CN109023459B - 一种双层多尺度强化沸腾的表面结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层多尺度强化沸腾的表面结构及其制备方法，包括树林状阵列多孔层，然后在其表面沉积一层具有微纳双尺度的蜂窝状多孔铜结构；所述树林状阵列多孔层采用电沉积法制备，晶枝的平均间距为1μm~2 mm，高度为1μm~5mm；所述蜂窝状多孔铜结构具有微米尺度的大孔，孔壁由铜晶枝构成，晶枝的间隙是纳米级缝隙。这种双层结构兼具蜂窝状结构成核位点多和树林状阵列结构吸液性能强的特性，从而具有更好的沸腾传热性能。双层复合多尺度强化表面是由电沉积法得到，制备简单，有很好的规模化运用的前景。

Description

一种双层多尺度强化沸腾的表面结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种双层多尺度强化沸腾表面及其制备方法，属于传热传质领域。
技术背景
强化沸腾传热是解决窄空间、大功率微电子器件散热问题的主要方法之一。机械加工结构、金属粉末烧结（CN 105180709 A）、纳米多孔结构、微纳米结构以及具有微纳复合多孔结构表面是常用的强化沸腾的技术方法。其中蜂窝状的微纳双尺度多孔结构表面（Wang, Y.-Q., Luo, J.-L., Heng, Y., Mo, D.-C., and Lyu, S.-S., Int. J. HeatMass Transf., 119, pp. 333-342, (2018)）、和树林状的多孔表面都具有良好性能的强化沸腾换热性能（Wang, Y.-Q., Lyu, S.-S., Luo, J.-L., Luo, Z.-Y., Fu, Y.-X.,Heng, Y., Zhang, J.-H., and Mo, D.-C., Appl Surf Sci, 422, pp. 388-393,(2017).）。蜂窝状的微纳双尺度多孔表面具有成核点多，壁面过热度低、传热系数高的池沸腾特点。而树林状阵列的多孔表面具有吸液能力强，CHF高的池沸腾特点，但是在沸腾过程中，其成核点较少，壁面过热度相对较高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双层多尺度强化沸腾的表面结构及其制备方法，利用蜂窝状结构提供更多的成核点同时结合树枝状阵列吸液能力强的特点，从而进一步强化沸腾表面的传热效果。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种双层多尺度强化沸腾的表面结构，包括树林状阵列多孔层，然后在其表面沉积一层具有微纳双尺度的蜂窝状多孔铜结构；所述树林状阵列多孔层采用电沉积法制备，晶枝的平均间距为1μm ~2 mm，高度为1μm ~5mm；所述蜂窝状多孔铜结构具有微米尺度的大孔，孔壁由铜晶枝构成，晶枝的间隙是纳米级缝隙，纳米级缝隙尺寸为数纳米到数百纳米之间；大孔的平均直径在1~1000 μm。
上述双层多尺度强化沸腾的表面结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）金属基体处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，然后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗若干次；
（2）金属基体预镀：为了增加所沉积的多孔铜机械强度，在沉积铜晶枝前进行预镀；
（3）树林状阵列制备：使用逐渐增大电流的方法，处理过的金属基体为阴极，在硫酸和硫酸铜为电解质的溶液中，保持电流增速一定，起始电流密度相同，反应总电量大于0C，得到的样品清洗吹干后进行热处理；
（4）蜂窝状微纳双尺度多孔铜沉积：使用恒电流的方法，铜晶枝阵列表面为阴极，在硫酸硫酸铜为电解质的溶液中，进行电沉积反应，反应总电量大于0 C。
（5）产品热处理：在还原保护气氛条件下，进行热处理，进一步增强产品机械强度。
在上述的制备方法，步骤（3）中，电流起始密度为0.01~5.0 A cm-2。
在上述的制备方法，步骤（3）中，电流起始密度增速为0.01 ~ 2000 mA cm-2 s-1。
在上述的制备方法，步骤（3）中，所述硫酸的摩尔浓度为0.01~10 M，硫酸铜的摩尔浓度为0.04 M~饱和。
在上述的制备方法，步骤（4）中，所述恒电流的电流密度为0.05 ~ 10.0 A cm-2。
在上述的制备方法，步骤（4）中，所述电沉积反应的时间为2 ~ 1800 s。
在上述的制备方法，步骤（5）中，所述热处理的温度为400~900 ℃还原气氛中烧结，增加产品机械强度。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、双层复合多尺度强化表面既具有蜂窝状微纳双尺度多孔结构气化核心多的特点，同时也具有树林状阵列表面吸液能力强的特点。从而使得双层复合多尺度表面具有更高的沸腾传热性能。
2、双层复合多尺度强化表面的两层都是由电沉积法得到，制备简单，有很好的规模化运用的前景。
附图说明
图1为多尺度强化沸腾表面孔壁SEM图（蜂窝状微纳双尺度多孔铜结构）；
图2为多尺度强化沸腾表面SEM图（从蜂窝状结构内部看到的底层的树林状阵列）；
图3为池沸腾曲线。
具体实施方式
针对传统蜂窝状微纳多尺度多孔材料在沸腾过程中膜沸腾后温度剧烈飙升的特性，本发明提出一种蜂窝状微纳双尺度多孔表面与树林状阵列表面相结合双层复合强化沸腾表面，利用蜂窝状结构提供更多的成核点结合树枝状阵列吸液能力强的特点，从而达到沸腾表面具有更高的沸腾强化效果。
下面结合具体附图和较佳实例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例1
（1）金属基体处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，让后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗3次。
（2）金属基体预镀：为了增加所沉积的铜晶枝机械强度，在沉积铜晶枝前进行预镀。预镀溶液与铜晶枝的溶液相同。预镀电流密度为0.06 A cm-2，预镀时间为3 min。
（3）树林状阵列层沉积：采用逐渐增大电流的方法，以处理过的金属基体为阴极，在配比为0.6 M CuSO4、0.2 M H2SO4的溶液中，设置电沉积条件为电流增速为2 mA cm-2 s-1，起始电流密度为0.1 A cm-2，反应总电量为180 C，来进行电沉积。
（4）蜂窝状微纳双尺度多孔铜沉积：使用恒电流的方法，铜晶枝阵列表面为阴极，在硫酸硫酸铜为电解质的溶液中，硫酸浓度为1.0 M，硫酸铜浓度为0.4 M保持电流密度为1A cm-2，反应时间为60 s。
（5）产品热处理：在还原保护气氛条件下，进行烧结，烧结温度为710 ℃，保温30min，进一步增强产品机械强度。处理完成后，其电镜图如图1和图2所示。其中，图1为蜂窝状微纳双尺度多孔铜结构，图2为从蜂窝状结构内部看到的底层的树林状阵列。从图3可以看到，该产品（双层表面）的沸腾传热性能要明显优于单纯的蜂窝表面，以及单纯的树林状阵列表面。

Claims (7)

1.一种双层多尺度强化沸腾的表面结构，其特征是：包括树林状阵列多孔层，然后在其表面沉积一层具有微纳双尺度的蜂窝状多孔铜结构；所述树林状阵列多孔层采用电沉积法制备，晶枝的平均间距为1μm~2 mm，高度为1μm~5mm；所述蜂窝状多孔铜结构具有微米尺度的大孔，孔壁由铜晶枝构成，铜晶枝的间隙是纳米级缝隙，纳米级缝隙尺寸为数纳米到数百纳米之间；大孔的平均直径在1~1000 μm；
所述双层多尺度强化沸腾的表面结构的制备方法，包括如下步骤：
（1）金属基体处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，然后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗若干次；
（2）金属基体预镀：在沉积铜晶枝前进行预镀；
（3）树林状阵列制备：使用逐渐增大电流的方法，处理过的金属基体为阴极，在硫酸和硫酸铜为电解质的溶液中，保持电流增速一定，起始电流密度相同，反应总电量大于0C，得到的样品清洗吹干后进行热处理；
（4）蜂窝状微纳双尺度多孔铜沉积：使用恒电流的方法，铜晶枝阵列表面为阴极，在硫酸和硫酸铜为电解质的溶液中，进行电沉积反应，反应总电量大于0C；
（5）产品热处理：在还原保护气氛条件下，进行热处理。
2.如权利要求1所述的表面结构，其特征在于：步骤（3）中，电流起始密度为0.01~5.0A·cm-2。
3.如权利要求1所述的表面结构，其特征在于：步骤（3）中，电流起始密度增速为0.01 ~2000mA·cm-2·s-1。
4.如权利要求1所述的表面结构，其特征在于：步骤（3）中，所述硫酸的摩尔浓度为0.01~10M，硫酸铜的摩尔浓度为0.04M~饱和。
5.如权利要求1所述的表面结构，其特征在于：步骤（4）中，所述恒电流的电流密度为0.05 ~ 10.0A·cm-2。
6.如权利要求1所述的表面结构，其特征在于：步骤（4）中，
所述电沉积反应的时间为2~ 1800 s。
7.如权利要求1所述的表面结构，其特征在于：步骤（5）中，所述热处理的温度为400~900℃还原气氛中烧结。
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