CN105860938A - 强化临界热流密度的石墨膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种强化临界热流密度的石墨膜及其制备方法，根据实际功率情况将石墨膜裁剪成所需要的形状，然后将裁剪好的石墨膜两端分别与电极固定后置于沸水中通电或者通电升温后直接在石墨膜上喷射液滴，进行沸腾传热，得到表面均匀多孔的石墨膜。本发明通过沸腾方法制得了临界热流密度强化的石墨膜，临界热流密度值得到大幅提升；无需其他复杂的物理和化学表面处理手段，降低了成本，扩大了石墨膜的应用范围。

Description

强化临界热流密度的石墨膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种强化传热领域的技术，具体是一种强化临界热流密度的石墨膜及其制备方法。
背景技术
石墨膜是在高温高压下通过化学方法制备得到的一种石墨化薄膜，是一种能够涂覆于固体表面的性能优异的导热散热材料，具有良好的化学稳定性。
传统的强化临界热流密度的方法包括以下几种：1)通过特殊工艺改变金属加热面表面的形状结构；2)通过化学方法处理金属加热表面；3)通过在加热表面镀纳米层来改变加热面特性。采用上述方法加工石墨膜加热面存在着操作复杂、成本高等问题。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101447466，公开(公告)日2009-06-03，记载了一种芯片的沸腾强化换热结构及其制作方法，通过在芯片的表面蚀出多个柱状结构的凸台，然后在有凸台的芯片表面溅射SiO2层，把SiO2层腐蚀为多孔结构形成的表面，不仅能强化沸腾传热，同时也显著地提高了临界热流密度；
中国专利文献号CN104810068A，公开(公告)日2015-07-29，记载了一种外壁面带有翅片的压力容器，通过在压力容器下封头外壁上沿周向均匀布置有N个翅片，可以使流体流动过程中产生漩涡或是引导流体改变单一的流动方向，从而增强流体流动过程中的搅浑，使流体受热更加均匀，增强流体的换热能力，提高流体在压力容器外壁面相应位置处的临界热流密度。然而，上述通过在表面上增加镀层或增加其他结构使得临界热流密度得到增强的方法在实际应用中操作复杂、成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种强化临界热流密度的石墨膜及其制备方法，能够提高石墨膜的临界热流密度。
本发明是通过以下技术方案实现的，
本发明涉及一种强化临界热流密度的石墨膜的制备方法，根据实际功率情况将石墨膜裁剪成所需要的形状，然后将裁剪好的石墨膜两端分别与电极固定后置于沸水中通电或者通电升温后直接在石墨膜上喷射液滴，进行沸腾传热，得到表面均匀多孔的石墨膜。
所述的裁剪成所需要的形状是指：长宽比大于等于5的矩形石墨薄膜，厚度为0.05mm。
所述的沸腾传热采用以下任一一种方式实现：
第一种方式：以0.1MW/m2的步长每隔3分钟增加一次功率，至热流密度达到1MW/m2后石墨膜表面逐渐出现多孔形貌；然后在石墨膜表面开始出现多孔形貌后以0.05MW/m2的步长每隔10分钟增加一次功率，直到石墨膜表面全部形成均匀多孔形态。
第二种方式：将与电极连接好的石墨膜通电加功率，用热电偶测量石墨膜表面的温度，待温度升高到180℃后，在石墨膜上喷射少量液滴，使液滴在石墨膜上沸腾并蒸干，蒸干后喷射液滴位置的石墨膜将会膨胀破裂而产生多孔形貌，通过控制喷射液滴的位置，就能控制强化换热和临界热流密度的位置已适应不同的用途。
本发明涉及使用上述方法制备得到的均匀多孔的石墨膜，其表面分布有均匀微孔结构，表面粗糙度为10μm≤Ra≤100μm，对于孔隙分布均匀的石墨膜，其临界热流密度值大于等于2.5MW/m2。
技术效果
与现有技术相比，本发明通过简单的沸腾传热方法制得了临界热流密度经强化的石墨膜，强化前临界热流密度值不到1.25MW/m2，强化后有了大幅提升；该方法无需其他复杂的物理和化学表面处理手段，降低了成本，扩大了石墨膜作为换热元件的应用范围，除了在散热器以及电子产品上应用外，还可以广泛地应用于工业换热领域，如大型高热流密度沸腾换热设备以及核能领域的高能量换热设备。
附图说明
图1为本发明中实施方式一强化石墨膜表面临界热流密度的装置图；
图2为本发明中实施方式二强化石墨膜表面临界热流密度的装置图；
图3为本发明中石墨膜在不同热流密度下表面形貌的变化对比图；
图中：(a)热流密度为0MW/m2，(b)热流密度为1.7MW/m2，(c)热流密度为1.9MW/m2，(d)热流密度为2.2MW/m2；石墨膜换热元件1、导电银胶2、紫铜箔电极3、沸腾池4、紫铜导线5、去离子水6、直流加热电源7、液滴8、热电偶9。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例涉及一种临界热流密度在2.5MW/m2以上的石墨加热膜的制备方法，采用前面所述的方式一进行操作。首先将石墨膜裁剪成所需要的形状，然后在150℃下通过导电银胶2将石墨膜换热元件1的两端分别与电极固定后置于沸水中通电，进行沸腾传热，得到表面均匀多孔的石墨膜。
所述的石墨膜长宽比优选为5∶1。
如图2所示，所述的沸腾传热包括以下两个阶段，以25mm×5mm石墨膜换热元件1为例：
第一阶段，以12.5W左右的功率步长每隔3分钟增加一次功率，至热流密度达到125W后石墨膜换热元件1的表面逐渐出现多孔形貌；
第二阶段，在石墨膜换热元件1的表面形成多孔形貌后以6.2W的步长每隔10分钟增加一次功率，直到石墨膜换热元件1的表面全部形成均匀多孔形态。
所述的石墨膜换热元件1其石墨含量大于等于99％，横向导热系数为1200W/m·K，厚度为0.01-0.3mm；一方面，其电阻率适中，适合作为换热元件；另一方面，其柔软度适中，可以较好地与其他换热元件复合。
所述的电极优选为紫铜箔电极3，较小的电阻率可以提高强化效果。
所述的导电银胶2其表面导电率大于0.5Ω/cm，导热系数大于等于20W/m·K。
所述的沸水优选为一个标准大气压下温度为100℃的去离子水6；也可采用一个标准大气压下其它沸点高于100℃的沸腾工质。
如图1所示，为实施上述方法采用的装置，包括：石墨膜1、导电银胶2、紫铜箔电极3、沸腾池4、紫铜导线5、去离子水6和直流加热电源7，其中：石墨膜换热元件1的两端通过导电银胶2分别安装有紫铜箔电极3，两个紫铜箔电极3通过紫铜导线5分别连接直流加热电源7的正极和负极，石墨膜换热元件1及两端紫铜箔电极3浸入沸腾池4的去离子水6中。
本实施例采用上述方法制备得到的石墨膜，其表面临界热流密度值可大于等于2.5MW/m2。
实施例2
本实施例涉及一种临界热流密度强化区域可控的石墨加热膜的制备方法，采用前面所述的方式二进行操作。首先将石墨膜裁剪成所需要的形状，然后在150℃下通过导电银胶2将石墨膜换热元件1的两端分别与电极固定通电加热，并在石墨膜上喷射液滴进行沸腾传热，得到多孔表面的石墨膜。
所述的石墨膜长宽比优选为10∶1。
如图2所示，将加热装置连接完成，以的50mm×5mm石墨膜1为例：
对石墨膜进行通电加热，用热电偶9测量石墨膜表面的温度，待温度升高到180℃后，在石墨膜上喷射少量液滴8，使液滴在石墨膜上沸腾并蒸干，蒸干后喷射液滴位置的石墨膜将会膨胀破裂而产生多孔形貌，通过控制喷射液滴的位置，就能控制强化换热和临界热流密度的位置已适应不同的用途。
所述的石墨膜换热元件1其石墨含量大于等于99％，横向导热系数为1200W/m·K，厚度为0.01-0.3mm；一方面，其电阻率适中，适合作为换热元件；另一方面，其柔软度适中，可以较好地与其他换热元件复合。
所述的电极优选为紫铜箔电极3，较小的电阻率可以提高强化效果。
所述的导电银胶2其表面导电率大于0.5Ω/cm，导热系数大于等于20W/m·K。
所述的喷射液滴的水源优选去离子水，以确保制作表面的洁净度。
如图3所示，为实施上述方法采用的装置，包括：石墨膜1、导电银胶2、紫铜箔电极3、沸腾池4、紫铜导线5、液滴8和热电偶9，其中：石墨膜换热元件1的两端通过导电银胶2分别安装有紫铜箔电极3，两个紫铜箔电极3通过紫铜导线5分别连接直流加热电源4的正极和负极，通过热电偶9测量石墨膜表面温度并喷射液滴8进行沸腾。
本实施例采用上述方法制备得到的石墨膜，其表面临界热流密度强化效果可控，可满足不同用用需求。

Claims (6)

1.一种强化临界热流密度的石墨膜的制备方法，其特征在于，根据实际功率情况将石墨膜裁剪成所需要的形状，然后将裁剪好的石墨膜两端分别与电极固定后置于沸水中通电或者通电升温后直接在石墨膜上喷射液滴，进行沸腾传热，得到表面均匀多孔的石墨膜。
2.根据权利要求1所述的强化临界热流密度的石墨膜的制备方法，其特征是，所述的沸腾传热采用以下任一一种方式实现：
第一种方式：以0.1MW/m2的步长每隔3分钟增加一次功率，至热流密度达到1MW/m2后石墨膜表面逐渐出现多孔形貌；然后在石墨膜表面开始出现多孔形貌后以0.05MW/m2的步长每隔10分钟增加一次功率，直到石墨膜表面全部形成均匀多孔形态；
第二种方式：将与电极连接好的石墨膜通电加功率，用热电偶测量石墨膜表面的温度，待温度升高到180℃后，在石墨膜上喷射少量液滴，使液滴在石墨膜上沸腾并蒸干。
3.根据权利要求1所述的强化临界热流密度的石墨膜的制备方法，其特征是，裁剪成所需要的形状是指：长宽比大于等于5的矩形石墨薄膜，厚度为0.05mm。
4.根据权利要求2所述的强化临界热流密度的石墨膜的制备方法，其特征是，所述的沸腾传热的第一种方式，通过以下装置实现，该装置包括：石墨膜、导电银胶、紫铜箔电极、沸腾池、紫铜导线、去离子水和直流加热电源，其中：石墨膜换热元件的两端通过导电银胶分别安装有紫铜箔电极，两个紫铜箔电极通过紫铜导线分别连接直流加热电源的正极和负极，石墨膜换热元件及两端紫铜箔电极浸入沸腾池的去离子水中。
5.根据权利要求2所述的强化临界热流密度的石墨膜的制备方法，其特征是，所述的沸腾传热的第二种方式，通过以下装置实现，包括：石墨膜、导电银胶、紫铜箔电极、沸腾池、紫铜导线、液滴和热电偶，其中：石墨膜换热元件的两端通过导电银胶分别安装有紫铜箔电极，两个紫铜箔电极通过紫铜导线分别连接直流加热电源的正极和负极，通过热电偶测量石墨膜表面温度并喷射液滴进行沸腾。
6.根据上述任一权利要求所述方法制备得到的均匀多孔的石墨膜，其特征在于，所述石墨膜其表面分布有均匀微孔结构，表面粗糙度为10μm≤Ra≤100μm，临界热流密度值大于等于2.5MW/m2。
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