CN109855438A

CN109855438A - 基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法

Info

Publication number: CN109855438A
Application number: CN201910235268.6A
Authority: CN
Inventors: 弓晓晶; 李亚利
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-06-07

Abstract

本发明属于高性能冷凝散热领域，具体提供了一种基于柔性碳纳米材料的高性能冷凝面，包括碳纳米材料薄膜柔性支撑面，以及覆盖于所述柔性支撑面上的纳米结构表面。本发明的优点在于，通过在具有柔性特性的碳纳米材料薄膜上制备纳米结构表面，实现了冷凝微滴自驱离功能有利于高效冷凝传热，并且可以通过调控碳纳米材料薄膜的柔性程度以及纳米结构来改变冷凝微滴自驱离及高效冷凝传热的效率，可以有效的贴合可折叠电子器件中的热源，起到高效散热的作用。

Description

基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法

技术领域

本发明属于高性能冷凝散热领域，尤其涉及基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法。

背景技术

近年来随着全球能源短缺和环境问题的日益突出以及对各种电子器件高热流密度散热的迫切需求，如何设计超浸润表面实现冷凝液快速输运来强化冷凝传热的研究已引起科学界和产业界的高度关注。冷凝过程广泛存在于自然界与工业界中，从青草尖的露水到石油化工生产过程、海水淡化等。由于蒸汽与温度低于其饱和温度的冷壁面接触时，会将潜热传给壁面，是热能高效输运方式之一，因此冷凝传热已被广泛用于动力、能源、制冷、化工、石油、航空航天等工业系统中来实现热能有效输运。

目前已证实，通过控制表面结构及化学的协同有望实现冷凝液的高效快速驱离以大幅度增强其传热性能，相关研究涉及材料、热物理等多学科交叉，是近年来新兴的前沿纳米科技。但是目前使用的冷凝面的基底多为金属块材，不能发生柔性变形，在实际应用中无法紧密贴合可折叠电子器件或者其他具有复杂曲率变化的热源表面(如弯曲热源管道、人体表面等)，这些不良热接触导致热量散失和较低的热传导效率，难以适应散热器件在可穿戴电子产品领域日趋微型化和高度集成化发展的需要，成为新的瓶颈问题。因此，高性能柔性冷凝面设计已成为本领域研究的新焦点和难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对柔性电子器件表面高效散热的瓶颈问题，提供一种基于碳纳米材料薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面，包括一碳纳米材料薄膜柔性支撑面(衬底)，以及覆盖于所述柔性支撑面上的纳米结构表面。

所述支撑衬底可以是任何一种可以通过后处理形成柔性薄膜的碳纳米材料，可以是但不限于碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜中的一种。

所述支撑面的材料优选为由碳纳米管制成的自支撑薄膜。

所述形成的纳米结构表面包括但不限于金属材料纳米结构表面、半导体材料纳米结构表面，只要可以通过电化学能在碳纳米材料薄膜上形成针簇状凸起的纳米结构均可；

形成纳米结构的材料的要求非常宽泛，很多常见的金属及半导体材料都可以满足要求，例如金、银、铜、镍、铝、氧化锌等均可，纳米结构可以是单一、分级(多级)、无取向或者有取向的纳米结构。

所述形成的纳米结构表面优选为铜、银、镍、金单一纳米结构、分级纳米结构或取向纳米结构中的一种。

本发明进一步提供了一种上述基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面结构的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备碳纳米材料薄膜柔性支撑面；

(2)在柔性支撑面表面覆盖纳米结构表面。

其中，制备碳纳米材料薄膜柔性支撑面的方法为：

利用浮动催化法化学气相合成所述的柔性碳纳米材料薄膜支撑面(衬底)(Science 2004,304,276)；然后，对支撑衬底实施致密化后处理，使其形成具有一定的抗弯曲、抗拉伸强度并且能够起到自支撑作用的柔性基底材料；或者，柔性碳纳米材料支撑面(衬底)还可利用阵列法化学气相合成(Science2004,304,276)；然后，对支撑衬底实施致密化后处理，使其形成具有一定的抗弯曲、抗拉伸强度并且能够起到自支撑作用的柔性基底材料。

上述致密化后处理工艺可以但不限于浸润法(不同浸润液体对致密度及取向的影响)、拉拔法(纤维及薄膜在拉拔过程中收到径向压缩力与轴向拉伸力的作用，内部空隙被压缩，致密度与取向性提高)、轧制法(纤维截面变小，致密度提高)、牵伸法(在合理变形范围内，随着牵伸变形量的增加，碳纳米管束取向性被优化、堆垛密度提高)等进行致密化处理，通过一种方法及多种方法的耦合，获得致密化自支撑柔性碳纳米管薄膜。

在柔性支撑面表面覆盖纳米结构表面的方法为：

采用电化学沉积的方法在衬底上制备纳米结构表面，具体方法如下：(1)溶液配制(配制能形成纳米结构表面的溶液，比如金属或半导体材料溶液)；(2)将处理好的柔性表面放入烧杯中，并用夹子固定；(3)将合适大小的转子用去离子水洗净放入烧杯中；(4)将洗好的pt电极和Ag/AgCl参比电极放入烧杯中合适位置；(5)将配置好的溶液倒入搭建的装置中，并将整个装置置于75℃水浴中，调节转速为20r/s，预热5分钟；(6)将三种电极分别与电化学工作站相连，启动软件，首先进行硬件测试，显示ok后，设置参数，当开路电压稳定后即可开始反应，纳米结构开始在柔性衬底上生长。然后通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

或者在柔性支撑面表面覆盖纳米结构表面的方法为：

采用掠角沉积的方法在衬底上制备纳米结构表面，具体的方法：(1)将致密化处理的柔性表面贴在玻璃片上；(2)将玻璃片放置在特殊夹具上，一并放入掠角沉积反应室内，调整角度；(3)安装金属靶料；(4)开始将金属溅射沉积到柔性表面，倾斜纳米结构形成；然后通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

通过控制碳纳米管的长度、管径等因素，可制备出具有理想三维网络结构的柔性碳纳米管薄膜，值得指出的是，各国学者开发了多种制备方法来制备碳纳米管纤维和薄膜，其中化学气相反应法具有工艺简单、成本低廉的突出优势，可实现制备过程的连续化与稳定化，采用此方法制备的碳纳米管薄膜具有非常良好的应用前景。通过后期致密化处理，碳纳米管薄膜可具有固态自支撑特性，加之其优异的物理化学特性，可以将其作为柔性复合材料基底。

大量研究已证实，表面纳米结构通过修饰低表面能物质后，可以形成优良的超疏水表面(接触角大于150°)，在冷凝条件下，表面生成的冷凝微滴会在纳米表面上融合，由于超疏水纳米表面低的粘附特性微滴自身融合释放的表面能可以驱动微滴定向弹跳离开表面，带走潜热，实现高效热传导。

有益效果：

通过利用自支撑碳纳米材料薄膜的柔性特性，在其上沉积纳米结构表面，从新的技术角度实现了柔性冷凝面的构筑。利用后处理工艺控制碳纳米管薄膜的柔性，利用电化学工艺参数或者掠角沉积工艺参数来控制纳米结构的几何参数，调控冷凝微滴自驱离效率，实现对冷凝传热效率的控制；其制备方法简单，成本低。

本发明的冷凝面具有高的比密度、高的比强度，且更容易通过电镀的方式在其表面形成具有多种形式(单一结构的针簇，分级结构的针簇，取向结构的针簇)的纳米结构。使得传统基于金属衬底上的刚性冷凝面变为柔性，且因为碳材料的比密度较低，同时又能具有较好的比强度，因此，适合航空航天轻量化要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明基于碳纳米管薄膜的高性能柔性冷凝面及其制备方法做详细说明。

附图说明

图1-图3是本发明的具体工艺示意图。

具体实施方式

实施例1

步骤一，参考附图1A，采用浮动催化法化学气相制备柔性碳纳米管薄膜100。

步骤二，参考附图1B，利用致密化后处理工艺将薄膜100致密化，获得自支撑致密化薄膜120，致密化工艺可以是浸润法、拉拔法、轧制法、牵伸法。

步骤三，参考附图1C，利用电化学沉积方法在薄膜120上制备金属纳米针簇状凸起纳米单一无取向结构，金属可以是金、银、铜、镍、铝。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

上述步骤实施完毕所获得结构包括一碳纳米管薄膜柔性衬底，以及覆盖于所述柔性支撑面的金属纳米结构；制得的冷凝面冷凝液接触角大于150°，能在界面上发生冷凝微滴自弹离现象。

实施例2

步骤一和步骤二，同实施例1。

步骤三，参考附图2C，利用电化学沉积方法在薄膜120上制备金属纳米针簇状凸起纳米分级(多级)结构。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

上述步骤实施完毕所获得结构包括一碳纳米管薄膜柔性衬底，以及覆盖于所述柔性支撑面的金属纳米结构；所得冷凝面冷凝液接触角大于150°，能在界面上发生冷凝微滴自弹离现象。

实施例3

步骤一和步骤二，同实施例1。

步骤三，参考附图3C，利用电化学沉积方法在薄膜120上制备金属纳米针簇状凸起纳米取向结构。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

实施例4

步骤一和步骤二，同实施例1。

步骤三，参考附图1C，利用掠角沉积物理方法在薄膜120上制备金属纳米针簇状凸起纳米单一无取向结构。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

实施例5

步骤一和步骤二，同实施例1。

步骤三，参考附图2C，利用掠角沉积物理方法在薄膜120上制备金属纳米针簇状凸起纳米分级(多级)结构。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

实施例6

步骤一和步骤二，同实施例1。

步骤三，参考附图3C，利用掠角沉积物理方法在薄膜120上制备金属纳米针簇状凸起纳米取向结构。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

实施例7

步骤一，参考附图1A，采用阵列法化学气相制备柔性碳纳米管薄膜100。

步骤二、步骤三和步骤四，同实施例1。

实施例8

步骤二同实施例1。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

实施例9

步骤二同实施例1。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

实施例10

步骤一，参考附图1A，采用阵列法化学气相制备柔性石墨烯薄膜100。

步骤二、步骤三和步骤四，同实施例1。

上述步骤实施完毕所获得结构包括一石墨烯薄膜柔性衬底，以及覆盖于所述柔性支撑面的金属纳米结构；所得冷凝面冷凝液接触角大于150°，能在界面上发生冷凝微滴自弹离现象。

实施例11

步骤三，参考附图2C，利用电化学沉积方法在薄膜120上制备半导体材料纳米针簇状凸起纳米单一无取向结构，半导体材料可以是氧化锌。

步骤四，通过低表面能修饰，表面具有超疏水特性。

上述步骤实施完毕所获得结构包括一碳纳米管薄膜柔性衬底，以及覆盖于所述柔性支撑面的半导体纳米结构；所得冷凝面冷凝液接触角大于150°，能在界面上发生冷凝微滴自弹离现象。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面，其特征在于：所述冷凝面包括碳纳米材料柔性支撑面，以及覆盖于所述柔性支撑面上的纳米结构表面。

2.根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面，其特征在于：所述用于柔性支撑面的材料包括但不限于碳纳米管、石墨烯中的一种；所述纳米结构表面包括但不限于金属材料、半导体材料纳米结构表面。

3.根据权利要求2所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面，其特征在于：所述柔性支撑面为碳纳米管薄膜；所述纳米结构表面选自于铜、银、镍、金单一纳米结构、分级纳米结构或取向纳米结构中的一种。

4.一种根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的制备方法，其特征在于：所述制备方法步骤如下：

(1)制备碳纳米材料薄膜柔性支撑面；

(2)在柔性支撑面表面覆盖纳米结构表面。

5.根据权利要求4所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的制备方法，其特征在于：所述碳纳米材料薄膜柔性支撑面的制备方法如下：

(1)利用浮动催化法化学气相合成碳纳米材料薄膜柔性支撑面；

(2)对支撑面实施致密化后处理，使其形成能够起到自支撑作用的柔性基底材料。

6.根据权利要求4所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的制备方法，其特征在于：所述碳纳米材料薄膜柔性支撑面的制备方法如下：

(1)利用阵列法化学气相合成碳纳米材料薄膜柔性支撑面；

(2)对支撑衬底实施致密化后处理，使其形成能够起到自支撑作用的柔性基底材料。

7.根据权利要求4所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的制备方法，其特征在于：所述在柔性支撑面表面覆盖纳米结构表面的方法如下：

(1)采用电化学沉积的方法在支撑面上制备纳米结构表面；

(2)通过低表面能修饰，使表面具有超疏水特性。

8.根据权利要求4所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的制备方法，其特征在于：所述在柔性支撑面表面覆盖纳米结构表面的方法如下：

(1)采用掠角沉积的方法在衬底上制备纳米结构表面；

(2)通过低表面能修饰，使表面具有超疏水特性。

9.根据权利要求5或6所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的制备方法，其特征在于：所述致密化后处理方法包括浸润法、拉拔法、轧制法、牵伸法。

10.一种根据权利要求1所述的基于柔性碳纳米材料薄膜的高性能冷凝面的应用，其特征在于：所述冷凝面用于相变传热领域，包括但不限于贴合在集成热管内部。