CN113230681A - 一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法，步骤为：氯化钠造孔剂颗粒和铜粉压制成型，或者直接铜粉松装烧结，经过铺放、合并、烧结、清洗脱除造孔剂、氧化刻蚀、化学清洗，获得复合微腔多孔曲面微通道结构。本发明所制备的复合微腔多孔曲面微通道结构耦合了微柱间的高渗透率以及铜粉之间高毛细压力的优势，具有良好的毛细性能；铜粉表面的微腔结构增加气泡成核密度以及超亲水润湿性可以延迟高热通量下的CHF，双曲面结构设计增加了液膜铺展的钉扎效应，可增大三相接触线附近的薄液膜面积，从而增大传热面积，增强传热性能。
Description
技术领域
本发明涉及传热技术领域，具体而言，尤其涉及一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法。
背景技术
动力电子设备已成为由低至高电压电气设备的重要组成部分，包括便携式电子设备、光伏电池逆变器、发光二极管(LED)和电动汽车。随着新兴技术的快速发展，其呈现微型化、集成化两大趋势，同时也伴随着热流密度的急剧增加。新兴材料的发展，如碳化硅和氮化镓，使更小、更紧凑的设备具有更高的功率密度，这要求更有效的热管理技术来匹配超薄散热设备。热管理技术的挑战主要来自热源的布局和空间分布，增加的最大操作热负荷和减少芯片的温度是热管理设计中最重要的因素。为了提高散热率，可以通过利用高孔隙率的材料(例如微米/纳米膜)扩大蒸发的比表面积来增加弯月面面积和薄膜区域。超薄芯吸结构提供了一种途径，可通过增加蒸发的界面面积并减小液膜的传导电阻来提高蒸发效率。液体供应的毛细管驱动质量流率在临界热通量(CHF)中起着关键作用，该情况下，需要厚而高渗透率的芯吸结构。另一方面，热通过饱和毛细结构从固体表面流动到蒸发前增加了热阻，并因此降低了传热系数(HTC)。显然，毛细蒸发受到供液所需的高芯吸流速和流向蒸发前端的热流的低热阻之间存在权衡的影响，这对在同一芯吸结构上同时优化CHF和HTC提出了巨大挑战。大多数芯吸结构需要精细的纳米加工，这对于经济高效地扩大规模以满足热管理和能源应用的大面积需求提出了挑战。因此，本发明提出了一种低成本制作的复合微腔多孔曲面微通道结构，可通过增加蒸发的界面面积并减小液膜的传导热阻来提高蒸发效率，通过超亲水润湿性来延迟高热通量下CHF的发生。在微电子、航空航天等领域具有非常有前途的应用价值。
发明内容
根据上述提出的毛细蒸发受到供液所需的高芯吸流速和流向蒸发前端的热流的低热阻之间存在权衡的影响，这对在同一芯吸结构上同时优化CHF和HTC提出了巨大挑战；大多数芯吸结构需要精细的纳米加工，这对于经济高效地扩大规模以满足热管理和能源应用的大面积需求提出了挑战的技术问题，而提供一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法。本发明制备的复合微腔多孔曲面微通道结构耦合了微柱间的高渗透率以及铜粉之间高毛细压力的优势，具有良好的毛细性能；铜粉表面的微腔结构增加气泡成核密度以及超亲水润湿性可以延迟高热通量下的CHF，双曲面结构设计增加了液膜铺展的钉扎效应，可增大三相接触线附近的薄液膜面积，从而增大传热面积，增强传热性能。本发明方法工艺简单，生产成本低，制得的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构，毛细抽吸力大，超亲水的润湿性，气泡核化密度点多，液膜传热面积大，具有优秀的传热效果。
本发明采用的技术手段如下：
一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构，为氯化钠造孔剂颗粒和铜粉压制成型，或者直接铜粉松装烧结，经过铺放、合并、烧结、清洗脱除造孔剂、氧化刻蚀、化学清洗所得结构。
本发明还提供了一种制备用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的方法，包括如下步骤：
步骤一、获得造孔剂，将铜粉与造孔剂混合获得铜粉与造孔剂的混合物；
步骤二、将铜粉与造孔剂的混合物填充入模具内，封盖后通过夹具夹紧并施压；
步骤三、将步骤二中固定好的模具放入真空炉内进行真空烧结，冷却，获得烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物，之后清洗脱除造孔剂，得到多孔曲面微通道结构；
步骤四、对步骤三中得到的多孔曲面微通道结构进行超声波清洗、加热、氧化刻蚀，获得多孔表面具有CuO纳米草结构的多孔曲面微通道结构；
步骤五、对步骤四中得到的多孔曲面微通道结构进行去离子水冲洗、烘干、化学清洗，获得复合微腔多孔曲面微通道结构。
进一步地，所述步骤一的具体步骤如下：
S1、取适量氯化钠颗粒，研磨后过筛，得到粒径为15-20μm的造孔剂，干燥后备用；
S2、在室温条件下，分别将粒径为50-75μm、75-100μm或100-150μm的球形铜粉与造孔剂按体积比4:6混合，一起放入球磨机中进行球磨混合，得到铜粉与造孔剂的混合物；
所述步骤二的具体步骤如下：
先将石墨模具放进石墨定型模具腔室中，之后将铜粉与氯化钠的混合物进行仔细填充，当铜粉与氯化钠的混合物的填充高度高于模具0.5mm时，将铜基板覆盖在铜粉与氯化钠的混合物表面，然后用顶部盖板封住，最后用夹具施加一定压力进行上下夹紧，使得铜粉与氯化钠的混合物压实，以及与铜基板密切接触；
所述步骤三的具体步骤如下：
将固定好的模具放入真空炉内进行真空烧结，真空炉进行程序升温到900℃之后，持续40分钟，之后自然冷却至室温，脱离石墨盖板与石墨腔室，进一步将石墨模具在烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物中缓慢划出，最后将烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物浸入到水中，将内部造孔剂洗掉，得到多孔曲面微通道结构；
所述步骤四的具体步骤如下：
用超声波丙酮溶液清洗多孔曲面微通道结构15分钟，去除有机残留物；之后在超声波乙醇溶液中继续清洗5分钟；最后，用去离子水冲洗样品，放入烘箱，50℃加热30分钟；干燥后的样品置于碱性溶液中刻蚀5min，刻蚀温度为96℃；刻蚀后的多孔表面形成一层致密的CuO纳米草结构；
所述步骤五的具体步骤如下：
然后将刻蚀后的样品用去离子水冲洗，并在烤箱中以80℃加热60分钟；为了促进成核和增强HTC，在保持高润湿性的同时，将刻蚀表面浸泡在5wt％的稀硫酸中，将纳米草从多孔表面去除，铜粉表面覆盖了高密度微腔结构，形成复合微腔多孔曲面微通道结构。
进一步地，步骤S1中，所述干燥方式为真空干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为4h。
进一步地，步骤S2中，所述球磨时间为15-30min，球磨转速为150-250r/min。
进一步地，步骤二中，曲面凸型石墨模具由微细线切割加工成形，线切割采用钼丝直径0.1mm，其尺寸精度控制在±0.01mm。
进一步地，步骤三中，所述真空烧结温度为900℃，烧结时间为40min。
进一步地，步骤四中，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮，刻蚀液为NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:H2O＝3.75:5:10:10。
进一步地，步骤五中，所述去除表面纳米结构的溶液为5wt％的稀硫酸。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法，以氯化钠造孔剂颗粒和50-75μm、75-100μm或100-150μm铜粉以4：6的体积比压制成型，或者直接铜粉松装烧结，经过铺放、合并、烧结、清洗脱除造孔剂、氧化刻蚀、化学清洗的步骤形成复合微腔多孔曲面微通道结构，石墨模具简单易造，可重复利用，氯化钠颗粒和铜粉成本低廉，可以直接从市面购买，制作工艺简单，具有可观的应用价值。
2、本发明提供的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法，制作的复合微腔多孔曲面微通道结构不仅耦合了微通道间的高渗透率以及铜粉之间高毛细压力的优势，经过化学工艺处理之后，铜粉表面的微腔结构显著增加了成核密度点，同时明显改善了结构表面的润湿性；可以在高热通量下及时补液，进一步延迟CHF。
3、本发明提供的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构及其制备方法，其双曲柱面结构设计使得液膜铺展具有钉扎效应，钉扎效应可增大三相接触线附近的薄液膜面积，从而增大传热面积，增强传热性能。
综上，应用本发明的技术方案能够解决现有技术中的毛细蒸发受到供液所需的高芯吸流速和流向蒸发前端的热流的低热阻之间存在权衡的影响，这对在同一芯吸结构上同时优化CHF和HTC提出了巨大挑战；大多数芯吸结构需要精细的纳米加工，这对于经济高效地扩大规模以满足热管理和能源应用的大面积需求提出了挑战的问题。
基于上述理由本发明可在微电子，航空航天等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明复合微腔多孔曲面微通道结构烧结示意图。
图2为本发明复合微腔多孔曲面微通道结构液膜分布图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1-2所示，本发明提供了一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，制备得到的复合微腔多孔曲面微通道结构为一种增强传热性能的结构。复合微腔多孔曲面微通道结构耦合了微柱间的高渗透率以及铜粉之间高毛细压力的优势，具有良好的毛细性能；铜粉表面的微腔结构增加气泡成核密度以及超亲水润湿性可以延迟高热通量下的CHF，双曲面结构设计增加了液膜铺展的钉扎效应，可增大三相接触线附近的薄液膜面积，从而增大传热面积，增强传热性能。
实施例1
一种增强传热能力的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取适量氯化钠颗粒，研磨后过筛，得到粒径为15-20μm的造孔剂，干燥后备用；
步骤二：在室温条件下，分别将粒径为50-75μm的球形铜粉与造孔剂按体积比4:6混合，一起放入球磨机中进行球磨混合，得到铜粉与造孔剂的混合物；
步骤三：先将石墨模具放进石墨定型腔室中，然后将铜粉与氯化钠的混合物进行仔细填充，当铜粉与氯化钠的混合物的填充高度高于模具0.5mm时，将铜基板覆盖在铜粉与氯化钠的混合物表面，然后用盖板封住(如图1所示)，最后用夹具施加一定压力进行上下夹紧，使得铜粉与氯化钠的混合物压实，以及与铜基板密切接触；
步骤四：将模具放入真空炉内进行真空烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为40分钟，然后自然冷却至室温，得到烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物；
步骤五：依次用水、有机溶剂对烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物进行超声清洗，直至洗净内部造孔剂，得到具有一定孔隙率的多孔曲面微通道结构；
步骤六；将多孔曲面微通道结构放入烘箱，50℃加热30分钟。干燥后的样品置于碱性溶液(NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:H2O＝3.75:5:10:10)中刻蚀5min，刻蚀温度为96℃。刻蚀后的多孔表面形成一层致密的CuO纳米草结构；
步骤七：然后将刻蚀后的样品用去离子水冲洗，并在烘箱中以80℃加热60分钟。将刻蚀表面浸泡在5wt％的稀硫酸中，将纳米草从多孔表面去除，铜粉表面覆盖了高密度微腔结构，形成复合微腔多孔曲面微通道结构。
实施例2
一种增强传热能力的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取适量氯化钠颗粒，研磨后过筛，得到粒径为15-20μm的造孔剂，干燥后备用；
步骤二：在室温条件下，分别将50-75μm、75-100μm和100-150μm的球形铜粉按照比例体积比1：1：1进行混合并与造孔剂按体积比4:6继续混合，一起放入球磨机中进行球磨混合，得到铜粉与造孔剂的混合物；
步骤三：先将石墨模具放进石墨定型腔室中，然后将铜粉与氯化钠的混合物进行仔细填充，当铜粉与氯化钠的混合物的填充高度高于模具0.5mm时，将铜基板覆盖在铜粉与氯化钠的混合物表面，然后用盖板封住(如图1所示)，最后用夹具施加一定压力进行上下夹紧，使得铜粉与氯化钠的混合物压实，以及与铜基板密切接触；
步骤四：将模具放入真空炉内进行真空烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为40分钟，然后自然冷却至室温，得到烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物；
步骤五：依次用水、有机溶剂对烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物进行超声清洗，直至洗净内部造孔剂，得到具有一定孔隙率的多孔曲面微通道结构；
步骤六；将多孔曲面微通道结构放入烘箱，50℃加热30分钟。干燥后的样品置于碱性溶液(NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:H2O＝3.75:5:10:10)中刻蚀5min，刻蚀温度为96℃。刻蚀后的多孔表面形成一层致密的CuO纳米草结构；
步骤七：然后将刻蚀后的样品用去离子水冲洗，并在烘箱中以80℃加热60分钟。将刻蚀表面浸泡在5wt％的稀硫酸中，将纳米草从多孔表面去除，铜粉表面覆盖了高密度微腔结构，形成复合微腔多孔曲面微通道结构。
实施例3
一种增强传热能力的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：先将石墨模具放进石墨定型腔室中，然后将50-75μm的球形铜粉进行仔细填充，当铜粉的填充高度高于模具0.5mm时，将铜基板覆盖在铜粉表面，然后用盖板封住(如图1所示)，最后用夹具施加一定压力进行上下夹紧，使得铜粉压实，以及与铜基板密切接触；
步骤三：将模具放入真空炉内进行真空烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为40分钟，然后自然冷却至室温，得到烧结成型的铜粉块状物；
步骤四：依次用水、有机溶剂对烧结成型的铜粉块状物进行超声清洗，得到具有一定孔隙率的多孔曲面微通道结构；
步骤五；将多孔曲面微通道结构放入烘箱，50℃加热30分钟。干燥后的样品置于碱性溶液(NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:H2O＝3.75:5:10:10)中刻蚀5min，刻蚀温度为96℃。刻蚀后的多孔表面形成一层致密的CuO纳米草结构；
步骤六：然后将刻蚀后的样品用去离子水冲洗，并在烘箱中以80℃加热60分钟。将刻蚀表面浸泡在5wt％的稀硫酸中，将纳米草从多孔表面去除，铜粉表面覆盖了高密度微腔结构，形成复合微腔多孔曲面微通道结构。
实施例4
一种增强传热能力的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：先将石墨模具放进石墨定型腔室中，然后将50-75μm、75-100μm和100-150μm的球形铜粉按照体积比例1：1：1进行仔细填充，当铜粉的填充高度高于模具0.5mm时，将铜基板覆盖在铜粉表面，然后用盖板封住(如图1所示)，最后用夹具施加一定压力进行上下夹紧，使得铜粉压实，以及与铜基板密切接触；
步骤三：将模具放入真空炉内进行真空烧结，烧结温度为900℃，烧结时间为40分钟，然后自然冷却至室温，得到烧结成型的铜粉块状物；
步骤四：依次用水、有机溶剂对烧结成型的铜粉块状物进行超声清洗，得到具有一定孔隙率的多孔曲面微通道结构；
步骤五；将多孔曲面微通道结构放入烘箱，50℃加热30分钟。干燥后的样品置于碱性溶液(NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:H2O＝3.75:5:10:10)中刻蚀5min，刻蚀温度为96℃。刻蚀后的多孔表面形成一层致密的CuO纳米草结构；
步骤六：然后将刻蚀后的样品用去离子水冲洗，并在烘箱中以80℃加热60分钟。将刻蚀表面浸泡在5wt％的稀硫酸中，将纳米草从多孔表面去除，铜粉表面覆盖了高密度微腔结构，形成复合微腔多孔曲面微通道结构。
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；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构，其特征在于，为氯化钠造孔剂颗粒和铜粉压制成型，或者直接铜粉松装烧结，经过铺放、合并、烧结、清洗脱除造孔剂、氧化刻蚀、化学清洗所得结构。
2.一种制备权利要求1所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、获得造孔剂，将铜粉与造孔剂混合获得铜粉与造孔剂的混合物；
步骤二、将铜粉与造孔剂的混合物填充入模具内，封盖后通过夹具夹紧并施压；
步骤三、将步骤二中固定好的模具放入真空炉内进行真空烧结，冷却，获得烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物，之后清洗脱除造孔剂，得到多孔曲面微通道结构；
步骤四、对步骤三中得到的多孔曲面微通道结构进行超声波清洗、加热、氧化刻蚀，获得多孔表面具有CuO纳米草结构的多孔曲面微通道结构；
步骤五、对步骤四中得到的多孔曲面微通道结构进行去离子水冲洗、烘干、化学清洗，获得复合微腔多孔曲面微通道结构。
3.根据权利要求2所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，
所述步骤一的具体步骤如下：
S1、取适量氯化钠颗粒，研磨后过筛，得到粒径为15-20μm的造孔剂，干燥后备用；
S2、在室温条件下，分别将粒径为50-75μm、75-100μm或100-150μm的球形铜粉与造孔剂按体积比4:6混合，一起放入球磨机中进行球磨混合，得到铜粉与造孔剂的混合物；
所述步骤二的具体步骤如下：
先将石墨模具放进石墨定型腔室中，之后将铜粉与氯化钠的混合物进行仔细填充，当铜粉与氯化钠的混合物的填充高度高于模具0.5mm时，将铜基板覆盖在铜粉与氯化钠的混合物表面，然后用盖板封住，最后用夹具施加一定压力进行上下夹紧，使得铜粉与氯化钠的混合物压实，以及与铜基板密切接触；
所述步骤三的具体步骤如下：
将固定好的模具放入真空炉内进行真空烧结，真空炉进行程序升温到900℃之后，持续40分钟，之后自然冷却至室温，脱离石墨盖板与石墨腔室，进一步将石墨模具在烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物中缓慢划出，最后将烧结成型的铜粉与氯化钠的混合物浸入到水中，将内部造孔剂洗掉，得到多孔曲面微通道结构；
所述步骤四的具体步骤如下：
用超声波丙酮溶液清洗多孔曲面微通道结构15分钟，去除有机残留物；之后在超声波乙醇溶液中继续清洗5分钟；最后，用去离子水冲洗样品，放入烘箱，50℃加热30分钟；干燥后的样品置于碱性溶液中刻蚀5min，刻蚀温度为96℃；刻蚀后的多孔表面形成一层致密的CuO纳米草结构；
所述步骤五的具体步骤如下：
然后将刻蚀后的样品用去离子水冲洗，并在烤箱中以80℃加热60分钟；为了促进成核和增强HTC，在保持高润湿性的同时，将刻蚀表面浸泡在5wt％的稀硫酸中，将纳米草从多孔表面去除，铜粉表面覆盖了高密度微腔结构，形成复合微腔多孔曲面微通道结构。
4.根据权利要求3所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述干燥方式为真空干燥，干燥温度为50℃，干燥时间为4h。
5.根据权利要求3所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述球磨时间为15-30min，球磨转速为150-250r/min。
6.根据权利要求3所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，步骤二中，曲面凸型石墨模具由微细线切割加工成形，线切割采用钼丝直径0.1mm，其尺寸精度控制在±0.01mm。
7.根据权利要求3所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述真空烧结温度为900℃，烧结时间为40min。
8.根据权利要求3所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮，刻蚀液为NaClO2:NaOH:Na3PO4·12H2O:H2O＝3.75:5:10:10。
9.根据权利要求3所述的用于液膜沸腾的复合微腔多孔曲面微通道结构的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述去除表面纳米结构的溶液为5wt％的稀硫酸。
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