CN110405346A - 具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于强化传热与节能领域，特别是一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法。包括以下步骤：预处理：对金属样品表面进行去污除油清洗，得到干净的金属样品；采用激光烧蚀技术进行烧蚀：将聚酰亚胺胶带贴在表面干净的金属样品表面，采用光纤激光器的向量模式对表面进行烧蚀得到微槽结构，烧蚀过程中金属表面产生的高温使聚酰亚胺迅速碳化为颗粒沉积在金属表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现金属表面的超疏水性。本发明的方法，对任何干净的金属样品表面进行一步激光烧蚀即可使其具有超疏水性能，从而使得烧蚀的表面可以长时间维持滴状冷凝效果，具有较高的凝传热效率。

Description

具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法
技术领域
本发明属于强化传热与节能领域，特别是一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法。
背景技术
传热是自然界和工程领域中较为普遍的一种传递过程，蒸汽冷凝传热由于可以释放大量潜热，具有较高的传热性能而广泛地应用于石油化工、制冷、电力、核工业以及航空航天等工业生产领域。在冷凝传热技术中，冷凝热交换器表面的物理及化学性能是影响传热效率的关键因素。根据低温固体表面的润湿程度，蒸汽在固体表面会产生膜状冷凝或滴状冷凝两种冷凝方式。有研究表明，滴状冷凝的传热系数是相应膜状冷凝传热系数的几倍至几十倍。由于工业上的传热表面通常都是高表面能的金属材料，通常水蒸汽只以膜状冷凝形式出现，传热效率比较低下。随着能源问题的日益严峻，提高冷凝换热设备的换热性能则会大大缩小设备体积，降低能耗，从而带来很大的社会和经济效益。由于滴状冷凝具有较高的传热性能，对低温固体表面改性处理，使其实现滴状冷凝是目前需要解决的一个行业难题。
早期的表面改性技术是在固体表面直接涂覆低表面能化学物质，如碳氟化合物、聚偏二氯乙烯等有机物质，使其达到疏水性能。这种方法虽然使冷凝传热系数有所提高，但是表面涂层的导热系数低下，且冷凝液滴需要长到一定的尺寸(～2.7毫米)才能脱落，较低的脱落频率和较大液滴尺寸冷凝传热系数不能得到较大的提高。超疏水表面由于具有接触角大(>150°)、接触角滞后小(<10°)的特点为开发加速液滴脱离的冷凝表面提供了可能。但是并不是所有的超疏水表面在冷凝条件下都依然保存超疏水特性。在微米结构超疏水表面上，蒸汽冷凝形成的液滴浸入到表面微结构内部形成粘滞的Wenzel润湿态，超疏水特性失效；在纳米结构或微纳米结构超疏水表面上，冷凝液滴呈现易于滚动的Cassie状态，有利于实现滴状冷凝。为此，研究人员开发各种纳米或微纳米复合结构超疏水表面使冷凝液滴呈现Cassie态，加快液滴的脱离，进而强化冷凝传热效率。
近期，在金属基底上构建纳米或微纳米复合结构的方法不断涌现，例如热氧化法、化学腐蚀法、激光加工、电化学沉积等，但均各具有局限性。如热氧化法(Lijun Xiang,JianGuo,Chenhui Wu,Menglei Cai,Xinrong Zhou,Nailiang Zhang,A Brief Review on theGrowth Mechanism of CuO Nanowires via Thermal Oxidation,Journal of MaterialsResearch,2018,33,2264)，通过控制氧化时间、氧化温度和氧化环境，可以在金属铜基底上制备出具有不同尺寸和生长方向的纳米结构，但是此方法制备纳米结构所需要的生长温度高，且纳米结构与铜基底结合力很弱，容易从基底上开裂或剥落，限制了此方法在实际工业中的应用；化学腐蚀法(Xuemei Chen,Justin A.Weibel,and Suresh V.Garimella，Exploiting Microscale Roughness on Hierarchical Superhydrophobic CopperSurfaces for Enhanced Dropwise Condensation，Advanced Materials Interfaces2015,2,1400480)，通过控制腐蚀液的浓度和反应时间，可以在金属铜或铝基底上制备出具有不同结构形状的微纳米复合结构，但是此方法制备的微纳结构的机械强度不甚理想、环境适应性差；激光加工法(Guang Tang and Amin Abdolvand,Laser-assisted HighlyOrganized Structuring of Copper,Optical Materials Express,2011,1,1425)，可以在铜基底上加工各种微米结构，虽然此方法加工灵活且具有较高的自由度，但其加工成本高昂，加工效率低，不能进行大规模生产。
然而，不论采用何种方法，在金属基底上构建纳米或微纳米复合结构之后，表面都还需要再修饰一层含氟类低表面能化学物质，才能使其呈现超疏水性；但是修饰的化学物质，对环境及人体存在着一定的潜在危害。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法，包括以下步骤：
①预处理：对金属样品表面进行去污除油清洗，得到干净的金属样品；
②采用激光烧蚀技术进行烧蚀：将聚酰亚胺胶带贴在表面干净的金属样品表面，采用光纤激光器的向量模式对表面进行烧蚀得到微槽结构，烧蚀过程中金属表面产生的高温使聚酰亚胺迅速碳化为颗粒沉积在金属表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现金属表面的超疏水性，一步得到超疏水表面。
进一步的，步骤①所述的金属样品包括铜、铝、钛或不锈钢。
进一步的，步骤①所述的对金属样品表面进行清洗的方法是，依次将样品在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10-30分钟，以去除表面的油污、有机物质和杂质；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的金属样品。
进一步的，步骤②所述的聚酰亚胺胶带的厚度为0.05-0.15mm。
进一步的，步骤②所述的激光烧蚀技术采用的设备为激光雕刻机，固体激光器为光纤激光器，波长为1.06μm，其不易被非金属材料所吸收，不能烧蚀聚酰亚胺，只能烧蚀金属材料。
进一步的，步骤②中对表面进行激光烧蚀时，激光烧蚀的工作模式为向量模式，激光烧蚀的图案是直线阵列结构；激光功率为12-40W，扫描速度为0.12-2.54m/s，扫描频率为10-500kHz，直线粗为10-100μm，直线间距为10-150μm。
进一步的，所述的直线阵列结构通过激光烧蚀的向量模式在金属表面得到微槽结构。
进一步的，激光烧蚀的工作模式和参数范围通过激光雕刻机控制面板进行设定，直线阵列结构通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
进一步的，聚酰亚胺胶带完全碳化后沉积在金属基底上的碳颗粒和激光烧蚀的微槽结构共同作用，致使表面为超疏水表面，其接触角大于160°，滚动角小于5°。
本发明与现有技术相比，其显著优点如下：
1.本发明的一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法，对任何干净的金属样品表面进行一步激光烧蚀即可使其具有超疏水性能，从而使得烧蚀的表面可以长时间维持滴状冷凝效果，具有较高的凝传热效率。
2.本发明的一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法，烧蚀的表面无需任何低表面能化学物质的修饰即可具有超疏水性能。
3.本发明的一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法，工艺简单、操作方便、加工快捷、效率高、能耗少，成本低、绿色环保、可大规模工业生产。
附图说明
图1是本发明制备具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面的过程示意图。
图2是本发明实施例1中利用激光功率24W、扫描速度0.25m/s、扫描频率30kHz及直线间距50μm的参数制备的金属铜超疏水表面的扫描电子显微镜图。
图3是水在制备的金属铜超疏水表面上的静态接触角图。
图4是水滴撞击金属铜超疏水表面的动态过程图。
图5是金属铜超疏水表面的滴状冷凝动态过程图；其中图(a)为冷凝15min，图(b)为冷凝30min，图(c)为冷凝2h，图(d)为冷凝4h。
具体实施方式
本发明提供一种不需要任何化学物质修饰，工艺简单、操作方便、加工快捷、效率高、能耗少，成本低、绿色环保、可大规模工业生产的金属基超疏水表面的制备方法。采用该方法制备的金属基超疏水表面，接触角可达160°以上，滚动角小于5°，且冷凝液滴可以在表面快速成核、生长和脱离，使表面长时间维持滴状冷凝效果。
一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法，该方法包括以下步骤：
①对金属样品表面进行去污除油清洗，得到干净的金属样品；
②将聚酰亚胺胶带贴在表面干净的金属样品表面，采用光纤激光器的向量模式对表面进行烧蚀以得到微槽结构，烧蚀过程中金属表面产生的高温使聚酰亚胺迅速碳化为颗粒沉积在金属表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现金属表面的超疏水性。一步得到超疏水表面。
进一步地，步骤①所述的金属样品包括铜、铝、钛、不锈钢等材料。
进一步地，步骤①所述的对样品表面进行清洗的方法是，依次将样品在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10-30分钟，以去除表面的油污、有机物质和杂质；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的金属样品。
进一步地，步骤②所述的聚酰亚胺胶带的厚度为0.05-0.15mm。
进一步地，步骤②所述的激光烧蚀技术采用的设备为激光雕刻机，固体激光器为光纤激光器，波长为1.06μm，其不易被非金属材料所吸收，所以不能烧蚀聚酰亚胺材料，只能烧蚀金属材料。
进一步地，步骤②所述的对表面进行激光烧蚀时，激光烧蚀的工作模式为向量模式，激光烧蚀的图案是直线阵列结构；该直线阵列可以通过激光烧蚀的向量模式在金属表面得到微槽结构。
进一步地，步骤②所述的对表面进行激光烧蚀时，激光功率为12-40W，扫描速度为0.12-2.54m/s，扫描频率为10-500kHz，直线粗为10-100μm，直线间距为10-150μm。对于此方法，通过不同激光烧蚀工艺参数和直线阵列几何参数而获得的超疏水表面，仍然属于本专利保护范围。
进一步地，激光烧蚀的工作模式和参数范围可通过激光雕刻机控制面板进行设定，烧蚀图案可通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
进一步地，在对表面进行激光烧蚀时，激光参数的设定要确保覆盖在金属基底上的聚酰亚胺胶带被完全碳化，以沉积在金属表面。
进一步地，完全碳化后沉积在金属基底上的碳颗粒和激光烧蚀的微槽结构共同作用，致使表面为超疏水表面，其接触角大于160°，滚动角小于5°。
实施例1
(1)本例采用铜作为金属基底，将铜样品依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15分钟，室温自然晾干。
(2)将厚度为0.05mm的聚酰亚胺胶带贴在干净的铜样品表面。
(3)将贴有聚酰亚胺胶带的铜样品表面放入激光雕刻机(光纤激光器，波长为1.06μm)的工作台上。
(4)用CorelDRAW软件绘制直线阵列，其中直线粗为10μm，长度为10mm，直线与直线之间的距离为50μm。
(5)将绘制的图案输出到激光雕刻机中，在控制面板中设置激光功率为24W，扫描速度为0.25m/s，扫描频率为30kHz，扫描模式为向量模式。调整激光焦距，进行烧蚀。
(6)如图2的扫描电子显微镜图片所示，烧蚀后的表面为排列紧密的微槽结构，在微结构上沉积有均匀的碳颗粒。水在该表面上的静态接触角为163.2°(图3)，且水滴从3cm的高度滴落在该表面上时，水滴可以弹跳脱离表面(图4)，这说明该表面具有较强的超疏水行为，为超疏水表面。
(7)将金属铜超疏水表面放在相对湿度为～50％，环境温度为～25℃，冷却台温度为0℃的环境中观察样品表面的冷凝现象。可以看到(图5)，冷凝液滴可以快速地脱离该表面，且经过4小时的冷凝后，表面依然维持滴状冷凝效果，证明了该表面可以实现高效且稳定的滴状冷凝传热。

Claims (9)

1.一种具有强化滴状冷凝传热的金属基超疏水表面制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
①预处理：对金属样品表面进行去污除油清洗，得到干净的金属样品；
②采用激光烧蚀技术进行烧蚀：将聚酰亚胺胶带贴在表面干净的金属样品表面，采用光纤激光器的向量模式对表面进行烧蚀得到微槽结构，烧蚀过程中金属表面产生的高温使聚酰亚胺迅速碳化为颗粒沉积在金属表面，在微槽结构和碳颗粒的共同作用下，一步实现金属表面的超疏水性，一步得到超疏水表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤①所述的金属样品包括铜、铝、钛或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤①所述的对金属样品表面进行清洗的方法是，依次将样品在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗10-30分钟，以去除表面的油污、有机物质和杂质；清洗干净后，用冷风吹干或室温自然晾干，得到干净的金属样品。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤②所述的聚酰亚胺胶带的厚度为0.05-0.15mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤②所述的激光烧蚀技术采用的设备为激光雕刻机，固体激光器为光纤激光器，波长为1.06μm，其不易被非金属材料所吸收，不能烧蚀聚酰亚胺，只能烧蚀金属材料。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤②中对表面进行激光烧蚀时，激光烧蚀的工作模式为向量模式，激光烧蚀的图案是直线阵列结构；激光功率为12-40W，扫描速度为0.12-2.54m/s，扫描频率为10-500kHz，直线粗为10-100μm，直线间距为10-150μm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的直线阵列结构通过激光烧蚀的向量模式在金属表面得到微槽结构。
8.根据权利要求6所述方法，其特征在于，激光烧蚀的工作模式和参数范围通过激光雕刻机控制面板进行设定，直线阵列结构通过CorelDRAW或AutoCAD软件绘制并输出到激光雕刻机控制面板。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，聚酰亚胺胶带完全碳化后沉积在金属基底上的碳颗粒和激光烧蚀的微槽结构共同作用，致使表面为超疏水表面，其接触角大于160°，滚动角小于5°。
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