CN203080040U - 一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构 - Google Patents

一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构 Download PDF

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沈玉琴
缪利梅
唐彪
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Abstract

本实用新型公开了一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构，包括金属基体，金属基体上具有双连续的纳米多孔结构；纳米多孔结构的孔径尺寸为10nm~9μm。本实用新型成本低，操作过程简单，且通过脱合金工艺优化及后续热处理工艺可对纳米多孔金属表面结构的孔径尺寸、比表面积、表面浸润性等强化沸腾关键表面参数进行调控，以满足不同强化沸腾性能要求。

Description

一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构
技术领域
本实用新型涉及技术领域，特别涉及一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构。
背景技术
随着现代工业的进展，能源的不断消耗，节约和有效利用自然资源更广泛地受到了人们的关注。
在能源的利用和传递中，有效的强化传热过程对于提高整个传热系统的效率和降低设备的投资与运行费用至关重要。目前，强化沸腾传热的主要方法是改善传热表面结构。
多孔结构作为常用的表面结构，从20世纪60年代开始发展，现今已成为工业应用前景广泛的强化沸腾结构。传统多孔结构的制作方法中，烧结粉末法和机械加工法的强化效果最好。但是，粉末烧结法沸腾严重滞后，加工能耗大，机械加工法孔隙率小，加工尺寸要求严格。
随着微纳米技术的发展，强化沸腾传热的微尺度多孔表面逐渐受到人们的关注。微纳米尺度多孔结构的存在可以有效提高加热壁面的比表面积、改变固液界面的浸润特性、提高汽泡成核密度及脱离频率，从而提高沸腾换热能力。强化传热沸腾的纳米多孔金属表面更是在结构稳定性、力学性能、热导率等方面具有独特的优势，具有很好的研究及应用价值。
目前，制备纳米多孔金属结构比较成熟的方法主要有模板法和脱合金法。模板法制备过程复杂、成本较高，不适合批量生产；而脱合金法主要用来制备纳米多孔块体金属材料。
因此，目前没有合适的开发低成本、易批量化的纳米多孔强化沸腾结构的制备工艺。
实用新型内容
本实用新型的实用新型目的是针对现有纳米多孔强化沸腾结构的技术不足，提供一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构。
 [0010] 为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为：
提供一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构，包括金属基体，金属基体上具有双连续的纳米多孔结构；纳米多孔结构的孔径尺寸为15nm~1um。 
优选地，所述金属基体为铜。
进一步地，提供一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构的制备方法，包括如下步骤：
1）热浸镀锌，实现表面合金化，形成Cu-Zn前驱体合金层；
2）脱合金化处理，实现Zn组分的选择性溶解，形成纳米多孔铜表面结构；
3）后续热处理。
优选地，步骤（1）中所述热浸镀锌过程为：将金属基体浸渍于500℃~540℃的锌浴中保持3min~5min，以确保金属的组分满足临界脱合金组分的要求。
优选地，所述Cu-Zn前驱体合金层主要由γ-Cu5Zn8和β-CuZn形成。
优选地，步骤（2）中所述脱合金化处理的过程为：进行化学或电化学腐蚀，通过控制电解质溶液的组分与腐蚀时间实现纳米多孔表面孔径、形貌的调节；其中，电解质溶液的组分为0.001 M/L ~0.01M/L的硫酸，电解质溶液的外加电势相对于汞—硫酸亚汞电极（MSE）的参比电极在-0.5~-0.1v，电解质溶液的温度为25℃~60℃。
优选地，步骤（3）中所述后续热处理过程为：置于氢气或氩气气氛保护烧结炉中，烧结温度为200℃~600℃，烧结时间为0.5hr~2hr，以进一步调节孔径尺寸及形貌。  
本实用新型相对于现有技术，具有以下有益效果：
本实用新型成本低，操作过程简单，且通过脱合金工艺优化及后续热处理工艺可对纳米多孔金属表面结构的孔径尺寸、比表面积、表面浸润性等强化沸腾关键表面参数进行调控，以满足不同强化沸腾性能要求。
附图说明
图1为热镀锌形成Cu-Zn前驱体合金层的示意图；
图2为脱合金化形成的纳米多孔铜表面结构的扫描电镜图；
图3为纳米多孔金属表面和光滑金属表面过热度的比较示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的实用新型目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本实用新型的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本实用新型采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。
入图1和2所示，一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构，包括铜金属基体，金属基体上具有双连续的纳米多孔结构；纳米多孔结构的孔径尺寸为10nm~9μm。
上述纳米多孔强化沸腾金属表面结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）金属基体的预处理：用质量分数5%的氢氧化钠溶液对铜基材料除脂，再用5%盐酸溶液浸洗后助镀，助镀剂配方为180 g/LZnCl2, 120g/L NH4Cl。
（2）热镀锌；将预处理后的铜基材料浸渍于540℃锌浴中2min，水冷，表面合金化形成厚约20um的Cu-Zn前驱体合金层；
（3）将表面合金化的铜基材料浸渍于5wt %NaOH溶液中脱合金化，控制反应温度为25℃，反应时间48h。
（4）将脱合金化的铜基材料用去离子水和酒精依此漂洗，并用氮气吹干。所得纳米多孔强化沸腾金属表面如图1所示，厚度约为20um，具有双连续的纳米多孔结构，结构分布均匀，如图2所示，平均孔隙尺寸为110um左右，孔隙率为此处为确切的数值，因为通过热浸镀方法获得的热浸镀层组分存在梯度33~44%，接触角约为54°，浸润性能良好，孔隙形成的通道有利于气体的逃逸，增加汽化核心的数目，表现出强化沸腾的良好效果。
如图3所示，纳米多孔金属表面的过热度明显要比同一热流密度下的光滑金属表面小，在20KW/m2时过热度减小达63.3%。
上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型内容所作的均等变化与修饰，都为本实用新型权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (1)

1.一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构，其特征在于：包括金属基体，金属基体上具有双连续的纳米多孔结构；纳米多孔结构的孔径尺寸为15nm~1um，所述金属基体为铜。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102994793A (zh) * 2012-11-12 2013-03-27 华南理工大学 一种纳米多孔强化沸腾金属表面结构及其制备方法
CN106868536A (zh) * 2015-12-13 2017-06-20 中国科学院大连化学物理研究所 二氧化碳电化学还原用多孔铜电极的制备及其电极和应用
CN110146531A (zh) * 2019-05-22 2019-08-20 中山大学 一种大尺寸双连续多孔泡沫铋及其制备方法

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