CN113731771A - 一种具有三维复合润湿性表面的微通道及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有三维复合润湿性表面的微通道及其制备方法。包括以下步骤：(1)预处理；(2)激光烧蚀；(3)超亲水表面改性：使用热碱溶液对微通道的表面进行化学腐蚀，得到具有超亲水性质的微通道；(4)超疏水表面改性：将微通道底面与侧面采用掩膜板遮掩，使顶面暴露在环境中，通过化学气相沉积，使低表面能化学物质对微通道的顶面进行改性，使其呈现为超疏水性，得到具有超亲水/超疏水复合表面的微通道。本发明具有三维复合润湿性，在流动沸腾过程中，侧面和底面的超亲水性可以增强加热面重新再润湿的能力与对流换热能力，抑制局部蒸干现象的出现，提高微通道的临界热流密度；顶部的超疏水性可以提高气化核心密度与换热能力。
Description
技术领域
本发明属于表面改性领域，具体涉及一种具有三维复合润湿性表面的微通道及其制备方法。
背景技术
随着世界经济与科技水平的发展，电子设备正朝着高度集成化与小型化发展，与此同时电子设备的功率正在不断增加，这使电子设备通常会面对高热流密度从而造成其温度分布不均匀的现象，局部热点的出现会造成电子设备性能的大幅下降，甚至影响其使用寿命与安全性。传统的散热方式如风冷、自然对流冷却已经无法满足电子设备日益增长的散热需求，因此，寻求一种新型高效的散热方式是目前亟待解决的问题。
相变换热是一种高效的换热模式，相变过程中流体从液态转变为气态时会吸收大量的汽化潜热，其传热系数通常为2500-100000W/m2·K，是强制水冷换热系数(100-20000W/m2·K)的5倍以上，更是风冷换热系数(25-250W/m2·K) 的100倍以上。而微通道相变冷却技术集微尺度效应和相变传热特性于一体，为解决高热流密度散热提供一种新的途径。相比其他冷却技术，该技术具有结构紧凑、温度均匀性好和换热系数高的优点。
表面润湿性对沸腾性能同样有重要的影响，疏水表面可以增加气化核心密度，降低沸腾起始点温度，从而有效地提高对流换热系数，但是由于疏水表面的亲气 /疏水性，气泡更容易聚集在加热表面，从而使得通道容易蒸干，达到临界热流密度，恶化传热效果。亲水表面则有利于气泡的脱离和液体的及时补充，该特性可以缓解沸腾过程中局部蒸干的现象，从而提高流动沸腾的临界热流密度，但是亲水表面的气化核心密度相对较小，气泡产生速率较低，这会使沸腾起始点延后，并且降低传热系数。因此，亲水表面与疏水表面在传热特性上有矛盾与互补之处，制备亲疏水复合表面可以综合两者之间的优点，提高传热特性的同时降低沸腾流动不稳定性。
中国专利申请公告号CN213689292U公开了一种超疏水表面减阻与沸腾换热协同性能测试装置，该发明采用了均匀润湿性表面(超疏水表面)作为流动沸腾换热的发生面，通过超疏水表面的高汽化核心密度与疏水亲气特性达到换热与减阻的协同效应。但是在实际应用中，随着热源热流密度的逐渐升高，超疏水表面因相变产生的气泡与气团会大量聚集，并且，超疏水表面的亲气性阻碍了气团的移动与排出，从而使表面发生蒸干，引发沸腾危机。
论文Effect of heterogeneous wetting surface characteristics on flowboiling performance,International Journal of Heat and Fluid Flow,70(2018)141-151中报道了将亲水区域与疏水区域复合在同一表面上，并将其作为流动沸腾换热发生面的研究成果。该论文将亲/疏水表面垂直或平行于流动方向交替排布，使亲/疏水表面在流动沸腾过程中的优势相互结合，使得流动沸腾换热特性得到了较为显著的提高。但是该研究仅在二维平面上将亲/疏水表面在流动沸腾换热过程中的优势结合，并未在三维结构上有更多的研究与应用。
中国专利申请公告号CN108225079A公开了一种顶部联通的非均匀润湿性硅基微通道相变换热器，该发明在硅基微通道上涂覆了一层亲水性的二氧化硅薄膜，并在微通道底部制备了核化穴阵列，核化穴内表面为具有疏水性的硅表面。该发明将复合润湿性应用在了三维结构中，但是其亲/疏水表面的润湿性仅仅是由材质的性质所决定的，缺少了表面粗糙度对表面润湿性和流动沸腾影响的考虑，并且，虽然疏水性的凹穴可以作为流动沸腾过程中气泡高效核化的位点，但是其也更易造成气泡的堆积从而形成局部热点，影响整个表面的温度均匀性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有三维复合润湿性的铜基微通道热沉，以解决单一润湿性表面微通道在流动沸腾过程中的气化核心密度低、受热面供液不足、微通道出口流动稳定性差、流动沸腾压降损失大等问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有三维复合润湿性表面的微通道的制备方法，采用三维微通道作为原材料，三维微通道表面均匀设有矩形凸起，两个相邻的凸起之间形成凹槽，包括以下步骤：
步骤(1)预处理：对微通道表面进行去污除油清洗，得到干净的微通道；
步骤(2)激光烧蚀：利用光纤激光器的光栅模式对微通道表面进行烧蚀，增加微通道表面的粗糙度；
步骤(3)超亲水表面改性：使用热碱溶液对微通道的表面进行化学腐蚀，得到具有超亲水性质的微通道；
步骤(4)超疏水表面改性：将微通道凹槽底面与凸起的侧面采用掩膜板遮掩，使微通道顶面即凸起的顶面暴露在环境中，通过化学气相沉积，使低表面能化学物质对微通道的顶面进行改性，使其呈现为超疏水性，侧面和底面保持原本的超亲水性，从而得到具有超亲水/超疏水复合表面的微通道。
进一步的，三维微通道的水利直径为0.3-1mm；所述的微通道热沉所用材料为紫铜，热沉厚度为1-6mm。
进一步的，步骤(1)去污除油清洗具体为：依次将样品在丙酮、稀盐酸和去离子水中清洗10±5分钟；清洗干净后，用冷风吹干，得到干净的微通道。
进一步的，步骤(2)的激光烧蚀采用的固体激光器为光纤激光器，激光波长为1.06μm；烧蚀过程中，激光器的扫描模式为面扫描，激光功率为8-40W，扫描速度为0.1-2.54m/s，扫描频率为30kHz。
进一步的，步骤(3)采用的热碱溶液具体为NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O 和去离子水以3.5～5:3～6:10～15:100的质量比，在90-100℃下混合搅拌均匀得到的。
进一步的，步骤(3)的化学腐蚀持续时间为30-60分钟。
进一步的，步骤(4)的气相沉积法具体为：将步骤(3)处理后的微通道放入真空室中，滴入5-20μL的低能表面化学物质后，利用真空泵将真空室抽气至真空环境后，密封静置沉积，沉积时间为30-60分钟，沉积后加热烘干，烘干温度为20-150℃，烘干时间为30-60分钟。
进一步的，步骤(4)所述的低表面能化学物质为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷。
进一步的，步骤(4)的掩膜板所用材料为硅胶，其对应微通道凹槽形状的加工方法为激光切割，厚度为0.3-1mm。
一种具有三维复合润湿性表面的微通道，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明制备的微通道具有三维复合润湿性，而非均匀的单一润湿性，在流动沸腾过程中，其通道侧面和底面的超亲水性可以增强加热面重新再润湿的能力与对流换热能力，并抑制局部蒸干现象的出现，提高微通道的临界热流密度；其顶部的超疏水性可以提高气化核心密度与换热能力，并且，由微通道底部到顶部存在的润湿性梯度可以有效地促进气泡的脱离与排出，从而抑制两相流动不稳定性；为日益提高的电子设备散热需求提供了一个可行的方法。
(2)本发明在表面改性过程中的激光烧蚀处理使得微通道表面具有微米尺度结构，在表面改性过程中的化学刻蚀处理使得微通道表面具有了纳米尺度结构；这种由激光烧蚀和化学腐蚀联合方法制备的微-纳米复合表面结构不仅可以增加表面粗糙度，提高流动沸腾换热面积，增加汽化核心密度，还可以增强改性后表面的稳定性、耐久性。
附图说明
图1是本发明制备的激光烧蚀后微通道表面的SEM图片，该表面具有微米结构。
图2是本发明制备的化学腐蚀后超亲水表面的SEM图片，该表面具有微/ 纳米结构。
图3是使用硅胶掩膜板放置于微通道上的示意图。
图4是本发明制备的具有三维复合润湿性表面的微通道的局部示意图。
图5是本发明制备的超亲水表面的接触角图，该表面接触角小于5度。
图6是本发明制备的超疏水表面的接触角图，该表面的接触角为155度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供了一种具有三维复合润湿性表面的微通道的制备方法，用于制备具有非单一润湿性的铜基微通道热沉，包括以下步骤：
(1)预处理：对微通道表面进行去污除油清洗，得到干净的微通道；
(2)激光烧蚀：利用光纤激光器的光栅模式对微通道表面进行烧蚀，增加微通道表面的粗糙度；
(3)超亲水表面改性：使用热碱溶液对微通道全部表面(包括微通道底面，侧面以及顶面)进行化学腐蚀，得到具有超亲水表面的微通道；
(4)超疏水表面改性：使得微通道的底面与侧面被掩膜板遮掩，通过气相沉积的方法，使低表面能化学物质只对微通道的顶面进行改性，使得呈现超疏水性，而微通道的底面和侧面保持其原本的超亲水性，从而得到超亲/超疏水复合表面的微通道。
步骤(1)所述的微通道水利直径为0.3-1mm，其加工方法为线切割技术。
步骤(1)所述的微通道热沉所用材料为紫铜，热沉厚度为1-6mm。
步骤(1)所述的清洗方法是依次将样品在丙酮、稀盐酸和去离子水中清洗 10分钟，以去除表面的油污、有机物和氧化物等杂质；清洗干净后，用冷风吹干，得到干净的微通道。
步骤(2)所述的激光烧蚀采用的固体激光器为光纤激光器，激光波长为1.06 μm。烧蚀过程中，激光器的工作模式为光栅模式，扫描模式为面扫描，激光功率为8-40W，扫描速度为0.1-2.54m/s，扫描频率为30kHz。
步骤(3)所述的热碱液为NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O和去离子水以 3.5～5:3～6:10～15:100的质量比，在90-100℃下混合搅拌均匀得到的。
步骤(3)所述的化学腐蚀持续时间为30-60分钟。
步骤(4)所述的气相沉积法是将步骤(3)处理后的微通道放入真空室中，滴入5-20μL的低能表面化学物质后，利用真空泵将真空室抽气至真空环境后，密封静置沉积，沉积时间为30-60分钟，沉积后加热烘干，烘干温度为20-150℃，烘干时间为30-60分钟。
步骤(4)所述的低表面能化学物质为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷。
步骤(4)所述的掩膜板所用材料为硅胶，其对应微通道凹槽形状的加工方法为激光切割，厚度为0.3-1mm。
实施例1
一种具有三维复合润湿性表面的微通道的制备方法，具体步骤如下：
(1)将线切割加工后的微通道热沉分别在丙酮、稀盐酸和去离子水中清洗 10分钟以去除表面残留的油污、有机溶剂和杂质等，之后用冷风机吹干，防止残留的去离子水附着在热沉表面造成的氧化。
(2)利用光纤激光器的光栅模式对清洗后的微通道表面进行烧蚀，激光器设定激光波长为1.06μm，工作模式为光栅模式，扫描模式为面扫描，激光功率为32W，扫描速度为0.2032m/s，扫描频率为30kHz。激光烧蚀在微通道表面形成微米结构(如图1)，可以有效增加微通道表面的粗糙度。
(3)使用由NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O和去离子水以3.75:5:10:100 的质量比，在95℃下混合搅拌均匀得到的热碱性溶液对微通道表面进行化学腐蚀，在步骤(2)所述的微米结构表面上进一步构造纳米结构，形成具有超亲水性的微/纳米表面(如图2)。化学腐蚀温度为95℃，腐蚀时间为30分钟。化学腐蚀结束后用去离子水将微通道表面残留的碱液冲洗干净，并用冷风吹干。
(4)将切割好的硅胶掩膜板放置于微通道上，使得微通道底面与侧面被掩膜板遮掩(如图3)，仅顶面暴露在气相沉积环境中。将配合好的微通道和掩膜板放置于真空室内，滴入20μL的1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷，之后利用真空泵将真空室抽气至真空环境后，密封静置沉积，沉积时间为60分钟。去掉掩膜板，将微通道热沉加热烘干，烘干温度为150℃，烘干时间为30分钟。最终得到了有三维复合润湿性表面的微通道(如图4)，具体表现为：微通道侧面和底面为超亲水表面，其接触角小于5°(如图5)；微通道顶面为超疏水表面，其接触角为155°(如图6)。
Claims (10)
1.一种具有三维复合润湿性表面的微通道的制备方法，其特征在于，采用三维微通道作为原材料，三维微通道表面均匀设有矩形凸起，两个相邻的凸起之间形成凹槽，包括以下步骤：
步骤(1)预处理：对微通道表面进行去污除油清洗，得到干净的微通道；
步骤(2)激光烧蚀：利用光纤激光器的光栅模式对微通道表面进行烧蚀，增加微通道表面的粗糙度；
步骤(3)超亲水表面改性：使用热碱溶液对微通道的表面进行化学腐蚀，得到具有超亲水性质的微通道；
步骤(4)超疏水表面改性：将微通道凹槽底面与凸起的侧面采用掩膜板遮掩，使微通道顶面即凸起的顶面暴露在环境中，通过化学气相沉积，使低表面能化学物质对微通道的顶面进行改性，使其呈现为超疏水性，侧面和底面保持原本的超亲水性，从而得到具有超亲水/超疏水复合表面的微通道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三维微通道的水利直径为0.3-1mm；所述的微通道热沉所用材料为紫铜，热沉厚度为1-6mm。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)去污除油清洗具体为：依次将样品在丙酮、稀盐酸和去离子水中清洗10±5分钟；清洗干净后，用冷风吹干，得到干净的微通道。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)的激光烧蚀采用的固体激光器为光纤激光器，激光波长为1.06μm；烧蚀过程中，激光器的扫描模式为面扫描，激光功率为8-40W，扫描速度为0.1-2.54m/s，扫描频率为30kHz。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)采用的热碱溶液具体为NaClO2、NaOH、Na3PO4·12H2O和去离子水以3.5～5:3～6:10～15:100的质量比，在90-100℃下混合搅拌均匀得到的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(3)的化学腐蚀持续时间为30-60分钟。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(4)的气相沉积法具体为：将步骤(3)处理后的微通道放入真空室中，滴入5-20μL的低能表面化学物质后，利用真空泵将真空室抽气至真空环境后，密封静置沉积，沉积时间为30-60分钟，沉积后加热烘干，烘干温度为20-150℃，烘干时间为30-60分钟。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述的低表面能化学物质为1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯硅烷。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(4)的掩膜板所用材料为硅胶，其对应微通道凹槽形状的加工方法为激光切割，厚度为0.3-1mm。
10.一种具有三维复合润湿性表面的微通道，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备。
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