CN108571913A - 一种超疏水冷凝表面及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超疏水冷凝表面，包括基础冷凝表面和位于所述基础冷凝表面上的超疏水纳米涂层，在基础冷凝表面或超疏水纳米涂层表面布置微型沟槽阵列结构、微米结构、纳米结构或微纳复合结构。本发明还公开了超疏水冷凝表面的制备方法，包括：制备超疏水纳米材料；将所述超疏水纳米材料转移到所述基础冷凝表面上；烘干处理后即在基础冷凝表面形成所述超疏水纳米涂层，得到所述超疏水冷凝表面。
Description
技术领域
本发明涉及相变换热技术领域，特别涉及一种超疏水冷凝表面及其制备方法。
背景技术
常规尺寸及微/纳尺度的相变换热技术普遍应用于许多工业领域，如用于先进的热管理装置与系统中，包括电力电子器件、大功率微电子集成器件、大功率激光器、高功率密度LED、电动汽车电池包等的高效、高可靠散热；又如用于火力发电厂热力循环系统，火力发电时通过加热水产生大量的蒸汽，推动涡轮机转动产生电力，在此发电的过程中，蒸汽会因冷凝再度形成水，并流回水槽，实现热力循环。在上述工业应用中，水是最常用的相变换热液体工质，通过蒸发或沸腾，液态水相变为水蒸气，可以高效地带走发热表面的大量热，当蒸汽遇到冷凝表面(表面温度低于指定压力下液体的饱和温度)时，可以在表面冷凝为液膜或珠状液滴，对应于膜状冷凝和珠状冷凝。其中，膜状冷凝时，液膜的形成不利于冷凝物质与冷凝表面之间的热传递，形成较大热阻；而珠状冷凝时，液滴凝聚并且周期性地流下，裸露出大面积的冷凝表面，从而具有比膜状冷凝大两倍到十倍的热传递系数。在珠状冷凝机制下，可以实现170-300kW/m2的高热通量的强化换热。
然而目前普通存在于火力发电厂热力循环系统、散热装置等应用领域的冷凝表面是金属或其氧化物，如铜、铝、氧化铜、氧化铝等，这些冷凝表面具有良好的亲水性，蒸汽在其表面发生膜状冷凝，冷凝换热效果差，限制了系统整体的换热效率。促进水的珠状冷凝依赖于材料表面疏水性的增强，通过形成疏水的冷凝表面，可以大大增加水与冷凝表面的接触角，便于形成的冷凝液滴脱离冷凝表面，提高冷凝换热效率。
现有技术中，为了形成强化换热的疏水冷凝表面，有的研究者在常规冷凝表面(如铜)上增加超疏水的有机物涂层，如十三氟辛基三乙氧基硅烷、二(十八烷基)二硫醚等，这些低表面能的有机涂层虽然具有很好的疏水性，但涂层本身面临化学稳定性和热稳定性的挑战，容易失效。此外由于有机物固有的低热导率，一定厚度的有机涂层会带来较大的热阻，这些问题就妨碍了他们的实际应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种超疏水冷凝表面，这种冷凝表面具有低涂层热阻、低制备成本、优异的化学和热稳定性等优点。
本发明的另一个目的在于提供一种超疏水冷凝表面的制备方法，该方法可以实现持久、高效的冷凝换热，具有非常重要的工程应用意义。
(二)技术方案
一种超疏水冷凝表面，包括基础冷凝表面和形成于所述基础冷凝表面上的超疏水纳米涂层，所述基础冷凝表面和超疏水纳米涂层的其中之一为非平面结构。
上述方案中，
所述基础冷凝表面为非平面结构，该非平面结构包括微型沟槽阵列结构、微米结构、纳米结构或微纳复合结构；
所述微型沟槽阵列结构中的沟槽横截面是矩形、梯形、三角形或圆弧形；
所述微米结构是尺寸为微米级的用于强化表面疏水性的突起；
所述纳米结构是尺寸为纳米级的用于强化表面疏水性的突起；
所述微纳复合结构是指微米级强化表面疏水性的突起上含有纳米级强化表面疏水性的突起的复合型结构；
所述突起的形状为圆柱体、立方体、圆锥体、棱锥体、圆台体或棱台体。
上述方案中，所述超疏水纳米涂层表面为非平面结构，该非平面结构包括尺寸为微米级或纳米级的用于强化表面疏水性的突起结构。
上述方案中，所述超疏水纳米涂层厚度为0～1000nm或1～500μm。
上述方案中，
所述超疏水纳米涂层为原始具有超疏水性的纳米涂层，包括：石墨烯薄膜、连续碳纳米管网络、碳纳米管薄膜和二硫化钼薄膜；或者，
所述超疏水纳米涂层为通过改性获得超疏水性的纳米涂层，包括六方氮化硼薄膜、还原氧化石墨烯薄膜、二维无机纳米材料网络或二维无机纳米材料薄膜。
一种超疏水冷凝表面的制备方法，包括以下步骤：
S1：制备超疏水纳米材料；
S2：将所述超疏水纳米材料转移到基础冷凝表面上；
S3：烘干处理后即在基础冷凝表面形成超疏水纳米涂层，得到所述超疏水冷凝表面。
上述方案中，
所述步骤S1具体包括：
制备石墨烯薄膜；
把石墨烯薄膜转移至水和酒精的混合溶液中，得到石墨烯溶液；
所述步骤S2具体包括：
将石墨烯溶液通过旋涂的方式，在基础冷凝表面上形成超疏水的石墨烯涂层。
上述方案中，
所述步骤S1具体包括：
制备氧化石墨烯溶液；
还原氧化石墨烯溶液，得到超疏水的还原氧化石墨烯溶液；
所述步骤S2具体包括：
将还原氧化石墨烯溶液通过喷涂的方式，在基础冷凝表面上形成超疏水的还原氧化石墨烯涂层。
上述方案中，
所述步骤S1具体包括：
直接生长连续碳纳米管网络；
所述步骤S2具体包括：
将生长出的连续碳纳米管网络收集至镂空衬底上，转移至基础冷凝表面，随后滴加酒精或丙酮，连续碳纳米管网络与基础冷凝表面紧密接触。
上述方案中，
所述步骤S1具体包括：
制备碳纳米管溶液；
所述步骤S2具体包括：
将碳纳米管溶液通过喷涂的方式，在基础冷凝表面上形成超疏水的碳纳米管涂层。
(三)有益效果
本发明提供的超疏水冷凝表面及其制备方法具有低涂层热阻、低制备成本、优异的化学和热稳定性，这种超疏水冷凝表面可以大大强化冷凝换热，提高散热装置及系统的取热能力和换热效率，也能使火力发电厂效率整体提高2-3％，对全球碳排放足以造成重大改善，具有显著的经济和环保效益。并且因为超疏水纳米涂层优异的化学和热稳定性，这种冷凝表面具备防腐及长寿命等优点，具有非常重要工程应用意义。
附图说明
图1是本发明实施例1的超疏水冷凝表面的截面结构示意图；
图2为本发明实施例的超疏水冷凝表面制备方法流程图；
图3是本发明实施例1的超疏水冷凝表面上水形成珠状冷凝的效果示意图；
图4是本发明实施例2的超疏水冷凝表面的截面结构示意图；
图5是本发明实施例2的超疏水冷凝表面上水形成珠状冷凝的效果示意图；
图6是本发明实施例3的超疏水冷凝表面的截面结构示意图；
图7是本发明实施例4的超疏水冷凝表面的截面结构示意图；
图8是本发明实施例的超疏水冷凝表面强化冷凝换热的实际工作效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的一种超疏水冷凝表面，包括基础冷凝表面和基础冷凝表面上的超疏水纳米涂层，先大批量制备超疏水纳米材料，再通过后转移的方法在所述基础冷凝表面上形成所述超疏水纳米涂层；
基础冷凝表面的材料包括金属、氧化物、氮化物、碳化物、半导体、玻璃或陶瓷；
基础冷凝表面可以为平面结构，也可以在基础冷凝表面布置微型沟槽阵列结构、微米结构、纳米结构或微纳复合结构，微型沟槽阵列结构中的沟槽横截面可以是矩形、梯形、三角形或圆弧形；基础冷凝表面布置的微米结构、纳米结构、微纳复合结构是尺寸为微米级或纳米级的用于强化表面疏水性的突起，微米结构是尺寸为微米级的用于强化表面疏水性的突起；纳米结构是尺寸为纳米级的用于强化表面疏水性的突起；微纳复合结构是指微米级强化表面疏水性的突起上含有纳米级强化表面疏水性的突起的复合型结构。突起形状可以为圆柱体、立方体、圆锥体、棱锥体、圆台体或棱台体。以下将微米结构、纳米结构和微纳复合结构统称为微/纳突起结构。
超疏水纳米涂层具有高热导率、高热稳定性和高化学稳定性，为石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、连续碳纳米管网络、二硫化钼薄膜、六方氮化硼薄膜、还原氧化石墨烯薄膜、二维无机纳米材料网络或二维无机纳米材料薄膜；超疏水纳米涂层为原始就具有超疏水性的纳米涂层或通过改性获得超疏水性的纳米涂层；可选地，原始就具有超疏水性的纳米涂层为石墨烯薄膜、连续碳纳米管网络、碳纳米管薄膜、二硫化钼薄膜；可选地，通过改性获得超疏水性的纳米涂层为六方氮化硼薄膜、还原氧化石墨烯薄膜；超疏水纳米涂层厚度为0～1000nm或1～500μm；超疏水纳米涂层表面为平面结构，或表面布置尺寸为微米级或纳米级的用于强化表面疏水性的突起结构。
实施例1
图1为本发明实施例的超疏水冷凝表面的截面结构示意图，如图1所示，在基础冷凝表面铜11上旋涂石墨烯溶液形成超疏水的石墨烯涂层12，可得到本发明实施例的超疏水冷凝表面。
图2为本发明实施例的超疏水冷凝表面制备方法流程图，如图2所示，超疏水冷凝表面的制备方法如下，
步骤S1：制备超疏水纳米材料，具体包括以下步骤：
石墨烯薄膜通过以下方法制备：利用层间催化剥离法，将过氧化氢与被三氯化铁插层的石墨化合物混合，可快速、大批量、低成本制备得到高质量、大面积的多层石墨烯薄膜作为超疏水纳米薄膜，这种方法制备得到的石墨烯薄膜具有很好的晶体结构，缺陷少，因此热导率很高，并具有优异的化学和热稳定性，此外由于制备过程中没有用到强酸等溶液，石墨烯上几乎没有羧基等含氧基团，保持了其本身的超疏水性，又由于制备得到的大部分为多层石墨烯，其疏水性能要更优于化学气相沉积法制备得到的单层石墨烯。
把制备得到的石墨烯薄膜转移至水和酒精的混合溶液中，则可得到分散良好的石墨烯溶液作为超疏水纳米溶液，完成超疏水纳米材料的制备。
步骤S2：将所述超疏水纳米材料转移到所述基础冷凝表面上。
将石墨烯溶液通过旋涂的方式，在基础冷凝表面铜11上形成薄的超疏水的石墨烯涂层12，旋涂的方法可便于调节其厚度。
步骤S3：烘干处理后即在基础冷凝表面形成所述超疏水纳米涂层，得到所述超疏水冷凝表面。
将基础冷凝表面上旋涂的超疏水纳米溶液进行烘干处理即可形成牢固的石墨烯涂层12，制得超疏水冷凝表面。
由于石墨烯薄膜的高热导率、超疏水性、优异的化学和热稳定性，因此最终得到了超疏水、低涂层热阻、耐腐蚀、长寿命的超疏水冷凝表面，大大提高了基础冷凝表面铜11的冷凝换热效率。同样，本实施例中超疏水的石墨烯涂层12也可以通过化学气相沉积法在基础冷凝表面11上直接生长得到。图3是水蒸气在本实施例中的超疏水冷凝表面上形成珠状冷凝的效果示意图，13为蒸汽在超疏水冷凝表面上形成的珠状液滴。
实施例2
图4是本发明实施例的超疏水冷凝表面的截面结构示意图，如图4所示，利用反应离子刻蚀、阳极氧化、激光直写等微加工方法可在基础冷凝表面铝21上形成微/纳突起结构211，类似于荷叶表面的微米级乳突结构，这种结构211可以大大增强基础冷凝表面铝21的疏水性。然后在具有表面微/纳突起结构211的基础冷凝表面铝21上喷涂石墨烯溶液形成超疏水的石墨烯涂层22，可得到发明中所述的超疏水冷凝表面。
在本实施例中，石墨烯溶液是通过还原氧化石墨烯溶液的方法制备得到。氧化石墨烯溶液可以很方便地通过工业化制备方法得到，但制备的石墨烯表面含有大量含氧基团，具有较好的亲水性.
首先，还原这些氧化石墨烯溶液，使其含氧基团分解，得到超疏水的还原氧化石墨烯溶液。
然后，将还原氧化石墨烯溶液通过喷涂的方式，可在具有表面微/纳突起结构211的基础冷凝表面铝21上形成薄的超疏水的还原氧化石墨烯涂层22，喷涂的方法可便于调节其厚度，然后进行烘干处理即可形成牢固的还原氧化石墨烯涂层22。结合基础冷凝表面21上的微/纳突起结构211和超疏水的还原氧化石墨烯涂层22，使得本发明实施例的超疏水冷凝表面具有更加优异的超疏水性。图5是水蒸气在本发明实施例中的超疏水冷凝表面上形成珠状冷凝的效果示意图，23为蒸汽在表面上形成的珠状液滴。
实施例3
图6是本发明实施例的超疏水冷凝表面的截面结构示意图，如图6所示，利用线切割、挤压、激光切割等加工方法可在基础冷凝表面铝31上形成微型沟槽阵列结构311。然后把直接生长的连续碳纳米管网络转移到具有微型沟槽阵列结构的基础冷凝表面铝31上形成超疏水的碳纳米管涂层32，可得到本发明实施例的超疏水冷凝表面。
在本实施例中，大面积的连续碳纳米管网络可通过化学气相沉积法直接生长得到，单层厚度为50～500nm，可调节生长参数来控制，将生长出的连续碳纳米管网络收集至镂空衬底上，可方便转移至基础冷凝表面铝31上，随后滴加酒精或丙酮，使其碳纳米管网络与基础冷凝表面铝31紧密接触，然后进行烘干处理即可形成牢固的超疏水碳纳米管涂层32，最终制备得到了本发明实施例的超疏水冷凝表面。
实施例4
图7是本发明实施例的超疏水冷凝表面的截面结构示意图，如图7所示，在基础冷凝表面氧化铝41上喷涂碳纳米管溶液形成超疏水的碳纳米管涂层42，可得到发明实施例的超疏水冷凝表面。
在本实施例中，碳纳米管可通过化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法等大批量制备，将碳纳米管分散在含有表面活性剂的水溶液中可得到均匀的碳纳米管溶液。将碳纳米管溶液通过喷涂的方式，可在具有基础冷凝表面氧化铝41上形成薄的超疏水的碳纳米管涂层42，喷涂的方法可便于调节其厚度，然后进行烘干处理即可形成牢固的碳纳米管涂层42。然后利用反应离子刻蚀、激光直写等微加工方法在碳纳米管涂层42上形成微/纳突起结构421，进一步强化其疏水性，最终制备得到了本发明实施例的超疏水冷凝表面。
图8是根据本发明实施例的超疏水冷凝表面强化冷凝换热的实际工作效果图，如图8所示，位于发热表面的液体工质水被加热到该气压下的饱和温度以上后，就会发生相变(蒸发或沸腾)，产生蒸汽，同时带走发热表面的大量热。当蒸汽遇到本发明所述的超疏水冷凝表面(包括基本冷凝表面和其上部超疏水纳米涂层)，会发生珠状冷凝相变，在冷凝表面形成珠状液滴，同时放热，热量被传递到腔体的外表面后再由外部的冷源(如空气对流冷却、循环水对流冷却等)带走。发生珠状冷凝时，形成的像钢珠一样的液滴很容易从表面脱离，重新进入液体工质中实现循序。由于珠状液滴的形成和快速脱离，冷凝表面保持大面积的裸露，避免了高热阻的液膜形成，大大强化了系统的冷凝换热。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超疏水冷凝表面，其特征在于，包括基础冷凝表面和形成于所述基础冷凝表面上的超疏水纳米涂层，所述基础冷凝表面和超疏水纳米涂层的其中之一为非平面结构。
2.根据权利要求1所述的超疏水冷凝表面，其特征在于，
所述基础冷凝表面为非平面结构，该非平面结构包括微型沟槽阵列结构、微米结构、纳米结构或微纳复合结构；
所述微型沟槽阵列结构中的沟槽横截面是矩形、梯形、三角形或圆弧形；
所述微米结构是尺寸为微米级的用于强化表面疏水性的突起；
所述纳米结构是尺寸为纳米级的用于强化表面疏水性的突起；
所述微纳复合结构是指微米级强化表面疏水性的突起上含有纳米级强化表面疏水性的突起的复合型结构；
所述突起的形状为圆柱体、立方体、圆锥体、棱锥体、圆台体或棱台体。
3.根据权利要求1所述的超疏水冷凝表面，其特征在于，所述超疏水纳米涂层表面为非平面结构，该非平面结构包括尺寸为微米级或纳米级的用于强化表面疏水性的突起结构。
4.根据权利要求1所述的超疏水冷凝表面，其特征在于，所述超疏水纳米涂层厚度为0～1000nm或1～500μm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超疏水冷凝表面，其特征在于，
所述超疏水纳米涂层为原始具有超疏水性的纳米涂层，包括：石墨烯薄膜、连续碳纳米管网络、碳纳米管薄膜和二硫化钼薄膜；或者，
所述超疏水纳米涂层为通过改性获得超疏水性的纳米涂层，包括六方氮化硼薄膜、还原氧化石墨烯薄膜、二维无机纳米材料网络或二维无机纳米材料薄膜。
6.一种超疏水冷凝表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：制备超疏水纳米材料；
S2：将所述超疏水纳米材料转移到基础冷凝表面上；
S3：烘干处理后即在基础冷凝表面形成超疏水纳米涂层，得到所述超疏水冷凝表面。
7.根据权利要求6所述的超疏水冷凝表面的制备方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括：
制备石墨烯薄膜；
把石墨烯薄膜转移至水和酒精的混合溶液中，得到石墨烯溶液；
所述步骤S2具体包括：
将石墨烯溶液通过旋涂的方式，在基础冷凝表面上形成超疏水的石墨烯涂层。
8.根据权利要求6所述的超疏水冷凝表面的制备方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括：
制备氧化石墨烯溶液；
还原氧化石墨烯溶液，得到超疏水的还原氧化石墨烯溶液；
所述步骤S2具体包括：
将还原氧化石墨烯溶液通过喷涂的方式，在基础冷凝表面上形成超疏水的还原氧化石墨烯涂层。
9.根据权利要求6所述的超疏水冷凝表面的制备方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括：
直接生长连续碳纳米管网络；
所述步骤S2具体包括：
将生长出的连续碳纳米管网络收集至镂空衬底上，转移至基础冷凝表面，随后滴加酒精或丙酮，连续碳纳米管网络与基础冷凝表面紧密接触。
10.根据权利要求6所述的超疏水冷凝表面的制备方法，其特征在于，
所述步骤S1具体包括：
制备碳纳米管溶液；
所述步骤S2具体包括：
将碳纳米管溶液通过喷涂的方式，在基础冷凝表面上形成超疏水的碳纳米管涂层。
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