CN114459881A - 一种超润湿材料及其制作方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超润湿材料的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：通过激光平台烧蚀Ti‑6Al‑4V合金，并形成激光烧蚀样品；分析激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料。搭建飞秒微纳制造实验平台，飞秒微纳制造实验平台为产生LIPSS结构的微通道阵列的飞秒激光器。形成具有超润湿性能的微纳结构。还包括通过上述方法制成的润湿材料，以及该润湿材料在M‑cycle蒸发冷却技术中的应用。本发明构思新颖，且设计合理，通过激光器对钛铝合金的表面进行烧蚀，使得材料的表面产生变化，形成为超润材料，在完成烧蚀后，再进行材料的表面分析和筛选，得到目标超润材料。

Description

一种超润湿材料及其制作方法和应用
技术领域
本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种超润湿材料及其制作方法和应用。
背景技术
超润湿材料特性是可以让水或者其他工作液体自行铺开的物理机制。
基于上述超润湿材料的特性，超润湿材料常被用于散热冷却技术当中。
散热冷却技术中有M-cycle蒸发冷却技术。
在气候干燥的地区，可以采用蒸发冷却技术，进一步延长自然冷却运行的时间，从而实现最大限度的降低数据中心空调系统的能源消耗，按照水和空气是否直接接触，蒸发冷却技术分为直接蒸发冷却和间接蒸发冷却两种方式。
直接蒸发冷却是使空气和水直接接触，通过水的蒸发后，空气的温度会下降，其特点是对空气实现等焓加湿降温过程，送风降温的极限温度为进风的湿球温度。
使用加湿后冷却的空气可以对机房进行降温。实际使用中，可以和新风系统配合使用，当室外温度较低时，直接利用新风降温；当室外温度升高时，开启加湿系统，水蒸发后空气温度降低后，再进入机房冷却，这样可以延长自然冷却的时间和效率，适合在空气质量较好的情况下使用。
间接蒸发冷却是指通过非直接接触式换热器，将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给机房循环空气，实现空气等湿降温的过程。在这个过程中，二次空气经处理后其干球温度和湿球温度都下降了，而含湿量不变，对送风气流实现减焓等湿降温过程，送风降温的极限温度为进风的露球温度。
通过蒸发换热器隔绝室外空气，室外空气无法直接进入机房，适合在空气污染的环境下使用，冷却效率虽然低于直接蒸发技术，但是室外的污染物无法进入机房，另外蒸发过程不影响机房湿度。
目前基于M-cycle蒸发冷却技术的空调已经开始大规模商用，其主要应用场景为大型商场、电影院、办公楼等。
相较于传统的压缩式空调，M-cycle空调可有效地节省能源消耗，提高能源利用率。
目前商用的M-cycle间接蒸发冷却空调其内部的散热材料多为无纺布，由于它其硬度、耐久性(易被细菌腐蚀)和透水性(吸水性能差、蒸发效率低)不理想，成为了限制M-cycle间接蒸发冷技术效率的一关键原因，目前亟需耐久性强、润湿性能好的散热材料。
除此之外，M-cycle蒸发冷却技术还被指望用于更高温度的使用场景，例如汽车内燃机，发电厂、军舰、航母等涡轮机，提高其能源利用率和效率，然而传统的超润湿材料无法在高温下保持长久、稳定的润湿性能。
目前，超润湿材料材料的制备方法一般有气相沉积法、电化学法、等离子体刻蚀法或干刻蚀和湿刻蚀等方法，由于受到精度、制备效率和可控性等因素的影响，使得上述的几种方法制备的超润湿材料难以投入实际应用。
因此目前亟需耐高温、耐久性强、润湿性能好的散热材料，以此来开拓M-cycle蒸发冷却技术在高温领域的应用市场。
发明内容
鉴于上述超润材料制作的缺陷，本发明提供一种超润湿材料的制作方法，以通过钛铝合金制作出超润材料，进而满足M-cycle蒸发冷却技术在高温领域的应用。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高温下超润湿材料的制作方法，包括如下步骤：
通过激光平台烧蚀Ti-6Al-4V合金，并形成激光烧蚀样品；
分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料。
采用以上基础技术方案，通过激光平台对钛铝合金进行烧蚀处理，形成经过处理的烧蚀合金样品。将形成的烧蚀合金样品进行表面分析和筛选，检测其芯吸特性、高温下的沸腾和后退特性，进而筛选出所需要的超润材料。
在一些实施方式中，所述步骤通过激光平台烧蚀Ti-6Al-4V合金，并形成激光烧蚀样品，包括如下子步骤：
清洁待处理的Ti-6Al-4V合金；
搭建飞秒微纳制造实验平台；
通过飞秒激光直接烧蚀样品表面，形成具有超润湿性能的微纳结构。
本优选中，为了避免所采用的钛铝合金表面有杂质产生污染和影响，因此需要对钛铝合金进行清洁。
为了对钛铝合金的产品进行激光烧蚀处理，因此通过搭建飞秒微纳制造实验平台以实现激光烧蚀。
钛铝合金通过激光烧蚀，表面的材料结构会产生变化，因此通过飞秒激光烧蚀后，能产生超润湿性能的微纳结构。
在一些实施方式中，所述步骤清洁待处理的Ti-6Al-4V合金，包括如下子步骤：
使用化学试剂擦拭待处理的Ti-6Al-4V合金；
使用蒸馏水在超声波清洗机中清洗。
本优选中，通过化学试剂对钛铝合金进行擦拭清洁，去除量大的污染物。
通过蒸馏水在超声波清洗剂内进行清洗，进一步实现钛铝合金表面的清洁。
在一些实施方式中，所述步骤搭建飞秒微纳制造实验平台中，所述飞秒微纳制造实验平台为产生LIPSS结构的一维微通道阵列的飞秒激光器和光学器件构成的光学系统；
本优选中，具体提供了一种类型的飞秒激光器和光学器件构成的光学系统。
在一些实施方式中，所述步骤通过飞秒激光直接烧蚀样品表面，形成具有超润湿性能的微纳结构，包括如下子步骤：
设置加工参数激光通量2-10J/cm2；
设置加工参数扫描线间距100μm；
设置加工参数脉冲重复频率100-2000Hz；
设置加工参数扫描速度0.5-1.5mm/s。
本优选中，具体给出激光器用于烧蚀钛铝合金的工作参数，在上述工作参数环境下，能烧蚀出所需要的微纳结构。
在一些实施方式中，所述步骤分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料中，包括如下子步骤：
使用扫描电子显微镜分析所述激光烧蚀样品的微纳结构特征；
使用三维激光扫描显微镜分析所述激光烧蚀样品的三维轮廓特征；
使用能量色散x射线能谱探测器分析所述激光烧蚀样品的元素组成。
本优选中，具体给出了用于分析烧蚀样品表面的结构特征，以及表面的材质元素。
在一些实施方式中，所述步骤分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料中，包括如下子步骤：
设置处理所述激光烧蚀样品的处理温度为23℃～130℃；
使用高速摄像机记录样品表面去离子水毛细管流动的视频；
使用红外热像仪从顶部记录激光烧蚀样品接触去离子水后，样品表面温度变化过程。
本优选中，具体给出了钛铝合金在具体烧蚀过程中的温度范围，以及通过高速摄像机和红外热像仪来对产品表面的状态进行分析。
在一些实施方式中，所述步骤设置处理所述激光烧蚀样品的处理温度为23℃～130℃中，加热片结合温度控制器和热电偶来进行温度控制。
本优选中，具体给出了一种处理温度的控制方式。
在一些实施方式中，所述步骤使用高速摄像机记录样品表面去离子水毛细管流动的视频中，所述高速摄像机和红外相机的拍摄速率分别为1000帧/秒和100帧/秒。
本优选中，设定了高速摄像机和红外级相机的工作参数范围，以实现更好的记录和工作效果。
在一些实施方式中，所述步骤分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料中，环境空气温度为23℃，相对湿度为50％。
本优选中，限定了超润材料在后续处理中的环境温度和湿度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明构思新颖，且设计合理，通过激光器对钛铝合金的表面进行烧蚀，使得材料的表面产生变化，形成为超润材料，在完成烧蚀后，再进行材料的表面分析和筛选，得到目标超润材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为本发明中方法的主步骤示意图；
图2为本发明中方法的一子步骤示意图；
图3为本发明中方法的一子步骤示意图；
图4为本发明中方法的一子步骤示意图；
图5为本发明中方法的一子步骤示意图；
图6为本发明中方法的一子步骤示意图；
图7a为本发明中用于生产LIPSS结构微柱阵列的飞秒激光装置示意图；
图7b为本发明中对铝钛合金烧蚀成品的实验和分析装置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
一种超润湿材料的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
S100、通过激光平台烧蚀Ti-6Al-4V合金，并形成激光烧蚀样品。
激光烧蚀钛铝合金，使得钛铝合金的表面产生化学变化。
本方案中，所采用的钛铝合金包括钛、铝和钒，具体的结构为Ti-6Al-4V。该合金通过激光烧蚀会产生材料变性。
上述钛铝合金在不同的暴露环境中，与激光产生不同的化学反应。
涉及到的相应装置和处理布局如图7a所示。
S200、分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料。
钛铝合金在通过烧蚀后，由于不同的环境和条件下产生的效果不同，因此需要对烧蚀完成的材料进行分析和筛选。
基于对超润材料的需要。因此需要对烧蚀产品的表面进行分析，具体包括芯吸特性，及高温下的沸腾和后退特性，观测其是否满足超润材料的条件和性能。
涉及到的相应装置和处理布局如图7b所示。
在一些实施方式中，如图2所示，所述步骤S100包括如下子步骤：
S110、清洁待处理的Ti-6Al-4V合金。
为了避免合金表面杂质对加工的影响，因此在对钛合金进行烧蚀处理之前，需要对钛合金表面进行处理。
进一步地，如图3所示，所述步骤S110包括如下子步骤：
S111、使用化学试剂擦拭待处理的Ti-6Al-4V合金。
通过化学试剂的溶解特性，去除钛合金表面的杂质，在具体实施时，可以采用酒精进行擦拭处理。
S112、使用蒸馏水在超声波清洗机中清洗。
超声波清洗机具有清洗效果好，无损伤的优点。因此通过超声波清洗机能进一步提升清洗效果，以及避免损伤。
在具体实施时，上述蒸馏水采用40℃的蒸馏水，且在超声波清洗机的内部清洗时间为30min-60min。
S120、搭建飞秒微纳制造实验平台。
在具体实施时，选择飞秒微纳制造实验平台实现激光烧蚀，以达到所需要的激光烧蚀效果。
S130、通过飞秒激光直接烧蚀样品表面，形成具有超润湿性能的微纳结构。
在具体实施时，通过激光对钛铝合金的表面进行烧蚀处理，钛铝合金在激光的作用下，形成为具有超润湿性能的微纳结构，以形成为目标材料。
在一些实施方式中，所述步骤搭建飞秒微纳制造实验平台中，所述飞秒微纳制造实验平台为产生LIPSS结构的一维微通道阵列的飞秒激光器和光学器件构成的光学系统。
在具体实施时，具体选择了一种类型的飞秒激光器实现烧蚀和光学器件构成的光学系统。
在一些实施方式中，如图3所示，所述步骤S130包括如下子步骤：
S131、设置加工参数激光通量2-10J/cm2；
S132、设置加工参数扫描线间距100μm；
S133、设置加工参数脉冲重复频率100-2000Hz；
S134、设置加工参数扫描速度0.5-1.5mm/s。
以上给出了用于烧蚀样品所需的具体参数。所涉及的参数类型包括有激光通量、扫描线间距、脉冲重复频率和扫描速度。
在上述各类型的参数及指标的范围内，可以实现良好的烧蚀效果。
在一些实施方式中，如图5所示，所述步骤S200中，包括如下子步骤：
S210、使用扫描电子显微镜分析所述激光烧蚀样品的微纳结构特征；
S220、使用三维激光扫描显微镜分析所述激光烧蚀样品的三维轮廓特征；
S230、使用能量色散x射线能谱探测器分析所述激光烧蚀样品的元素组成。
为了分析和评价被烧蚀后的钛铝合金表面的变性状态，进而判断是否满足超润材料的特性。因此在优选的实施方式中，通过扫描电子显微镜、三维激光扫描显微镜和能量色散X射线能谱探测器来对钛铝合金的表面进行分析。
在一些实施方式中，如图6所示，所述步骤S200中，包括如下子步骤：
S201、设置处理所述激光烧蚀样品的处理温度为23℃～130℃；
S202、使用高速摄像机记录样品表面去离子水毛细管流动的视频；
S203、使用红外热像仪从顶部记录激光烧蚀样品接触去离子水后，样品表面温度变化过程。
为了分析和评价被烧蚀后的钛铝合金变性状态，以及保证烧蚀的效果。将激光烧蚀的环境温度设定为23℃～130℃。同时，通过高速摄像机和红外热像仪对钛铝合金的表面进行观测和分析。
在一些实施方式中，所述步骤S201中，加热片结合温度控制器和热电偶来进行温度控制。
本优选的实施方式中，通过设置温度控制器和热电偶来进行温度控制，效果良好。
在一些实施方式中，通过以上方法通过钛铝合金制作超润材料。
在一些实施方式中，通过制作的超润材料，将超润材料应用于M-cycle蒸发冷却技术。
通过上述方法制作的超润材料，是在高温下(130℃)能保持超润湿性能的Ti-6Al-4V合金，可用于散热领域，作为内部的液体运输元件，提高换热效率，增强散热能力和能源利用率，可用于光伏领域，材料具有极高热辐射率，能够有效地将热转换为其他能源形式。
通过上述方法制作的超润材料具体应用有内燃机、涡轮机、热管、M-cycle空调、微流体运输、海水淡化、太阳能发电等。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超润湿材料的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过激光平台烧蚀Ti-6Al-4V合金，并形成激光烧蚀样品；
分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料。
2.根据权利要求1所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤通过激光平台烧蚀Ti-6Al-4V合金，并形成激光烧蚀样品，包括如下子步骤：
清洁待处理的Ti-6Al-4V合金；
搭建飞秒微纳制造实验平台；
通过飞秒激光直接烧蚀样品表面，形成具有超润湿性能的微纳结构。
3.根据权利要求2所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤清洁待处理的Ti-6Al-4V合金，包括如下子步骤：
使用化学试剂擦拭待处理的Ti-6Al-4V合金；
使用蒸馏水在超声波清洗机中清洗。
4.根据权利要求2所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤搭建飞秒微纳制造实验平台中，所述飞秒微纳制造实验平台为产生LIPSS结构的一维微通道阵列的飞秒激光器。
5.根据权利要求4所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤通过飞秒激光直接烧蚀样品表面，形成具有超润湿性能的微纳结构，包括如下子步骤：
设置加工参数激光通量2-10J/cm2；
设置加工参数扫描线间距100μm；
设置加工参数脉冲重复频率100-2000Hz；
设置加工参数扫描速度0.5-1.5mm/s。
6.根据权利要求1所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料中，包括如下子步骤：
使用扫描电子显微镜分析所述激光烧蚀样品的微纳结构特征；
使用三维激光扫描显微镜分析所述激光烧蚀样品的三维轮廓特征；
使用能量色散x射线能谱探测器分析所述激光烧蚀样品的元素组成。
7.根据权利要求1所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤分析所述激光烧蚀样品的芯吸特性，以及高温下的沸腾和后退特性，以筛选出目标超润湿材料中，包括如下子步骤：
设置处理所述激光烧蚀样品的处理温度为23℃～130℃；
使用高速摄像机记录样品表面去离子水毛细管流动的视频；
使用红外热像仪从顶部记录激光烧蚀样品接触去离子水后，样品表面温度变化过程。
8.根据权利要求7所述的超润湿材料的制作方法，其特征在于，所述步骤设置处理所述激光烧蚀样品的处理温度为23℃～130℃中，加热片结合温度控制器和热电偶来进行温度控制。
9.一种超润材料，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的方法制成。
10.一种超润材料的应用，其特征在于，采用如权利要求9所述的超润材料应用于M-cycle蒸发冷却技术。
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