CN109295431B - 一种具有分形特性的非均匀润湿表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有分形特性的非均匀润湿表面及其制备方法，包括疏水点阵区域以及亲水通道，疏水点阵区域按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布，亲水通道交错穿插于疏水点阵区域，形成非均匀润湿表面。疏水点阵按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布，提高沸腾换热系数，同时可以规划汽泡的成核点及移动合并方向，契合电子芯片散热过程中的热流分布特性，有效促进芯片中心高热流密度区汽泡形成及沸腾换热。亲水通道可以提供充足的液相工质补给，延缓汽泡成膜，提高临界热流密度。该表面不仅有效结合亲水区域高临界热流密度和疏水区域高沸腾换热系数的优点，而且可以实现汽泡分布与散热表面热流密度分布的协同一致，进一步强化沸腾换热。

Description

一种具有分形特性的非均匀润湿表面及其制备方法
技术领域
本发明属于电子器件热控制领域，具体涉及一种具有分形特性的非均匀润湿表面及其制备方法。
背景技术
利用沸腾换热时相变潜热来获得更高的散热效率，已成为电子器件冷却领域最具发展前景的技术路线。在调节润湿性增强沸腾换热方面，亲水表面的强润湿性可强化临界热流密度，但需高过热度才能进入核态沸腾；疏水表面则与之相反，临界热流密度较低，但沸腾换热系数较高。
为结合亲疏水表面优点同时强化HTC和CHF，在亲水表面均布不同数量、尺寸相同的疏水点。这能减少汽泡成核、生长过程的随机性，但与散热表面中心高四周低的热流密度分布的实际情况不符，与汽泡生长、合并中尺度变化的动力学过程考虑不符。因此，结合亲疏水表面在沸腾换热方面的优点并有效规划表面亲疏水区域的分布是至关重要的。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种具有分形特性的非均匀润湿表面及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具有分形特性的非均匀润湿表面，包括疏水点阵区域以及亲水通道，疏水点阵区域按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布，亲水通道交错穿插于疏水点阵区域，形成非均匀润湿表面。
本发明进一步的改进在于，疏水点阵区域的静态水接触角不小于140°。
本发明进一步的改进在于，亲水通道区域的静态水接触角低于20°。
本发明进一步的改进在于，疏水点阵区域的具体形成过程为：先将一个正方形均分成9个小正方形，保留中心的正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份，多次重复上述保留中心正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份的过程，获得Sierpinski地毯曲线。
本发明进一步的改进在于，重复保留中间正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份的过程N次，得到N阶图形；将每阶图形的中心正方形均分为若干疏水点，疏水点之间为亲水通道。
一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，将金属块经含有氢氧化钠和过硫酸钾的溶液浸渍后，干燥，在金属块表面形成超亲水表面；将具有Sierpinski地毯分形图形结构的掩模板覆盖于超亲水表面上，并固定，然后置于磁控溅射镀膜机内，在金属块表面被掩模板露出的区域溅射PTFE，溅射完毕后取出，在金属块表面形成具有分形特性的非均匀润湿表面。
本发明进一步的改进在于，含有氢氧化钠和过硫酸钾的溶液中氢氧化钠的浓度为2mol/L，过硫酸钾的浓度为0.05-0.08mol/L。
本发明进一步的改进在于，浸渍的时间为20-60min，干燥的具体条件为100℃下干燥3h。
本发明进一步的改进在于，溅射参数：溅射时间15～20min，溅射温度80～120℃，溅射功率60～80W。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的疏水点阵按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布，提高了沸腾换热系数，同时可以规划汽泡的成核点及移动合并方向，契合电子芯片散热过程中的热流分布特性，有效促进芯片中心高热流密度区汽泡形成及沸腾换热。亲水通道可以提供充足的液相工质补给，延缓汽泡成膜，提高临界热流密度。因此，该表面不仅有效结合亲水区域高临界热流密度和疏水区域高沸腾换热系数的优点，而且可以实现汽泡分布与散热表面热流密度分布的协同一致，进一步强化沸腾换热。另外，亲水区域具有强润湿性，疏水区域具有强“亲气”性，既通过亲水通道强化了液体供给，提高CHF，又保证汽泡在低过热度下快速产生，从而提高沸腾换热系数。
进一步的，本发明采用改进Sierpinski地毯分形图形设计疏水点阵分布，实现了规划汽泡分布、移动及合并的目的，且实现汽泡空间分布与加热壁面热流密度分布的协同一致，从而有效增强沸腾传热特性。
本发明先将金属块通过氧化沉积法制成超亲水表面，然后通过具有点阵结构的Sierpinski地毯曲线分形特性的掩膜版，在表面采用化学沉积及磁控溅射疏水材料的方法制备疏水点，得到具有分形特性的非均匀润湿表面。利用本发明，只需加工得到具有Sierpinski地毯分形图形结构的掩模板，即可在亲水表面上溅射得到相应图形结构，具有容易操作、运行原理可靠的优点。本发明提出在超亲水按照Sierpinski地毯曲线分形特性，排布疏水点阵，不仅能够有效降低液体起始沸腾温度、提高沸腾换热的临界热流密度，而且可以规划汽泡的成核点及移动合并方向，进而实现汽泡空间分布与加热壁面热流密度分布的协同一致，进一步提高了沸腾换热性能。
附图说明
图1为本分形特性非均匀润湿表面示意图及实物图。其中，(a)为分形非均匀润湿表面的示意图，(b)为掩膜版上三阶分形图形的疏水点分布示意图(单位：mm)，(c)为经过处理后铜块制作出的非均匀润湿分形结构表面在水中的现象的实物图。
图2为不同处理过程后铜表面的光学接触角，其中，(a)为水滴在未经过化学方法处理后铜表面的光学接触角；(b)为水滴在经过化学方法处理后铜表面的光学接触角；(c)为水滴在经过磁控溅射处理后铜表面的光学接触角。
图3为经过处理后铜块制作出的非均匀润湿分形结构表面在沸腾传热实验中汽泡在表面的分布。其中，(a)为ΔT＝2.4K，(b)为ΔT＝2.4K(15s后)，(c)为ΔT＝5.46K，(d)为ΔT＝5.46K(15s后)，(e)为ΔT＝7.83K，(f)为ΔT＝12.21K。
具体的实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明确，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明的具有分形特性的非均匀润湿表面，包括疏水点阵区域和具有强润湿性的亲水通道，疏水点阵区域被亲水通道交错贯穿。其中，疏水区域为按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布的疏水点阵组成，疏水点阵区域的静态水接触角不低于140°，亲水通道区域的静态水接触角小于20°。
疏水点阵区域按照Sierpinski地毯曲线分形特性，疏水点阵区域的整体图案分布具有自相似性和标度无关性，具体形成过程为：先将一个正方形均分成9个小正方形，保留中心的正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份，多次重复上述过程，即保留中心正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份的过程，获得Sierpinski地毯图案。
具体的，先将一个正方形均分成9个小正方形，保留中心的正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份，重复上述过程，即保留中心正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份的过程，得到一阶图形，当重复两次时，得到二阶图形，重复N次时，得到N阶图形。将每阶图形的中心正方形均分为若干疏水点，例如三阶分形图形，其每次均分后保留的中心正方形依次被分为32·2、31·2、30·2个疏水点，疏水点之间为亲水通道，亲水通道用于提供液体补给。当重复多次时，得到的每节图形中的中心正方形的大小不同，但是均分后的数量相同。即疏水点阵区域由不同阶的分形图形组成，每一阶分形图形区域按照其所在阶数，均匀分布大小相同的疏水点。
本发明中的疏水点阵区域的分形分布特性与电子芯片散热过程中的热流分布特性相符。
上述表面采用如下方法制备：
1)将金属块依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，然后再用盐酸清洗除去表面氧化膜，清洗后用N2吹干；
2)配制含有氢氧化钠和过硫酸钾的混合溶液，具体是：分别取适量分析纯氢氧化钠颗粒于烧杯中，取适量分析纯过硫酸钾粉末于烧杯中，烧杯中放入一定量的去离子水，得到含有氢氧化钠和过硫酸钾的溶液，该溶液中氢氧化钠的浓度为2mol/L，过硫酸钾的浓度为0.05-0.08mol/L。
3)将上述的金属块放入到含有氢氧化钠和过硫酸钾的混合溶液当中，反应20～60min后取出并将制备的亲水表面放在恒温干燥箱中在100℃下，干燥3小时，制备出干燥超亲水表面；
4)制作具有Sierpinski地毯分形图形结构的掩模板，将其覆于制备好亲水表面的金属块上，并用导热胶带进行固定，置于磁控溅射镀膜机内；其中，具有Sierpinski地毯分形图形结构的掩模板，其图案分布与上述的疏水点阵图案一致，具有Sierpinski地毯曲线分形特性。
5)设置相应的溅射参数：溅射时间15～20min、溅射温度80～120℃、溅射功率60～80W，在金属块表面被掩模板露出的区域溅射PTFE(聚四氟乙烯)，溅射完毕后取出，得到具有分形特性的非均匀润湿表面。
下面通过一个具体实施例进行说明。
为得到上述表面，本发明采用的制备方法是：
1)将20mm×20mm紫铜块依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，然后再用稀盐酸清洗除去表面氧化膜，清洗后用N2吹干；
2)配制氢氧化钠和过硫酸钾混合溶液，具体是：分别取适量分析纯氢氧化钠颗粒于烧杯中，烧杯中放入一定量的去离子水，得到氢氧化钠溶液；取适量分析纯过硫酸钾粉末于烧杯中，烧杯中放入一定量的去离子水，搅拌均匀至溶液澄清，得到硫酸钾溶液；将两种溶液混合均匀，得到含有氢氧化钠和过硫酸钾的混合溶液，待用；其中，混合溶液中氢氧化钠的浓度为2mol/L，过硫酸钾的浓度为0.05-0.08mol/L。
3)将上述的紫铜块放入到混合溶液当中，反应20～30min后取出并将制备的亲水铜表面放在恒温干燥箱中在100℃下，干燥3小时，制备出干燥超亲水表面；
4)设计制作加工具有Sierpinski地毯分形图形结构的掩模板，将其覆于制备好亲水表面的紫铜块上，并用导热胶带进行固定，置于磁控溅射镀膜机内；
5)设置相应的溅射参数：溅射时间15～20min、溅射温度80～120℃、溅射功率60～80W，在紫铜块表面被掩模板露出的区域溅射PTFE(聚四氟乙烯)，溅射完毕后取出，即可得到疏水点按设计图案分布的非均匀润湿分形表面。
参见图2，分形分布的疏水点阵区域，按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布，使用去离子水测得其静态接触角为150.1°。
亲水通道将疏水点阵区域交错贯穿，使用去离子水测得的静态接触角为9.3°，具有强润湿性。作为液体通道，可以为沸腾换热表面提供充足的液体供应，延缓汽泡长大、成膜，提高临界热流密度。
首先，在沸腾传热实验中选择加热表面材料是铜，换热工质是水。考虑加热面尺寸、在水中产生的汽泡脱离直径的数量级及Sierpinski地毯曲线分形特性，参见图1，本实施例中的疏水点边长尺寸设计为0.4mm。其中每一阶各自的疏水点阵区域中，疏水点间距均为0.7mm。最高阶疏水点区域由单个疏水点组成，每个疏水点间距为1.8mm。
在正常工作时，所述疏水点阵区域，疏水点处可以捕获不凝结气体，在较低的过热度下成核、生长，提高沸腾换热系数，而且在汽泡成核到生长的过程中，其分布特性一直符合Sierpinski地毯三阶分形图案。随着热流密度升高，相互临近的疏水点上的汽泡开始克服能垒而发生合并，同时伴随着高阶疏水区域的汽泡向中央低阶区域的定向合并过程，最终在中心一阶疏水区域形成大汽泡，并迅速脱离加热表面。通过疏水点位置可以规划汽泡分布、移动及合并的目的，且实现汽泡空间分布与加热壁面热流密度分布的协同一致，促进了中央汽泡的生长合并以及脱离从而有效增强沸腾传热特性。
根据以上步骤设计获得新型沸腾换热表面，经过去离子水过冷池沸腾实验验证，参见图3，结果表明上述表面与亲水表面相比，在15K过冷度下沸腾起始点的壁面过热度下降了71.1％。在同样的过热度下，上述表面的临界热流密度比光滑铜表面和疏水点阵表面分别提高了约35％和14％。
以上所述具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有意向进行了进一步详细说明，本发明所提供的具有分形特性的非均匀润湿表面及其制备方法，构成简单，工作原理可靠，可有效提高换热区的沸腾换热性能，可广泛应用于电子器件冷却领域。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明并不受上述实施例的限制，可以根据具体的工况环境适当调整各项参数(如制备方法参数、分形阶数、各疏水点尺寸、疏水点间距)以达到较佳实施效果。其它任何未离弃本发明的原理下所做的改变、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 (6)

1.一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，其特征在于，将金属块经含有氢氧化钠和过硫酸钾的溶液浸渍后，干燥，在金属块表面形成超亲水表面；将具有Sierpinski地毯分形图形结构的掩模板覆盖于超亲水表面上，并固定，然后置于磁控溅射镀膜机内，在金属块表面被掩模板露出的区域溅射PTFE，溅射完毕后取出，在金属块表面形成具有分形特性的非均匀润湿表面；其中，包括疏水点阵区域以及亲水通道，疏水点阵区域按照Sierpinski地毯曲线分形特性分布，亲水通道交错穿插于疏水点阵区域，形成非均匀润湿表面；疏水点阵区域的具体形成过程为：先将一个正方形均分成9个小正方形，保留中心的正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份，多次重复上述保留中心正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份的过程，获得Sierpinski地毯曲线；
含有氢氧化钠和过硫酸钾的溶液中氢氧化钠的浓度为2mol/L，过硫酸钾的浓度为0.05-0.08mol/L。
2.根据权利要求1所述的一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，其特征在于，浸渍的时间为20-60min，干燥的具体条件为100℃下干燥3h。
3.根据权利要求1所述的一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，其特征在于，溅射参数：溅射时间15～20min，溅射温度80～120℃，溅射功率60～80W。
4.根据权利要求1所述的一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，其特征在于，疏水点阵区域的静态水接触角不小于140°。
5.根据权利要求1所述的一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，其特征在于，亲水通道区域的静态水接触角低于20°。
6.根据权利要求1所述的一种具有分形特性的非均匀润湿表面的制备方法，其特征在于，重复保留中间正方形不变，对周围的8个正方形重复均分9份的过程N次，得到N阶图形；将每阶图形的中心正方形均分为若干疏水点，疏水点之间为亲水通道。
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