CN110438537A - 一种新型高通量换热管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热交换材料领域，具体涉及一种新型高通量换热管及其制备方法。通过阴极旋转电沉积的方法，将一种新型的复合材料均匀沉积在换热管的表面，获得一种新型高通量换热管。本发明提出的换热管的制备方法，是在电沉积过程中阴极样件匀速转动，阳极的四个极板对称环绕在工件(阴极)的周围，能够获得组织均匀致密且具有高的导热性能的沉积层，使换热管类部件的散热效率可以提高10～25％，大大提高了热交换领域部件的工作效率。

Description

一种新型高通量换热管及其制备方法
技术领域
本发明属于热交换材料技术领域，具体涉及一种新型高通量换热管及其制 备方法。
背景技术
金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增 强相人工结合成的复合材料，相比一般的复合材料，具有高的比强度、比模量、 耐磨损性能、导热导电性能以及热稳定性好等特点，成为一个材料技术研究开 发的重要领域。石墨烯具有优异的综合性能，电子迁移率可以达到1×105cm2/Vs， 杨氏模量为1TPa，抗拉强度为130GPa，热导率为5300W/(m·K)；同时，石墨烯 是一种SP2杂化的蜂窝状晶格结构，这些优异的结构与性能使石墨烯成为金属基 复合材料增强相的最佳选择之一。
金属基石墨烯复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、水热合成法、电化 学沉积法等。粉末冶金法具有成本低、产量高、工艺简单等特点，但容易混入 杂质并存在宏观缺陷；水热合成法可以获得高质量的增强体分散均匀的金属基 石墨烯复合材料，但成本高、工艺复杂、产量低；电化学沉积法具有工艺效率 高、沉积层可控、成本低等特点。
换热管是换热器的元件，用于两介质之间的热量交换，具有良好的导热性 能与等温性能，在热传递的过程中损耗较小，常见的换热材料有铜、铜合金、 铝合金、石墨等。一般的高通量换热管是一种通过粉末冶金法在换热管表面烧 结一层具有特定结构的多孔高效换热管，它的导热性能要优于普通的换热管。 随着科学技术的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，传统的换热管的 性能已经难以满足实际需求，迫切需要开发一种高效的高通量换热管制备方法。
发明内容
在现有电沉积的基础上，本发明提出了一种新型高通量换热管的制备方法， 解决了目前换热管导热性能满足不了工程应用要求的问题。本发明提出的阴极 旋转电沉积的新方法，将石墨烯/金属基复合材料均匀沉积在换热管基管层表面， 获得一种新型的高通量换热管，不仅具有电沉积方法的优点，而且具有稳定的 高质量沉积层、第二相分布均匀、工艺高效可控等特点。
本发明的技术方案是：
首先，配置铜基石墨烯复合材料沉积液，配置方法为：
(1)配置石墨烯悬浮液，加入聚二硫二乙烷磺酸钠(沪试)，进行磁力搅 拌，搅拌速度为3000rpm，时间为40min。
(2)配置五水硫酸铜溶液，加入氯离子(添加氯化钠、氯化锌或三氯化铬 中的任意一种以提供氯离子)，进行机械搅拌500r/min，时间为20min。
(3)将石墨烯悬浮液加入五水硫酸铜溶液中，在水浴锅中进行高速匀质分 散，水浴锅温度为65℃，匀质分散速度为5000r/min，时间为40min，得到最终 的复合电沉积液。
上述电沉积液的组成为：CuSO4·5H2O浓度100～220g/L，石墨烯片(Gr)浓 度0.05～0.3g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度25～50mg/L，氯离子(Cl-)浓度 10～30mg/L(氯化钠、氯化锌或三氯化铬中的任意一种)，余量为去离子水。
其次，对换热管表面进行酸洗处理，使用5％的稀盐酸溶液进行浸泡或清洗 10分钟，除去表面的油垢与氧化膜。
再次，用配置好的电沉积液，使用脉冲电沉积法在水浴锅中对换热管进行 阴极旋转电沉积，获得均匀的高质量沉积层。
所述电沉积工艺参数：工艺温度为45～65℃，通过硫酸调节pH＝0.5～3.5，电 沉积电位1～3V/-0.1～-0.5V(10ms on/5ms off)，通过电机控制阴极旋转速度为 20r～180r。
最后，将获得的换热管放在干燥箱进行干燥24h，温度为50℃。
上述方法制备的新型高通量换热管包括沉积层和基管层(基管为钢)，所述 沉积在换热管外表面的沉积层厚度占换热管管壁总厚度(指的是基管层和沉积 层厚度之和)的10％～30％。
上述方法制备的高通量换热管应用在换热、散热和冷却设备领域。
本发明主要优点是：
(1)本发明提供了一种新型的沉积液配方：聚二硫二乙烷磺酸钠和氯离子 的加入可以有效改善基体与材料之间的润湿性，提高结合强度；同时，提高增 强体的分散性，有利于第二相的均匀分布；氯离子的加入可以提高沉积层表面 质量，提高表面光亮度和平整性。
(2)一种优化的电沉积工艺参数：合适的制备温度、最佳的电位、开关时 间(ms)及pH。
(3)一种新的电沉积方法，在电沉积过程中阴极旋转，阳极为四个阳极板， 分布在阴极样件的四个方向，这样可以获得厚度均匀致密的电沉积层。
(4)一种新型的电沉积液处理方式，用高速匀质分散机、磁力搅拌器等高 速处理方式，进一步提高溶质的分散性，有益于第二相的均匀分布、高质量的 镀层表面等。
(5)获得导热性能优异的高通量换热管，沉积层与换热管外表面的结合性 优良，热稳定性好，沉积层的热导率可以达到600W/(m·k)，换热管的散热效率 可以提高10％～25％。
附图说明
图1为外表面沉积型高通量换热管制备方法简图。1—电沉积溶液，2—阳 极板×4，3—阴极样件，4—电动搅拌机，5—脉冲工作电源。
图2为外表面沉积型高通量换热管结构图；1—光管段，2—沉积层，3—基 管层。
图3为换热管表面的石墨烯/铜复合沉积层图片(实施例3)。
图4为沉积层SEM及EDS能谱图(实施例3)。
具体实施方式
本发明下面结合实施例作进一步详述，以下实施例均以电沉积时间为4h为 例，描述电沉积液配方和电沉积工艺参数对换热管性能的影响：
实施例1
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度50mg/L，氯离子浓度10mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为45℃，pH＝3.5，阴极旋转速度为60r/min， 脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条 件下所沉积得的沉积层表面平整，表面暗沉，致密性较差，厚度占比为24％， 所制备的沉积层的热导率可以达到456W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高 了10％。
实施例2
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度40mg/L，氯离子浓度20mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH＝2.5，阴极旋转速度为60r/min； 脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条 件下所沉积得的沉积层表面平整均匀，表面暗沉，致密性一般，厚度占比为25％， 所制备的沉积层的热导率可以达到509W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高 了15％。
实施例3
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH＝1.5，阴极旋转速度为60r/min； 脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条 件下所沉积得的沉积层表面平整均匀，表面光亮，致密性良好，厚度占比为30％， 所制备的沉积层的热导率可以达到600W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高 了25％。
图3是按实施例3制备的沉积层样品，表面光亮、平整、致密；
图4是实施例3沉积层的SEM和EDS谱图，可以看到沉积层组织致密， 石墨烯均匀的分散在沉积层中。
实施例4
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度25mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为65℃，pH＝1，阴极旋转速度为60r/min； 脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条 件下所沉积得的沉积层表面有较多颗粒凸起，致密性良好，厚度占比为25％， 所制备的沉积层的热导率可以达到564W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高 了20％。
实施例5
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH＝1.5，阴极旋转速度为60r/min； 脉冲电沉积的电参数为：1V/-0.1V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条 件下所沉积得的沉积层表面有少量孔洞，致密性一般，厚度占比为10％，所制 备的沉积层的热导率可以达到562W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了 10％。
对比实施例1
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为 55℃，pH＝1.5，阴极旋转速度为60r/min；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面具有较多毛刺以 及少量孔洞，致密性较差，厚度占比为26％，所制备的沉积层的热导率可以达 到343W/(m·K)，高通量换热管散热效率低于普通换热管，散热效率降低了5％。
对比实施例2
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH＝1.5，阴极无旋转；脉冲电沉积 的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以及该工艺条件下换热管 外壁的沉积层凹凸不平且不致密，致密性较差，平均厚度占比为20％，所制备 的沉积层的热导率可以达到432W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了8％。
对比实施例3
铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯 0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离 子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH＝1.5，阴极旋转速度为60r/min， 单阳极板；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V(10ms on/5ms off)。这种情况以 及该工艺条件下换热管外壁的沉积层凹凸不平且不致密，平均厚度占比为26％， 所制备的沉积层的热导率可以达到442W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高 了9％。
所述实例皆为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式， 在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见 的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型高通量换热管的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：首先使用5％的稀盐酸溶液浸泡或清洗换热管表面10分钟，除去表面的油垢与氧化膜，然后在水浴锅中采用阴极旋转电沉积的方法，将复合电沉积液均匀沉积在换热管的表面，得到高通量换热管，其中，复合电沉积液的配方为：CuSO4·5H2O浓度100～220g/L，石墨烯片(Gr)浓度0.05～0.3g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度25～50mg/L，氯离子(Cl)浓度10～30mg/L，余量为去离子水。
2.根据权利要求1所述的新型高通量换热管的制备方法，其特征在于：所述电沉积工艺参数：工艺温度为45～65℃，pH＝0.5～3.5，电沉积电位1～3V/-0.1～-0.5V(10ms on/5msoff)；电沉积过程中进行阴极旋转，阴极样件的旋转速度是20～180r/min。
3.根据权利要求1所述的新型高通量换热管的制备方法，其特征在于：阴极旋转电沉积过程中阳极的四个极板对称环绕在阴极的周围。
4.根据权利要求1所述的新型高通量换热管的制备方法，其特征在于，所述复合电沉积液的配置方法如下：
(1)配置石墨烯悬浮液，加入聚二硫二乙烷磺酸钠，进行磁力搅拌，搅拌速度为1500rpm，时间为40min；
(2)配置五水硫酸铜溶液，加入氯离子，进行机械搅拌500r/min，时间为20min；
(3)将石墨烯悬浮液加入五水硫酸铜溶液中，在水浴锅中进行高速匀质分散，水浴锅温度为65℃，匀质分散速度为5000r/min，时间为40min，得到最终的复合电沉积液。
5.一种根据权利要求1所述方法制备的新型高通量换热管，其特征在于：所述换热管包括沉积层和基管层，所述沉积在换热管外表面的沉积层厚度占换热管管壁总厚度的10％～30％。
6.一种根据权利要求1所述方法制备的新型高通量换热管的应用，其特征在于：所述制备的高通量换热管应用在换热、散热和冷却设备领域。
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