CN116288311B - 一种蒸汽腔毛细芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种蒸汽腔毛细芯及其制备方法，所述制备方法包括：取金属基板，在所述金属基板上制备金属氧化物纳米结构层；将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层的所述金属基板、多巴胺和反应促进剂置于溶剂中形成聚合反应体系，反应预设时间，以在所述金属氧化物纳米结构层表面形成聚多巴胺层；将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层和所述聚多巴胺层的所述金属基板进行最终加热处理，得到蒸汽腔毛细芯。与现有技术相比，本发明制备的蒸汽腔毛细芯具有更加优异的相变传热性能。
Description
技术领域
本发明涉及相变技术领域，具体而言，涉及一种蒸汽腔毛细芯及其制备方法。
背景技术
随着平板电脑、手机和发光二极管等不同类型电子设备功率增加，热流在有限空间急剧增加，从而容易引发设备烧毁。热管理已成为关乎设备安全、可靠性和高性能的一个具有挑战性的问题。蒸汽腔与热管类似，利用液体的相变传热，将电子器件的热量散发出去。相同条件下采用气液相变方式散热可以传输更多热量，因此采用蒸汽腔传热应用于解决电子产品散热问题是有效可靠的。
毛细芯是决定蒸汽腔整体散热性能的关键部件。毛细芯可分为金属基底或金属基底与导热涂层的结合结构，金属基底上的导热涂层可以进一步提高毛细芯的传热性能。随着电子设备的不断小型化和功能高度集成化，对蒸汽腔室的散热性能提出了更高的要求，现有的毛细芯，由于导热涂层的传热性能不佳，已经无法满足散热要求更高的电子设备的需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是随着电子设备的不断小型化和功能高度集成化的发展，对蒸汽腔室的散热性能提出了更高的要求，现有的毛细芯，由于导热涂层的传热性能不佳，已经无法满足散热要求更高的电子设备的需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种蒸汽腔毛细芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、取金属基板，在所述金属基板上制备金属氧化物纳米结构层；
步骤S2、将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层的所述金属基板、多巴胺和反应促进剂置于溶剂中形成聚合反应体系，反应预设时间，以在所述金属氧化物纳米结构层表面形成聚多巴胺层；
步骤S3、将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层和所述聚多巴胺层的所述金属基板进行最终加热处理，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到蒸汽腔毛细芯。
优选地，所述步骤S1中，所述金属基板为铜基板，所述铜基板上制备的所述金属氧化物纳米结构层为CuO纳米块层。
优选地，所述步骤S1中，在所述铜基板上制备所述CuO纳米块层的方法包括：将所述铜基板置于碱性溶液中，加热处理。
优选地，所述步骤S1中，所述加热处理的温度为60-90℃，时间为10-14h。
优选地，所述步骤S1中，所述金属基板为铝基板，所述铝基板上制备的所述金属氧化物纳米结构层为氧化铝纳米棒层；在所述铝基板上制备所述氧化铝纳米棒层的方法包括：将所述铝基板置于水中，在60-90℃下加热10-14h。
优选地，所述步骤S1中，所述金属基板为钛基板，所述钛基板上制备的所述金属氧化物纳米结构层为二氧化钛纳米管层；在所述钛基板上制备所述二氧化钛纳米管层的方法包括：以所述钛基板为阳极，以铂片为对电极，使用含有NH4F和H2O的乙二醇溶液作为电解液，在电压20-60V下，进行阳极氧化处理，在所述钛基板上得到二氧化钛纳米管层，其中，所述电解液中NH4F的质量分数为0.2％-0.4％，H2O的体积分数为8％-12％。
优选地，所述步骤S2中，所述反应促进剂为三羟甲基氨基甲烷，所述预设时间为22-26h。
优选地，所述步骤S3中，所述最终加热处理的环境为真空或氮气氛围，温度为500-900℃，时间为0.5-1.5h。
优选地，所述步骤S2中，所述溶剂为乙醇和水组成的溶剂。
本发明还提供了一种蒸汽腔毛细芯，采用如上所述的蒸汽腔毛细芯的制备方法制得。
与现有技术相比，本发明制备的蒸汽腔毛细芯的表面为分布规则的N掺杂碳纳米层，N掺杂碳纳米层与N掺杂石墨烯的结构类似，有助于增强表面导热性能和沸腾换热性能。另外，N掺杂碳纳米层为纳米尺度结构，能够增加金属基板的表面粗糙度，金属基板的表面粗糙度的增加，一方面，使得气泡成核位点密度增加，气泡成核位点密度增加也意味着传热过程中热流密度增加，因而临界热流密度增强；另一方面，有助于增大金属基板表面的润湿性，在沸腾传热过程中，润湿性增加有利于液体对于干燥位点的再润湿，防止气泡在干燥位点的合并和扩展，推迟了膜态沸腾，也导致了临界热流密度增强。综上所述，发明制备的蒸汽腔毛细芯具有更加优异的相变传热性能，蒸汽腔毛细芯表面的临界热流密度(CHF)达到102.8Wcm-2，表面传热系数达到60.6kW m-2K-1。
附图说明
图1为本发明实施例中制备蒸汽腔毛细芯工艺流程图；
图2为当金属基板为铜基板时，本发明实施例中蒸汽腔毛细芯的制备过程示意图；
图3为当金属基板为铜基板时，本发明实施例中蒸汽腔毛细芯的制备过程中多巴胺聚合反应以及最终加热处理发生的反应示意图；
图4为N掺杂碳纳米块层结构表面增强传热性能机理图；
图5为实施例1中制得的蒸汽腔毛细芯的SEM图片；
图6为实施例1中铜基板、制备的CuO@Cu和制备的NC/CuO@Cu的临界热流密度(CHF)测试结果对比图；
图7为实施例1中铜基板、制备的CuO@Cu和制备的NC/CuO@Cu的传热系数(HTC)测试结果对比图；
图8本发明实施例中蒸汽腔的结构及原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
如图1所示，本发明实施例提供了一种蒸汽腔毛细芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1、取金属基板，在所述金属基板上制备金属氧化物纳米结构层；
步骤S2、将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层的所述金属基板、多巴胺和反应促进剂置于溶剂中形成聚合反应体系，反应预设时间，以在所述金属氧化物纳米结构层表面形成聚多巴胺层；
步骤S3、将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层和所述聚多巴胺层的所述金属基板进行最终加热处理，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到蒸汽腔毛细芯。
与现有技术相比，本发明实施例中制备的蒸汽腔毛细芯的表面为分布规则的N掺杂碳纳米层，N掺杂碳纳米层与N掺杂石墨烯的结构类似，有助于增强表面导热性能和沸腾换热性能。另外，N掺杂碳纳米层为纳米尺度结构，能够增加金属基板的表面粗糙度，金属基板的表面粗糙度的增加，一方面，使得气泡成核位点密度增加，气泡成核位点密度增加也意味着传热过程中热流密度增加，因而临界热流密度增强；另一方面，有助于增大金属基板表面的润湿性，在沸腾传热过程中，润湿性增加有利于液体对于干燥位点的再润湿，防止气泡在干燥位点的合并和扩展，推迟了膜态沸腾，也导致了临界热流密度增强。本发明制备的蒸汽腔毛细芯具有更加优异的相变传热性能，蒸汽腔毛细芯表面的临界热流密度(CHF)达到102.8Wcm-2，表面传热系数达到60.6kW m-2K-1。
本发明的实施例中，示例性地，所述步骤S2中，所述溶剂为乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂。
本发明的实施例中，示例性地，所述步骤S2中，所述反应促进剂为三羟甲基氨基甲烷(Tris)。
本发明的实施例中，之所以首先在金属基板上制备一层金属氧化物纳米结构层，是由于聚多巴胺(PDA)与金属氧化物纳米结构层之间具有良好的亲和力。
在沸腾传热过程中，气泡在核态沸腾(ONB)开始形成。随着时间的推移，越来越多的气泡周期性地成核、长大、聚并和脱离热点。汽泡的脱离不仅可以带走大量的热量，还可以使液体内部产生明显的运动，有利于对流换热，导致热流密度和换热系数(HTC)急剧增加。HTC定义为热流密度除以过热度，表示不同过热度下的散热能力。沸腾曲线的最高点为临界热流密度(CHF)。在CHF以上，壁面过热度突然增大且失控，会对散热系统造成不可逆的破坏。本发明中制备蒸汽腔毛细芯之所以能够提高CHF主要是由于：N掺杂碳纳米层为纳米尺度结构，能够增加金属基板的表面粗糙度，金属基板的表面粗糙度的增加，一方面，使得气泡成核位点密度增加，气泡成核位点密度增加也意味着传热过程中热流密度增加，因而临界热流密度(CHF)增强；另一方面，有助于增大金属基板表面的润湿性，在沸腾传热过程中，润湿性增加有利于液体对于干燥位点的再润湿，防止气泡在干燥位点的合并和扩展，推迟了膜态沸腾，也导致了临界热流密度(CHF)增强。
本发明的实施例中，所述金属基板包括铜基板、铝基板和钛基板中的一种。
本发明实施例中，当金属基板为铜基板时，如图2和图3所示，蒸汽腔毛细芯的制备方法如下：
将铜基板置于0.01-0.1mol/L的NaOH溶液中，加热处理，得到表面覆盖有氧化铜纳米块层的铜基板(CuO@Cu)。其中，NaOH溶液也可以由其它碱性溶液替代，如KOH溶液、RbOH溶液和CsOH溶液等；加热处理的温度为60-90℃，时间为10-14h；优选地，加热处理的温度为60-90℃，时间为12h。
将表面覆盖有氧化铜纳米块层的铜基板(CuO@Cu)和多巴胺(DOPA)置于40ml乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂中，加入三羟甲基氨基甲烷(Tris)，反应预设时间，得到表面覆盖有氧化铜纳米块层、聚多巴胺层的铜基板(PDA/CuO@Cu)。其中，多巴胺的加入量为1-50mg，三羟甲基氨基甲烷(Tris)的加入量为0.01-0.1g，预设时间为22-26h，优选地，预设时间为24h。
将表面覆盖有氧化铜纳米块层、聚多巴胺层的铜基板(PDA/CuO@Cu)进行最终加热处理，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到表面覆盖有氧化铜纳米块层、N掺杂碳纳米层的铜基板(NC/CuO@Cu)。其中，所述最加终热处理的环境为氮气氛围，温度为500-900℃，时间为0.5-1.5h。之所以将所述最终加热处理的温度设置为500-900℃，是为了确保金属基底不被高温破坏的同时，尽可能的提高N掺杂碳纳米层的石墨化程度，从而提高N掺杂碳纳米层的热导率。优选地，所述最终加热处理的环境为氮气氛围，温度为500-900℃，时间为0.5-1.5h。
当金属基板为铜基板时，采用上述方法制备的蒸汽腔毛细芯的表面为N掺杂碳纳米块层，该N掺杂碳纳米块层结构提供了丰富的面内散热路径(如图4所示)，热量沿纳米层材料面内向上传输，更有利减少热阻，从而提高材料的传热性能。
本发明实施例中，当金属基板为铝基板时，蒸汽腔毛细芯的制备方法如下：
将铝基板置于水中，加热处理，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层的铝基板。其中，加热处理的温度为60-90℃，时间为10-14h；优选地，加热处理的温度为60-90℃，时间为12h。
将表面覆盖有氧化铝纳米棒层的铝基板和多巴胺(DOPA)置于40ml乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂中，加入三羟甲基氨基甲烷(Tris)，反应预设时间，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层、聚多巴胺层的铝基板。其中，多巴胺的加入量为1-50mg，三羟甲基氨基甲烷(Tris)的加入量为0.01-0.1g，预设时间为22-26h，优选地，预设时间为24h。
将表面覆盖有氧化铝纳米棒层、聚多巴胺层的铝基板进行最终加热处理，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层、N掺杂碳纳米层的铝基板。其中，所述最终加热处理的环境为氮气氛围，加热采用高功率连续激光器进行加热，激光功率1-5kW，时间为0.5-1.5h。之所以采用所述连续激光加热，是为了确保金属基底不被高温破坏的同时，尽可能的提高N掺杂碳纳米层的石墨化程度，从而提高N掺杂碳纳米层的热导率。优选地，所述最终加热处理的环境为真空环境，激光功率2-5kW，时间为1h。
本发明实施例中，当金属基板为钛基板时，蒸汽腔毛细芯的制备方法如下：
以钛基板为阳极，以铂片为对电极，使用含有NH4F和H2O的乙二醇溶液作为电解液，在电压20-60V下，进行阳极氧化处理，得到表面覆盖有二氧化钛纳米管层的钛基板。其中，所述电解液中NH4F的质量分数为0.2％-0.4％，H2O的体积分数为8％-12％。
将表面覆盖有二氧化钛纳米管层的钛基板和多巴胺(DOPA)置于40ml乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂中，加入三羟甲基氨基甲烷(Tris)，反应预设时间，得到表面覆盖有二氧化钛纳米管层、聚多巴胺层的钛基板。其中，多巴胺的加入量为1-50mg，三羟甲基氨基甲烷(Tris)的加入量为0.01-0.1g，预设时间为22-26h，优选地，预设时间为24h。
将表面覆盖有二氧化钛纳米管层、聚多巴胺层的钛基板进行最终加热处理，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层、N掺杂碳纳米层的钛基板。其中，所述最终加热处理的环境为氮气氛围，温度为500-900℃，时间为0.5-1.5h。之所以将所述最终加热处理的温度设置为500-900℃，是为了确保金属基底不被高温破坏的同时，尽可能的提高N掺杂碳纳米层的石墨化程度，从而提高N掺杂碳纳米层的热导率。优选地，所述最终加热处理的环境为氮气氛围，温度为500-900℃，时间为0.5-1.5h。
本发明实施例还提供了一种蒸汽腔毛细芯，采用如上所述的蒸汽腔毛细芯的制备方法制得。
本发明实施例还提供了一种蒸汽腔，包括如上所述的蒸汽腔毛细芯，示例性地，如图8所示为蒸汽腔的结构及原理示意图，从图中可以看出，蒸汽腔的底部为附着有碳纳米块的蒸汽腔毛细芯，图中蒸汽腔最底端的朝上的两个平行箭头代表热源，中间的弯曲的细箭头代表汽化吸热，蒸汽腔的上部多个平行的朝下箭头代表冷凝回流放热，蒸汽腔的上部的弯曲的大箭头代表散热。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
1.1、将铜基板置于0.1mol/L的NaOH溶液中，在70℃下加热12h，得到表面覆盖有氧化铜纳米块层的铜基板(CuO@Cu)。
1.2、将表面覆盖有氧化铜纳米块层的铜基板(CuO@Cu)和25mg多巴胺(DOPA)置于40ml乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂中，加入0.1g三羟甲基氨基甲烷(Tris)，室温反应24h，得到表面覆盖有氧化铜纳米块层、聚多巴胺层的铜基板(PDA/CuO@Cu)。
1.3、将表面覆盖有氧化铜纳米块层、聚多巴胺层的铜基板(PDA/CuO@Cu)进行清洁和干燥处理，然后在600℃下、N2气氛中退火1h，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到表面覆盖有氧化铜纳米块层、N掺杂碳纳米层的铜基板(NC/CuO@Cu)。
实施例2
2.1、将铝基板置于反应釜中，加入适量的水，在70℃下加热12h，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层的铝基板。
2.2、将表面覆盖有氧化铝纳米棒层的铝基板和25mg多巴胺(DOPA)置于40ml乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂中，加入0.1g三羟甲基氨基甲烷(Tris)，室温反应24h，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层、聚多巴胺层的铝基板。
2.3、将表面覆盖有氧化铝纳米棒层、聚多巴胺层的铝基板进行清洁和干燥处理，然后在真空环境中采用连续激光加热1h(激光功率2～5kW)，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到表面覆盖有氧化铝纳米棒层、N掺杂碳纳米层的铝基板。
实施例3
3.1、以钛基板为阳极，以铂片为对电极，使用含有NH4F和H2O的乙二醇溶液作为电解液，采用恒压控制的直流电源在电压20-60V下，进行阳极氧化处理，得到表面覆盖有二氧化钛纳米管层的钛基板。其中，所述电解液中NH4F的质量分数为0.2％-0.4％，H2O的体积分数为8％-12％。
3.2、将表面覆盖有二氧化钛纳米管层的钛基板和25mg多巴胺(DOPA)置于40ml乙醇和水(体积比1:1)组成的溶剂中，加入0.1g三羟甲基氨基甲烷(Tris)，室温反应24h，得到表面覆盖有二氧化钛纳米管层、聚多巴胺层的钛基板。
3.3、将表面覆盖有二氧化钛纳米管层、聚多巴胺层的钛基板进行清洁和干燥处理，然后在700℃下、N2气氛中退火1h，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到表面覆盖有氧化铜二氧化钛纳米管层、N掺杂碳纳米层的钛基板。
实验例
对实施例1中制备的蒸汽腔毛细芯进行表面形貌表征，得到图5所示的扫描电镜(SEM)图片，从图5可以看出实施例1中制备的蒸汽腔毛细芯表面分布有规则的碳纳米块。对实施例1中使用的铜基板、制备的CuO@Cu和制备的NC/CuO@Cu分别进行临界热流密度(CHF)和传热系数(HTC)测试，得到图6(CHF测试结果)和图7(HTC测试结果)所示的测试结果。需要说明的是图6和图7中Bare Cu系列对应铜基板，CuO600@Cu系列对应CuO@Cu，NC600/CuO12h@Cu系列对应NC/CuO@Cu。图4显示碳纳米块表面增强相变传热机制。从图6和图7可以看出，铜基板的临界热流密度(CHF)最低，为58.2Wcm-2，壁面过热(wall super heat)最高，表明其相变传热能力最差。NC/CuO@Cu表面的临界热流密度(CHF)最高，为102.8Wcm-2，比铜基板高76.6％。NC/CuO@Cu表面的传热系数(HTC)最高，为60.6kW m-2K-1，相比于铜基板(32.9kWm- 2K-1)高了84.2％。可见，本发明实施例中制备的N掺杂碳纳米层显著提高了Cu表面相变传热性能，也使得制备的蒸汽腔毛细芯具有更优的相变传热性能。
另外，需要说明的是，虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种具有相变传热性能的蒸汽腔毛细芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、取金属基板，在所述金属基板上制备金属氧化物纳米结构层；
步骤S2、将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层的所述金属基板、多巴胺和反应促进剂置于溶剂中形成聚合反应体系，反应预设时间，以在所述金属氧化物纳米结构层表面形成聚多巴胺层；
步骤S3、将覆盖有所述金属氧化物纳米结构层和所述聚多巴胺层的所述金属基板进行最终加热处理，以将所述聚多巴胺层转变为N掺杂碳纳米层，得到具有相变传热性能的蒸汽腔毛细芯；所述具有相变传热性能的蒸汽腔毛细芯表面的临界热流密度为102.8Wcm-2，表面传热系数为60.6kW m-2K-1；
其中，所述步骤S1中，所述金属基板为铜基板，所述铜基板上制备的所述金属氧化物纳米结构层为CuO纳米块层；
所述步骤S1中，在所述铜基板上制备所述CuO纳米块层的方法包括：将所述铜基板置于碱性溶液中，加热处理；
所述步骤S1中，所述加热处理的温度为60-90℃，时间为10-14h；
所述步骤S2中，所述反应促进剂为三羟甲基氨基甲烷，所述预设时间为22-26h；
所述步骤S3中，所述最终加热处理的环境为真空或氮气氛围，温度为500-900℃，时间为0.5-1.5h；
所述步骤S2中，所述溶剂为乙醇和水组成的溶剂。
2.一种具有相变传热性能的蒸汽腔毛细芯，其特征在于，采用如权利要求1所述的具有相变传热性能的蒸汽腔毛细芯的制备方法制得。
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