CN109163597A - 氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法，该氧化石墨烯纳米涂层用于强化目标衬底的换热表面的沸腾传热，均匀、连续地覆盖在目标衬底的换热表面上，且氧化石墨烯纳米涂层的面积不小于换热表面的面积。本公开提供的氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，使氧化石墨烯纳米片自发在目标衬底的换热表面上快速沉积并彼此连结，形成一种大面积且表面连续的氧化石墨烯纳米涂层，能够有效地增加沸腾时汽泡的脱离频率和汽化核心密度，大幅强化目标衬底的换热表面的沸腾传热性能，显著提高沸腾换热系数和临界热流密度。
Description
技术领域
本公开涉及相变传热技术领域，尤其涉及一种氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法。
背景技术
高功率密度电子器件、高性能计算机、激光加工、航空航天及微系统等高新技术领域的迅速发展导致电子元件的发热热流密度呈迅猛增大趋势，如此高强度的发热量如果不能有效散去，将使得器件温度迅速升高，严重降低器件和系统的性能、稳定性和安全性，器件的散热问题已成为影响当今电子工业发展的关键瓶颈问题。沸腾传热是一种极其高效的相变传热技术，在给定的壁面过热度下，其传热量比液体对流大两个量级，因此在发电、海水淡化、冶金、电子器件冷却、大功率激光器热管理等工业、军事、航空航天、化工领域起着至关重要的作用。
由于纳米材料具有独特而优异的力、热、光、电和化学性质，并且近些年纳米材料的制备技术得到了巨大发展，因此诸多研究者利用纳米材料来提高换热表面的沸腾传热性能。其中，石墨烯作为一种新型的纳米材料，相比于金属或者金属氧化物等纳米颗粒的热导率高1-2个量级，此外，石墨烯还具有高的力学、热学和化学稳定性，润湿特性可大范围调控等优势，因此在强化沸腾传热方面展现了巨大潜力。
目前利用石墨烯强化沸腾传热的方法主要有两种，一种是利用石墨烯或还原氧化石墨烯纳米流体作为沸腾时的液体工质，虽然能起到较好的强化沸腾传热的效果，但这种强化效应具有“瞬间特性”，即沸腾过程中，换热表面会不断沉积石墨烯纳米颗粒，难以获得一个结构稳定的表面，随着沸腾时间不断的增加，过量的纳米颗粒的沉积引起的热阻增加及孔隙填充等不利因素会导致沸腾性能的衰退。因此需要在换热表面生成结构特定的、具有优良的强化沸腾传热性能的石墨烯薄膜涂层。另一种是利用化学气相沉积、喷涂、快速退火和电化学沉积等方法在普通换热表面上生成石墨烯涂层，然而这些方法生成的石墨烯涂层通常难以较大面积地均匀覆盖在换热表面上，而是以石墨烯斑块的形式彼此孤立地分布在换热表面上，难以充分发挥石墨烯本身优异的热学性质；虽然通过真空抽滤的方法能形成大面积的石墨烯薄膜，但他们只能在多孔滤纸上直接形成，需要二次转移到目标衬底上，转移过程中容易对薄膜造成破坏，且薄膜与衬底的结合力弱，存在易脱落和热阻大等缺点。更重要的是，这些方法通常对制造设备要求较高，制备流程较复杂，涉及高温处理和刻蚀工艺，因此制造成本较高且较为费时，不利于工程化应用。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法，以缓解现有的石墨烯强化沸腾传热难以获得一个结构稳定的表面或难以较大面积地均匀覆盖在换热表面上的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种氧化石墨烯纳米涂层，用于强化目标衬底的换热表面的沸腾传热，该氧化石墨烯纳米涂层均匀、连续地覆盖在目标衬底的换热表面上，且该氧化石墨烯纳米涂层的面积不小于换热表面的面积。
在本公开的一些实施例中，所述目标衬底的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、有机高分子材料中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，所述目标衬底的材料为铜、铝或铝合金中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，该氧化石墨烯纳米涂层的厚度介于10nm至20μm之间。
在本公开的一些实施例中，所述氧化石墨烯纳米涂层利用氧化石墨烯纳米片沸腾自组装法在所述目标衬底的换热表面上形成。
根据本公开的另一个方面，还提供一种氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，用于制备本公开提供的氧化石墨烯纳米涂层，包括：步骤A：将所述目标衬底的换热表面置于饱和沸腾状态的液体工质中；步骤B：在液体工质中加入氧化石墨烯纳米片的水溶液；步骤C：对目标衬底的换热表面施加一段时间的热流。
在本公开的一些实施例中，将所述目标衬底的换热表面置于饱和沸腾状态的液体工质之前，对目标衬底的换热表面进行清洗，去除油脂油污及杂质。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A中，所述液体工质为蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中，施加的热流介于10Wcm-2至200Wcm-2之间。
在本公开的一些实施例中，施加热流的时间介于2min至12h之间。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，可以使氧化石墨烯纳米片自发在目标衬底的换热表面上快速沉积并彼此连结，形成一种大面积且表面连续的氧化石墨烯纳米涂层，首先，氧化石墨烯纳米涂层相比于石墨烯和还原氧化石墨烯纳米涂层具有更好的亲水性，其次形成的氧化石墨烯纳米涂层的表面是连续的，能最大程度发挥了石墨烯本身优异的热学性质，此外，通过优化制备参数，获得的氧化石墨烯纳米涂层厚度适中，热阻较小，不会引起换热系数的降低。因此本公开提供的一种表面连续的氧化石墨烯纳米涂层能够有效地增加沸腾时汽泡的脱离频率和汽化核心密度，大幅强化目标衬底的换热表面的沸腾传热性能，显著提高沸腾换热系数和临界热流密度；
(2)本公开提供的一种表面连续的氧化石墨烯纳米涂层的制备方法利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，能在多种目标衬底的换热表面上快速形成结构稳定，强化沸腾传热性能优异的氧化石墨烯纳米涂层，其表面连续且垂直于平面方向的热阻低，该制备方法对设备要求低、制备流程简单、不涉及高温处理和刻蚀工艺，具有简单、易实现、低成本、拓展性高、能大规模工业化制备等优势，具有重要的工程应用意义。
附图说明
图1为本公开实施例提供的氧化石墨烯纳米涂层的结构示意图。
图2为本公开实施例中目标衬底为铜时，其传热表面形成表面连续的氧化石墨烯纳米涂层之前和之后的饱和池沸腾性能对比曲线。
图3本公开实施例的氧化石墨烯纳米涂层的制备方法的步骤图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-目标衬底；
11-换热表面；
20-氧化石墨烯纳米涂层。
具体实施方式
本公开实施例提供的氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法，利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，可以使氧化石墨烯纳米片自发在目标衬底上快速沉积并彼此连结，形成一种大面积且表面连续的氧化石墨烯纳米涂层，能够有效地增加沸腾时汽泡的脱离频率和汽化核心密度，大幅强化目标衬底的换热表面的沸腾传热性能，显著提高沸腾换热系数和临界热流密度。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
图1为本公开实施例提供的氧化石墨烯纳米涂层的结构示意图。
根据本公开的一个方面，如图1所示，提供一种氧化石墨烯纳米涂层，用于强化目标衬底10的换热表面11的沸腾传热，该氧化石墨烯纳米涂层20均匀、连续地覆盖在目标衬底10的换热表面11上，且该氧化石墨烯纳米涂层20的面积不小于换热表面11的面积，利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，可以使氧化石墨烯纳米片自发在目标衬底的换热表面上快速沉积并彼此连结，形成一种大面积且表面连续的氧化石墨烯纳米涂层20，首先，氧化石墨烯纳米涂层20相比于石墨烯和还原氧化石墨烯纳米涂层具有更好的亲水性，其次形成的氧化石墨烯纳米涂层20的表面是连续的，能最大程度发挥了石墨烯本身优异的热学性质，此外，通过优化制备参数，获得的氧化石墨烯纳米涂层厚度适中，热阻较小，不会引起换热系数的降低，因此本公开提供的一种表面连续的氧化石墨烯纳米涂层能够有效地增加沸腾时汽泡的脱离频率和汽化核心密度，大幅强化目标衬底的换热表面的沸腾传热性能，显著提高沸腾换热系数和临界热流密度。
在本公开的一些实施例中，目标衬底10的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、有机高分子材料中的至少一种。
图2为本公开实施例中目标衬底为铜时，其传热表面形成表面连续的氧化石墨烯纳米涂层之前和之后的饱和池沸腾性能对比曲线。图2a为热流密度-过热度对比曲线，图2b为换热系数-热流密度对比曲线。
在本公开的一些实施例中，目标衬底10的材料为铜、铝或铝合金中的至少一种，目标衬底10为铜时，在铜传热表面11上形成表面连续的氧化石墨烯纳米涂层20，如图2所示，形成表面连续的氧化石墨烯纳米涂层20后，饱和池沸腾性能有了显著提高，表现为相同壁面过热度时，氧化石墨烯纳米涂层20大幅度提高了铜换热表面11的取热热流密度。取热热流密度相同时，氧化石墨烯纳米涂层20大幅度提高了铜换热表面11的沸腾换热系数，氧化石墨烯纳米涂层21的最大沸腾换热系数远大于铜换热表面11。
在本公开的一些实施例中，该氧化石墨烯纳米涂层20的厚度介于10nm至20μm之间。
在本公开的一些实施例中，氧化石墨烯纳米涂层20利用氧化石墨烯纳米片沸腾自组装法在目标衬底的换热表面上形成。
根据本公开的另一个方面，还提供一种氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，用于制备本公开实施例提供的氧化石墨烯纳米涂层20，包括：
步骤A：将目标衬底10的换热表面11置于饱和沸腾状态的液体工质中；步骤B：在液体工质中加入氧化石墨烯纳米片的水溶液；步骤C：对目标衬底的换热表面施加一段时间的热流，本公开实施例提供的氧化石墨烯纳米涂层的制备方法利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，能在多种目标衬底10的换热表面11上快速形成结构稳定，强化沸腾传热性能优异的氧化石墨烯纳米涂层20，其表面连续且垂直于平面方向的热阻低，该制备方法对设备要求低、制备流程简单、不涉及高温处理和刻蚀工艺，具有简单、易实现、低成本、拓展性高、能大规模工业化制备等优势，具有重要的工程应用意义。
在本公开的一些实施例中，将目标衬底10的换热表面11置于饱和沸腾状态的液体工质之前，对目标衬底10的换热表面11进行清洗，去除油脂油污及杂质。
在本公开的一些实施例中，步骤A中，液体工质为蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
在本公开的一些实施例中，步骤C中，施加的热流介于10Wcm-2至200Wcm-2之间。
在本公开的一些实施例中，施加热流的时间介于2min至12h之间。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的氧化石墨烯纳米涂层及其制备方法利用氧化石墨烯纳米片在沸腾过程中的自组装特性，通过调节沸腾热流和沸腾时间，可以使氧化石墨烯纳米片自发在目标衬底上快速沉积并彼此连结，形成一种大面积且表面连续的氧化石墨烯纳米涂层，能够有效地增加沸腾时汽泡的脱离频率和汽化核心密度，大幅强化目标衬底的换热表面的沸腾传热性能，显著提高沸腾换热系数和临界热流密度。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种氧化石墨烯纳米涂层，用于强化目标衬底的换热表面的沸腾传热，该氧化石墨烯纳米涂层均匀、连续地覆盖在目标衬底的换热表面上，且该氧化石墨烯纳米涂层的面积不小于换热表面的面积。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯纳米涂层，所述目标衬底的材料为金属、合金、半导体、陶瓷、氧化物、有机高分子材料中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的氧化石墨烯纳米涂层，所述目标衬底的材料为铜、铝或铝合金中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯纳米涂层，该氧化石墨烯纳米涂层的厚度介于10nm至20μm之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的氧化石墨烯纳米涂层，所述氧化石墨烯纳米涂层利用氧化石墨烯纳米片沸腾自组装法在所述目标衬底的换热表面上形成。
6.一种氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，用于制备如上述权利要求1至5中任一项所述的氧化石墨烯纳米涂层，包括：
步骤A：将所述目标衬底的换热表面置于饱和沸腾状态的液体工质中；
步骤B：在液体工质中加入氧化石墨烯纳米片的水溶液；
步骤C：对目标衬底的换热表面施加一段时间的热流。
7.根据权利要求6所述的氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，将所述目标衬底的换热表面置于饱和沸腾状态的液体工质之前，对目标衬底的换热表面进行清洗，去除油脂油污及杂质。
8.根据权利要求6所述的氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，所述步骤A中，所述液体工质为蒸馏水、去离子水、乙醇、甲醇、丙酮或制冷剂中的至少一种。
9.根据权利要求6所述氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，所述步骤C中，施加的热流介于10Wcm-2至200Wcm-2之间。
10.根据权利要求6所述氧化石墨烯纳米涂层的制备方法，施加热流的时间介于2min至12h之间。
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