CN113122799B - 一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，方法操作简便，具有较高的制备效率，包括：首先加工微阵列结构、固定件和掩板，微阵列结构包括阵列基体以及设置在阵列基体上端的多个微柱，多个微柱呈等间距阵列分布；固定件内设置有安装腔，安装腔的形状与阵列基体的外形相契合；掩板设置有多个贯穿的孔，多个孔呈等间距阵列分布且与多个微柱一一对应设置，孔的尺寸小于微柱的顶面尺寸；然后将阵列基体固定安装于固定件的安装腔内，将掩板盖设于固定件的上端，并使孔与微柱的顶面一一相对；最后在掩板上进行镀膜处理，镀膜处理后微柱顶面对应掩板上孔的区域修饰为疏水区域，掩板和固定件遮掩的区域保持本征亲水性为亲水区域。

Description

一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法

技术领域

本发明涉及强化沸腾传热表面技术领域，具体涉及一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法。

背景技术

在电子元件冷却、飞行器热防护等领域，单位面积及单位体积热流密度的不断增长对高热流密度换热方式提出了更高的要求。沸腾传热换热系数高、传热温差小，是一种有效且常用的高热流密度换热手段，在工业发展中具有广阔的应用前景。如何提高沸腾换热过程中的换热系数和临界热流密度值，是当前相变传热的研究重点。

国内外学者研究发现，沸腾传热表面的表面特征和湿润性对换热系数具有较大的影响。其中，沸腾传热表面湿润性修饰与多尺度微纳结构相结合的强化方法成已成为强化沸腾传热领域新的技术方案，如对微阵列结构中微柱顶面进行局部疏水改性。目前，制备微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面采用胶带遮掩的方法，基本原理是在对微柱顶面进行化学修饰的过程中，通过胶带的反复粘贴来隔绝传热面与修饰剂的反应，来维持其本征亲水性不变。未粘贴胶带的传热面，修饰为疏水区域，从而制备微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面。显而易见，该方法操作繁琐，胶带遮掩的可靠性低，且易对传热面造成污染。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，方法操作简便，具有较高的制备效率。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：首先加工微阵列结构、固定件和掩板，所述微阵列结构包括阵列基体以及设置在所述阵列基体上端的多个微柱，多个所述微柱呈等间距阵列分布；所述固定件内设置有上下开口的安装腔，所述安装腔的形状与所述阵列基体的外形相契合；所述掩板设置有多个贯穿的孔，多个所述孔呈等间距阵列分布且与多个所述微柱一一对应设置，所述孔的尺寸小于所述微柱的顶面尺寸；然后将所述阵列基体固定安装于所述固定件的安装腔内，将所述掩板盖设于所述固定件的上端，并使所述孔与所述微柱的顶面一一相对；最后在所述掩板上进行镀膜处理，在所述微柱的顶面与所述孔相对的区域镀膜修饰为疏水区域，所述微柱的顶面偏移所述孔的区域为亲水区域。

优选地，所述固定件的高度等于所述微阵列结构和所述掩板的总高度，所述阵列基体安装于所述固定件的安装腔内时，所述固定件的下端面与所述阵列基体的下端面处于同一水平面。

优选地，所述固定件的上端靠近所述安装腔的边缘设置有槽道，所述槽道的形状与所述掩板的外形相契合，所述掩板能够嵌设安装于所述槽道。

优选地，所述槽道的深度等于所述掩板的厚度。

优选地，所述掩板的厚度为300μm～500μm。

优选地，所述槽道具有延伸至所述固定件的上端外侧边沿的开口。

优选地，所述固定件的安装腔和所述阵列基体均为方形。

优选地，所述固定件的安装腔的内壁周边加工有内倒角，所述阵列基体的周边加工有外倒角，所述外倒角与所述内倒角相契合。

优选地，所述镀膜处理采用磁控溅射，且在真空环境中进行。

优选地，所述磁控溅射的溅射物质为聚四氟乙烯。

与现有技术相比，本发明加工相适配的微阵列结构、固定件和掩板，安装时微阵列结构的阵列基体固定安装于固定件的安装腔内，掩板盖设于固定件的上端，从而使安装腔形成一个封闭较好的空间，因而在镀膜处理过程中，可有效保证仅掩板上孔对应的微柱的顶面区域修饰为疏水区域，微柱的顶面偏移孔的位置的其它本征亲水区域不被污染。微柱顶面的改性区域为掩板对应的孔区域，因而可以通过改变掩板上孔的尺寸控制改性区域的大小，操作灵活简便。微阵列结构、固定件与掩板三者之间紧密配合，拆装方便，且固定件和掩板可以重复使用，具有较高的经济性。此外，采用镀膜处理对微柱顶面局部区域进行疏水性修饰，操作简便，可以批量制备微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面，具有较高的制备效率。

附图说明

图1是本发明的微阵列结构、固定件和掩板间的配合结构示意图；

图2是本发明的微阵列结构、固定件和掩板间的中心截面示意图；

图3是本发明的微阵列结构的示意图；

图4是本发明的固定件的示意图；

图5是本发明的掩板的示意图；

其中，1-掩板；2-固定件；3-微阵列结构；4-微柱；5-阵列基体；6-槽道；7-孔。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例对本发明作进一步地解释说明，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供了一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，参见图1至图5，包括：

首先加工微阵列结构3、固定件2和掩板1，微阵列结构3包括阵列基体5以及设置在阵列基体5上端的多个微柱4，多个微柱4呈等间距阵列分布，固定件2内设置有上下开口的安装腔，安装腔的形状与阵列基体5的外形相契合，掩板1设置有多个贯穿的孔7，多个孔7呈等间距阵列分布且与多个微柱4一一对应设置，孔7的尺寸小于微柱4的顶面尺寸；

然后将阵列基体5固定安装于固定件2的安装腔内，将掩板1盖设于固定件2的上端，并使孔7与微柱4的顶面一一相对；

最后在掩板1上进行镀膜处理，在微柱4的顶面与孔7相对的区域镀膜修饰为疏水区域，微柱4的顶面偏移孔7的区域为亲水区域。

具体地，固定件2的高度等于微阵列结构3和掩板1的总高度，阵列基体5安装于固定件2的安装腔内时，固定件2的下端面与阵列基体5的下端面处于同一水平面，可靠地保证了微阵列结构3、固定件2和掩板1三者的紧密配合，保证了制备复合湿润性强化沸腾传热表面的稳定可靠。

优选地，固定件2的上端靠近安装腔的边缘设置有槽道6，槽道6的形状与掩板1的外形相契合，掩板1能够嵌设安装于槽道6，保证了掩板1安装后可靠地定位，避免掩板1相对固定件2产生位移以使孔7与微柱4的顶面产生偏斜，保证了制备复合湿润性强化沸腾传热表面的效果。进一步优选地，槽道6的深度等于掩板1的厚度，以使掩板1能够完全嵌设于槽道6内，并使掩板1的底面能够贴合微柱4的顶面，更加保证磁控溅射的效果。进一步优选地，槽道6具有延伸至固定件2的上端外侧边沿的开口，通过开口可以方便取出掩板1，提高便利性。

本实施例的固定件2的安装腔和阵列基体5均为方形，且固定件2的安装腔的内壁周边加工有内倒角，阵列基体5的周边加工有外倒角，外倒角与内倒角相契合，从而提高了阵列基体5与安装腔的紧密配合。本实施例中阵列基体5的长和宽相等，阵列基体5的周边加工的外倒角为圆倒角，安装腔的内倒角相应地也为圆倒角，确保两者之间紧密配合。固定件2的上端加工的槽道6，槽道6的深度与掩板1的厚度相同，槽道6的宽度与掩板1的宽度相同，掩板1的长度和宽度相同，高度为300μm～500μm，孔7可以是圆孔或方孔，也可以是其他任意根据需要设计的形状，阵列基体5的微柱4可以是方柱或圆柱，也可以是其他任意根据需要设计的形状。掩板1的材质为不锈钢，固定件2的材质为紫铜，微阵列结构3的材质可以是紫铜或不锈钢，掩板1、固定件2和微阵列结构3也可以是其他满足要求的金属或非金属。

本实施例中镀膜处理采用磁控溅射仪在掩板1上进行磁控溅射，且在真空环境中，磁控溅射的溅射物质为聚四氟乙烯。磁控溅射后，掩板1上孔7对应的微柱4顶面区域镀上一层聚四氟乙烯薄膜，修饰为疏水区域，微柱4顶面偏移孔7的其它区域，由于掩板1遮掩仍保持亲水性不变，为亲水区域。

下面对本发明进行详细描述：

首先，采用线切割技术在线切割机床上加工微阵列结构3，微阵列结构3中，阵列基体5的长度和宽度相同均为15.0mm，阵列基体5的高度为6.7mm，阵列基体5上微柱4的长度和宽度相同均为900μm，微柱4的高度为800μm，每相邻两个微柱4之间的间距相等为300μm，微阵列结构3采用紫铜或不锈钢材料进行加工而成；加工固定件2，固定件2的高度为7.8mm，固定件2外部的宽度和长度相同为19.0mm，固定件2内部的宽度和长度相同为15.0mm，固定件2内部的安装腔的宽度、长度分别与阵列基体5的宽度、长度相等，固定件2内部周边的内倒角与阵列基体5周边的外倒角相同，在固定件2的上端加工有槽道6，槽道6的深度为300μm，槽道6的长度和宽度为17.0mm，固定件2采用紫铜材料进行加工而成；加工掩板1，掩板1的厚度为300μm，掩板1的长度和宽度为17mm，采用硬质合金钻头在掩板1上进行微钻加工孔7，孔7的直径为400μm，掩板1材料选用不锈钢，孔7的个数与微柱4的个数相同，孔7的中心位置与微柱4的中心位置相同，从而孔7对应的区域为微柱4顶面的正中央区域。其中，固定件2的高度与微阵列结构3和掩板1的总高度相同。

然后，把加工好的固定件2轻轻套在微阵列结构3上，掩板1轻轻放置在固定件2上端的槽道6内，把紧密配合好的微阵列结构3、固定件2和掩板1放置在磁控溅射仪内，固定件2的下端面与微阵列结构3的底面处于同一水平面上。

最后，等放置完毕后，启动磁控溅射仪。在磁控溅射仪内溅射的过程中，先进行两个小时的抽真空操作，确保磁控溅射仪内的真空环境，真空度为8×10^-4Pa，再设置溅射功率为100W，溅射温度为100℃，溅射物质为聚四氟乙烯。经过20分钟的溅射时间后，对磁控溅射仪内的环境进行冷却，冷却后取出，轻轻去掉固定件2和掩板1，以备下次使用。溅射后，掩板1上孔7对应的微柱4顶面区域修饰为疏水区域，微柱4顶面在掩板1和固定件2的遮掩区域仍保持亲水性不变为亲水区域，从而制备出微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面。

本发明的微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法中将微阵列结构3安装在固定件2的安装腔内，掩板1放置在固定件2的槽道6内，固定件2高度与微阵列结构3和掩板1的总高度相同，固定件2内形成较好的封闭空间，两者紧密配合。因而在磁控溅射过程中，可有效保证仅掩板1上孔7对应的微柱4顶面区域修饰为疏水区域，其它本征亲水区域不被污染。微柱4顶面的改性区域为掩板1对应的孔7区域，因而可以通过改变掩板1上孔7的尺寸控制改性区域的大小，操作灵活简便。微阵列结构3、固定件2与掩板1三者之间紧密配合，拆装方便且固定件2和掩板1可以重复使用，具有较高的经济性。采用磁控溅射仪对微柱4顶面局部区域进行疏水性修饰，操作简便，可以批量制备微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面，具有较高的制备效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，包括：首先加工微阵列结构(3)、固定件(2)和掩板(1)，所述微阵列结构(3)包括阵列基体(5)以及设置在所述阵列基体(5)上端的多个微柱(4)，多个所述微柱(4)呈等间距阵列分布，所述固定件(2)内设置有上下开口的安装腔，所述安装腔的形状与所述阵列基体(5)的外形相契合，所述掩板(1)设置有多个贯穿的孔(7)，多个所述孔(7)呈等间距阵列分布且与多个所述微柱(4)一一对应设置，所述孔(7)的尺寸小于所述微柱(4)的顶面尺寸；然后将所述阵列基体(5)固定安装于所述固定件(2)的安装腔内，将所述掩板(1)盖设于所述固定件(2)的上端，并使所述孔(7)与所述微柱(4)的顶面一一相对；最后在所述掩板(1)上进行镀膜处理，在所述微柱(4)的顶面与所述孔(7)相对的区域镀膜修饰为疏水区域，所述微柱(4)的顶面偏移所述孔(7)的区域为亲水区域；

所述固定件(2)的高度等于所述微阵列结构(3)和所述掩板(1)的总高度，所述阵列基体(5)安装于所述固定件(2)的安装腔内时，所述固定件(2)的下端面与所述阵列基体(5)的下端面处于同一水平面；所述固定件(2)的上端靠近所述安装腔的边缘设置有槽道(6)，所述槽道(6)的形状与所述掩板(1)的外形相契合，所述掩板(1)能够嵌设安装于所述槽道(6)内。

2.根据权利要求1所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述槽道(6)的深度等于所述掩板(1)的厚度。

3.根据权利要求2所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述掩板(1)的厚度为300μm～500μm。

4.根据权利要求1所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述槽道(6)具有延伸至所述固定件(2)的上端外侧边沿的开口。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述固定件(2)的安装腔和所述阵列基体(5)均为方形。

6.根据权利要求5所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述固定件(2)的安装腔的内壁周边加工有内倒角，所述阵列基体(5)的周边加工有外倒角，所述外倒角与所述内倒角相契合。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述镀膜处理采用磁控溅射，且在真空环境中进行。

8.根据权利要求7所述的一种微阵列结构复合湿润性强化沸腾传热表面的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的溅射物质为聚四氟乙烯。

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