稳定的核沸腾，核沸腾阶段传热系数随壁面过热度的增大而明显上升；当过热度达到临界值，气泡大量产生，在表面合并成热导率低的汽膜，使传热分系数下降，转变为膜状沸腾。一旦壁面过热度超过临界值，沸腾进入膜沸腾阶段，传热表面出现干烧现象，换热器即面临烧毁的危险，同时其传热效率显著降低；为此，实际应用中核沸腾是沸腾相变传热的主要形态。而核化沸腾的两大必要条件为过热度和汽化核心，汽化核心密度正比于壁面热流密度的平方，即加热壁面汽化核心密度越大其传热效率越高；因此传热表面耦合多孔结构能够使其具有密度最大的汽化核心。一般情况下，多孔结构传热表面的换热性能是光滑表面的1.5‐3倍，致使近年来多孔结构传热材料甚是火爆，也因此涌现出诸多制备多孔材料的方法和研究。

多孔金属强化沸腾的主要优势，在于表面密集的核化中心，以及微小孔隙能够提供较大的毛细作用力使液体补充。事实上，多孔结构表面密集的核化中心，还会引起相邻多个汽化核心气泡之间具有相互作用，气泡之间的相互抑制或融合，气泡被抑制延长气泡脱离时间或在传热表面形成空气热阻层，都会显著恶化其传热性能。多孔亲水性表面可将沸腾临界热通量提高至原来的1.5‐1.6倍，而疏水的多孔金属反而大大降低了沸腾临界热流密度，其根部原因就是汽化核心处过于密集，致使在多孔结构内部形成了类似于膜沸腾的气泡层。

控制成核中心，调控高热流密度在传热表面的分布，一直是沸腾传热过程中的重点和难点；如何巧妙设计多孔金属结构，调控汽化核心在沸腾表面的分布，是利用多孔金属强化沸腾相变的关键。本发明提出制备汽化核心模压覆于微纳金属颗粒顶层，烧结‐脱模的方法制备具有固定汽化核心的多孔金属沸腾传热表面，其结构不仅兼具吸液的毛细结构，同时具有汽化核心空穴结构，能够有效控制沸腾过程汽化核心的分布。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，制备方法包括设计汽化核心模板，压覆金属微纳米颗粒顶层，共烧结‐脱模工艺，获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面；具体步骤如下：

1)首先对金属微纳颗粒进行筛选及预处理，并沉积于普通光滑换热表面

2)根据要求加工制备微柱模板，微柱的尺寸以及在模板表面的分布直接影响核化中心的分布；将微柱模板压覆于金属微纳颗粒顶层，并固定成生胚；

3)将生胚在惰性气体保护下烧结3h；烧结完毕惰性气体保护下自然冷却、脱模；获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面。

所述步骤1)中金属微纳米颗粒为铜、铝、镁、钛及其合金材料，其形状为空心或者实心的圆形、方形或三角形颗粒；

所述金属微纳米颗粒的尺度为纳米、微米级别，颗粒尺度越小制备的多孔结构缝隙结构尺寸越小，缝隙大小根据金属质量、密度与体积的关系估计计算，计算公式如下：

$A_{gap}=\frac{V-\frac{\mathrm{\Δ}M}{{\mathrm{\ρ}}_{metal}}}{L_{porous}}$

其中A_gap为多孔传热材料横截面上的缝隙面积；V为多孔材料体积；ΔM为传热表面烧结多孔结构前后质量差，即多孔金属质量；ρ_metal为金属颗粒密度；L_porous为多孔传热材料长度，对于普通水工质沸腾，金属颗粒尺寸分布于100纳米到60微米之间。

所述金属微纳米颗粒，当金属颗粒为规则球形，粒径在60微米时，其形成多孔缝隙尺寸在8‐10微米。

所述步骤2)制备微柱模板是是利用激光刻蚀或离子溅射方法精密加工而成，在高熔点光滑基板上精确加工规则微柱结构；微柱结构根据不同沸腾工质确定的沸腾空穴直径。

所述微柱结构的形状为球体、圆柱、圆台或圆锥形状的规则或不规则几何体。

所述沸腾空穴尺寸是针对不同沸腾工质、传热量与传热面积，对应的沸腾空穴尺寸根据下式计算：

$Ropt={\[\frac{{\mathrm{\σ\λ}}_l}{\mathrm{\β}{(Q/A)}_m}\]}^{\frac{1}{3}}$

其中Ropt为最佳空穴半径；σ为沸腾液体的表面张力；λ_l为液体的导热系数；β为光滑金属基体与沸腾液体之间的接触角；Q为传递热量；A为利用系数法估计的多孔结构换热面积；对于工质为水的沸腾过程中，最佳微柱结构尺寸在10‐30微米，与水蒸气沸腾气泡尺寸相当。

所述模板压覆颗粒制成生胚的过程为将光滑的普通换热金属试样固定于模具中，金属颗粒堆积于普通金属换热表面，堆积厚度约为几毫米，然后用精密刮板将表面刮平，确保不会犹豫堆积形成不可控的凹坑空穴。在模板表面和定位槽底部分别涂覆脱模剂氧化聚乙烯蜡,将模板至于定位盖中，压覆于金属颗粒层顶部，装配于定位槽内,然后将模板压覆于堆积金属颗粒表层，使模板微柱浸入微纳米金属颗粒内，并固定压紧获得生胚。

所述烧结脱模过程，即在惰性气体保护下将生胚至于烧结炉中烧结，烧结完毕后惰性气体保护下自然冷却，并脱模获得固定汽化核心的多孔金属表面。烧结温度由金属颗粒材质与粒径决定，其烧结温度无须达到金属熔融温度，只要金属颗粒熔接即可,烧结时间为1‐5h。

所述烧结脱模，当金属颗粒为20微米金属铜颗粒时，在的氮气保护下，700°烧结3h即可。

本发明的有益效果是：(1)本发明提出固定汽化核心的多孔换热表面制备方法，从技术上，打破了核沸腾传热表面无法控制汽化核心的局面；从学术上为更好的研究沸腾气泡动力学提供基础。(2)本发明利用烧结手段制备多孔金属传热表面，其毛细结构能够促进沸腾过程液相在传热表面的运输，同时，固定汽化核心空穴可提供沸腾核化点，达到传热表面沸腾汽化核心可控，抑制沸腾核化点过密、气泡汇聚成膜的现象。开启了传热表面可控沸腾流型的新篇章，同时提出新一代高效多孔换热表面加工技术，促进换热器领域的技术革新。(3)本发明为促进结构材料、精密加工、相变传热等多学科交叉发展提供研究基础。

附图说明

图1是固定汽化核心多孔沸腾换热表面的制备方法流程示意图；其中(a)换热表面堆积金属颗粒(b)模板压覆金属颗粒表层制备生胚(c)惰性气体保护下共混烧结(d)脱模获得具有汽化核心空穴的多孔沸腾表面。

图2是模板压覆金属颗粒表面制备生胚的固定定位结构示意图。

图中标号：1普通换热金属试样；2金属微纳颗粒；3刮板；4微柱结构；5模板；6烧结炉；7惰性气体；8汽化核心空穴；9定位槽；10定位盖；11定位孔；12凹槽

具体实施方式

本发明提出一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，该制备方法包括设计汽化核心模板，压覆金属微纳米颗粒顶层，共烧结‐脱模工艺，获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面；以下结合附图对本发明进行说明。

图1为是固定汽化核心多孔沸腾换热表面的制备方法流程示意图。其制备过程主要分为四个操作步骤：(a)换热表面堆积金属颗粒(b)模板压覆金属颗粒表层制备生胚(c)惰性气体保护下共混烧结(d)脱模获得具有汽化核心空穴的多孔沸腾表面。

所述在换热表面堆积金属颗粒的步骤，首先需对普通换热金属试样1进行清洗去污、去氧化层处理；然后选择适合的金属微纳米颗粒2，对其进行筛选，确保颗粒均匀保证烧结毛细缝隙不被微小颗粒填充。将筛选好的微纳颗粒2堆积于普通换热金属试样1的换热基面上，并利用刮板3对其表面进行平整，确保不能犹豫金属颗粒堆积不平形成的凹坑。此步操作在定位槽9中完成。

所述将模板压覆金属颗粒表层制备生胚过程是，首先根据需求设计并加工烧结模板5，设计微柱结构4的形状、尺寸。所述形状可为球形、圆柱、圆台、圆锥等规则或不规则几何体，其尺寸是根据不同沸腾工质确定的最佳沸腾空穴直径作为设计根据。模板5材料为耐高温材料，如石英光刻材料。将模板5固定于定位盖10内，并在定位盖10、定位孔11的协助下，装配于定位槽9顶部的凹槽12内，压覆于金属微纳米颗粒2表面，凹槽12的深度直接影响沸腾汽化核心的深度。在模板5表面和定位槽9底部分别涂覆脱模剂氧化聚乙烯蜡，便于烧结后的脱模。

所述在惰性气体保护下共混烧结，即将装配好的生胚至于烧结炉6中，持续通入惰性气体7，进行恒温烧结。所述烧结时间烧结温度由金属颗粒材质与粒径决定，其烧结温度无须达到金属熔融温度，只要金属颗粒熔接即可。烧结时间一般为1‐5h。当金属颗粒为20微米金属铜颗粒时，在的氮气保护下700°烧结3h即可。烧结过程中一直保持惰性气体保护，烧结完毕，在气体保护下自然冷却。在试样自然冷却后，拆卸定位盖10，脱离模板5，然后经过清洗操作去除残留的脱模剂，获得具有汽化核心空穴8的多孔换热表面。

图2为模板压覆金属颗粒表面制备生胚的固定定位结构示意图。其定位结构主要由定位盖10、定位槽9和定位孔11组成。定位盖10设计有镶嵌槽，镶嵌槽的长、宽与模板5尺度一致，镶嵌槽深度小于模板5厚度与微柱4高度之和，使得定位盖10与定位槽9装配时模板5能落于定位槽9顶部的凹槽12，以限制微柱浸入微纳米颗粒的深度。定位槽9内的镶嵌槽与普通金属试样1的大小一致，比模板5的尺寸略小，其深度为普通金属试样1的厚度与多孔颗粒2堆积厚度之和。定位盖10、定位槽9中的镶嵌槽形状大小直接由普通金属试样1决定，可为圆形、方形、三角形等任意几何形状。此定位结构主要用于汽化核心空穴8的定位压制成模。

实施例1：

烧结具有固定汽化核心的金属铜多孔金属表面：

选用紫铜金属为换热金属基面材料30mm×40mm，首先对其进行超声表面清洗处理；选用传热性能好的10μm尺度的金属Cu/CuO微米颗粒；利用生物刮板将金属颗粒平铺于基体表面，使其厚度在100‐200微米左右。利用激光刻蚀方法，在30mm×40mm大小光刻硅表面刻蚀2排当量直径为40μm规则微柱结构，微柱高度为25μm，每排4个；在模板表面和定位槽底部分别涂覆脱模剂氧化聚乙烯蜡，将模板至于定位盖中，压覆于金属颗粒层顶部，装配于定位槽内；750℃氮气保护下烧结3h，然后氮气保护下自然冷却；最后脱模，获得固定汽化核心的多孔沸腾表面。

Claims (10)

1.一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，制备方法包括设计汽化核心模板，压覆金属微纳米颗粒顶层，共烧结-脱模工艺，获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面；具体步骤如下：

1)首先对金属微纳颗粒进行筛选及预处理，并沉积于普通光滑换热表面

2)根据要求加工制备微柱模板，微柱的尺寸以及在模板表面的分布直接影响核化中心的分布；将微柱模板压覆于金属微纳颗粒顶层，并固定成生胚；

3)将生胚在惰性气体保护下烧结3h；烧结完毕惰性气体保护下自然冷却、脱模；获得具有固定汽化核心的多孔沸腾传热表面。

2.根据权利要求1所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述步骤1)中金属微纳米颗粒为铜、铝、镁、钛及其合金材料，其形状为空心或者实心的圆形、方形或三角形颗粒。

3.根据权利要求1所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述金属微纳米颗粒的尺度为纳米、微米级别，颗粒尺度越小制备的多孔结构缝隙结构尺寸越小，缝隙大小根据金属质量、密度与体积的关系估计计算，计算公式如下：

$A_{gap}=\frac{V-\frac{\mathrm{\Δ}M}{{\mathrm{\ρ}}_{metal}}}{L_{porous}}$

其中A_gap为多孔传热材料横截面上的缝隙面积；V为多孔材料体积；ΔM为传热表面烧结多孔结构前后质量差，即多孔金属质量；ρ_metal为金属颗粒密度；L_porous为多孔传热材料长度，对于普通水工质沸腾，金属颗粒尺寸分布于100纳米到60微米之间。

4.根据权利要求2或3所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述金属微纳米颗粒，当金属颗粒为规则球形，粒径在60微米时，其形成多孔缝隙尺寸在8-10微米。

5.根据权利要求1所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述步骤2)制备微柱模板是是利用激光刻蚀或离子溅射方法精密加工而成，在高熔点光滑基板上精确加工规则微柱结构；微柱结构根据不同沸腾工质确定的沸腾空穴直径。

6.根据权利要求5所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述微柱结构的形状为球体、圆柱、圆台或圆锥形状的规则或不规则几何体。

7.根据权利要求5所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述沸腾空穴尺寸是针对不同沸腾工质、传热量与传热面积，对应的沸腾空穴尺寸根据下式计算：

$Ropt={\[\frac{{\mathrm{\σ\λ}}_l}{\mathrm{\β}{(Q/A)}_m}\]}^{\frac{1}{3}}$

其中Ropt为最佳空穴半径；σ为沸腾液体的表面张力；λ_l为液体的导热系数；β为光滑金属基体与沸腾液体之间的接触角；Q为传递热量；A为利用系数法估计的多孔结构换热面积；对于工质为水的沸腾过程中，最佳微柱结构尺寸在10-30微米，与水蒸气沸腾气泡尺寸相当。

8.根据权利要求1所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述模板压覆颗粒制成生胚的过程为将光滑的普通换热金属试样固定于模具中，在模板表面和定位槽底部分别涂覆脱模剂氧化聚乙烯蜡,将模板至于定位盖中，压覆于金属颗粒层顶部，装配于定位槽内,金属颗粒堆积于普通金属换热表面，堆积厚度约为几毫米，然后用精密刮板将表面刮平，确保不会犹豫堆积形成不可控的凹坑空穴；然后将模板压覆于堆积金属颗粒表层，使模板微柱浸入微纳米金属颗粒内，并固定压紧获得生胚。

9.根据权利要求1所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述烧结脱模过程，即在惰性气体保护下将生胚至于烧结炉中烧结，烧结完毕后惰性气体保护下自然冷却，并脱模获得固定汽化核心的多孔金属表面，烧结温度由金属颗粒材质与粒径决定，其烧结温度无须达到金属熔融温度，只要金属颗粒熔接即可,烧结时间为1-5h。

10.根据权利要求9所述一种可以控制汽化核心的多孔沸腾表面制备方法，其特征在于，所述烧结脱模过程，当金属颗粒为20微米金属铜颗粒时，在的氮气保护下，700°烧结3h即可。