CN110438537B

CN110438537B - 一种高通量换热管及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN110438537B
Application number: CN201910732876.8A
Authority: CN
Inventors: 魏伟; 贾飞龙; 魏坤霞; 储富强; 杜庆柏; 胡静
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Changzhou University
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: CN110438537A

Abstract

本发明属于热交换材料领域，具体涉及一种高通量换热管及其制备方法和应用。通过阴极旋转电沉积的方法，将一种的复合材料均匀沉积在换热管的表面，获得一种高通量换热管。本发明提出的换热管的制备方法，是在电沉积过程中阴极样件匀速转动，阳极的四个极板对称环绕在工件（阴极）的周围，能够获得组织均匀致密且具有高的导热性能的沉积层，使换热管类部件的散热效率可以提高10~25%，大大提高了热交换领域部件的工作效率。

Description

一种高通量换热管及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于热交换材料技术领域，具体涉及一种高通量换热管及其制备方法和应用。

背景技术

金属基复合材料是以金属及其合金为基体，与一种或几种金属或非金属增强相人工结合成的复合材料，相比一般的复合材料，具有高的比强度、比模量、耐磨损性能、导热导电性能以及热稳定性好等特点，成为一个材料技术研究开发的重要领域。石墨烯具有优异的综合性能，电子迁移率可以达到1×10⁵cm²/Vs，杨氏模量为1TPa，抗拉强度为130GPa，热导率为5300W/(m·K)；同时，石墨烯是一种SP₂杂化的蜂窝状晶格结构，这些优异的结构与性能使石墨烯成为金属基复合材料增强相的最佳选择之一。

金属基石墨烯复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、水热合成法、电化学沉积法等。粉末冶金法具有成本低、产量高、工艺简单等特点，但容易混入杂质并存在宏观缺陷；水热合成法可以获得高质量的增强体分散均匀的金属基石墨烯复合材料，但成本高、工艺复杂、产量低；电化学沉积法具有工艺效率高、沉积层可控、成本低等特点。

换热管是换热器的元件，用于两介质之间的热量交换，具有良好的导热性能与等温性能，在热传递的过程中损耗较小，常见的换热材料有铜、铜合金、铝合金、石墨等。一般的高通量换热管是一种通过粉末冶金法在换热管表面烧结一层具有特定结构的多孔高效换热管，它的导热性能要优于普通的换热管。随着科学技术的发展，对材料的性能提出了越来越高的要求，传统的换热管的性能已经难以满足实际需求，迫切需要开发一种高效的高通量换热管制备方法。

发明内容

在现有电沉积的基础上，本发明提出了一种高通量换热管的制备方法，解决了目前换热管导热性能满足不了工程应用要求的问题。本发明提出的阴极旋转电沉积的新方法，将石墨烯/金属基复合材料均匀沉积在换热管基管层表面，获得一种新型的高通量换热管，不仅具有电沉积方法的优点，而且具有稳定的高质量沉积层、第二相分布均匀、工艺高效可控等特点。

本发明的技术方案是：

首先，配置铜基石墨烯复合材料沉积液，配置方法为：

（1）配置石墨烯悬浮液，加入聚二硫二乙烷磺酸钠（沪试），进行磁力搅拌，搅拌速度为3000rpm，时间为40min。

（2）配置五水硫酸铜溶液，加入氯离子（添加氯化钠、氯化锌或三氯化铬中的任意一种以提供氯离子），进行机械搅拌500r/min，时间为20min。

（3）将石墨烯悬浮液加入五水硫酸铜溶液中，在水浴锅中进行高速匀质分散，水浴锅温度为65℃，匀质分散速度为5000r/min，时间为40min，得到最终的复合电沉积液。

上述电沉积液的组成为：CuSO₄·5H₂O浓度100~220g/L，石墨烯片 (Gr)浓度0.05~0.3g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度25~50mg/L，氯离子（Cl^-）浓度10~30mg/L（氯化钠、氯化锌或三氯化铬中的任意一种），余量为去离子水。

其次，对换热管表面进行酸洗处理，使用5%的稀盐酸溶液进行浸泡或清洗10分钟，除去表面的油垢与氧化膜。

再次，用配置好的电沉积液，使用脉冲电沉积法在水浴锅中对换热管进行阴极旋转电沉积，获得均匀的高质量沉积层。

所述电沉积工艺参数：工艺温度为45~65℃，pH=0.5~3.5（通过硫酸进行pH的调控），电沉积电位1~3V/-0.1~-0.5V（10ms on / 5ms off），通过电机控制阴极旋转速度为20r~180r。

最后，将获得的换热管放在干燥箱进行干燥24h，温度为50℃。

上述方法制备的高通量换热管包括沉积层和基管层（基管为钢），所述沉积在换热管外表面的沉积层厚度占换热管管壁总厚度（指的是基管层和沉积层厚度之和）的10%~30%。

上述方法制备的高通量换热管应用在换热、散热和冷却设备领域。

本发明主要优点是：

（1）本发明提供了一种新型的沉积液配方：聚二硫二乙烷磺酸钠和氯离子的加入可以有效改善基体与材料之间的润湿性，提高结合强度；同时，提高增强体的分散性，有利于第二相的均匀分布；氯离子的加入可以提高沉积层表面质量，提高表面光亮度和平整性。

（2）一种优化的电沉积工艺参数：合适的制备温度、最佳的电位、开关时间（ms）及pH。

（3）一种新的电沉积方法，在电沉积过程中阴极旋转，阳极为四个阳极板，分布在阴极样件的四个方向，这样可以获得厚度均匀致密的电沉积层。

（4）一种新型的电沉积液处理方式，用高速匀质分散机、磁力搅拌器等高速处理方式，进一步提高溶质的分散性，有益于第二相的均匀分布、高质量的镀层表面等。

（5）获得导热性能优异的高通量换热管，沉积层与换热管外表面的结合性优良，热稳定性好，沉积层的热导率可以达到600W/(m·k)，换热管的散热效率可以提高10%~25%。

附图说明

图1为外表面沉积型高通量换热管制备方法简图。1—电沉积溶液，2—阳极板×4，3—阴极样件，4—电动搅拌机，5—脉冲工作电源。

图2为外表面沉积型高通量换热管结构图；1—光管段，2—沉积层，3—基管层。

图3为换热管表面的石墨烯/铜复合沉积层图片（实施例3）。

图4为沉积层SEM及EDS能谱图（实施例3）。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述，以下实施例均以电沉积时间为4h为例，描述电沉积液配方和电沉积工艺参数对换热管性能的影响：

实施例1

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度50mg/L，氯离子浓度10mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为45℃，pH=3.5，阴极旋转速度为60r/min，脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10ms on/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面平整，表面暗沉，致密性较差，厚度占比为24%，所制备的沉积层的热导率可以达到456W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了10%。

实施例2

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度40mg/L，氯离子浓度20mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH=2.5，阴极旋转速度为60r/min；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10ms on/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面平整均匀，表面暗沉，致密性一般，厚度占比为25%，所制备的沉积层的热导率可以达到509W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了15%。

实施例3

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH=1.5，阴极旋转速度为60r/min；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10ms on/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面平整均匀，表面光亮，致密性良好，厚度占比为30%，所制备的沉积层的热导率可以达到600W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了25%。

图3是按实施例3制备的沉积层样品，表面光亮、平整、致密；

图4是实施例3沉积层的SEM和EDS谱图，可以看到沉积层组织致密，石墨烯均匀的分散在沉积层中。

实施例4

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度25mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为65℃，pH=1，阴极旋转速度为60r/min；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10mson/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面有较多颗粒凸起，致密性良好，厚度占比为25%，所制备的沉积层的热导率可以达到564W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了20%。

实施例5

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH=1.5，阴极旋转速度为60r/min；脉冲电沉积的电参数为：1V/-0.1V（10ms on/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面有少量孔洞，致密性一般，厚度占比为10%，所制备的沉积层的热导率可以达到562W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了10%。

对比实施例1

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH=1.5，阴极旋转速度为60r/min；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10ms on/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下所沉积得的沉积层表面具有较多毛刺以及少量孔洞，致密性较差，厚度占比为26%，所制备的沉积层的热导率可以达到343W/(m·K)，高通量换热管散热效率低于普通换热管，散热效率降低了5%。

对比实施例2

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH=1.5，阴极无旋转；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10ms on/5msoff）。这种情况以及该工艺条件下换热管外壁的沉积层凹凸不平且不致密，致密性较差，平均厚度占比为20%，所制备的沉积层的热导率可以达到432W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了8%。

对比实施例3

铜基石墨烯复合材料电沉积液的成分配比为；五水硫酸铜120g/L，石墨烯0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；沉积液的工艺环境是：温度为55℃，pH=1.5，阴极旋转速度为60r/min，单阳极板；脉冲电沉积的电参数为：3V/-0.5V（10ms on/5ms off）。这种情况以及该工艺条件下换热管外壁的沉积层凹凸不平且不致密，平均厚度占比为26%，所制备的沉积层的热导率可以达到442W/(m·K)，高通量换热管散热效率提高了9%。

所述实例皆为本发明优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高通量换热管的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：首先使用5%的稀盐酸溶液浸泡或清洗换热管表面10分钟，除去表面的油垢与氧化膜，然后在水浴锅中采用阴极旋转电沉积的方法，将复合电沉积液均匀沉积在换热管的表面，得到高通量换热管;

其中，复合电沉积液的配方为：CuSO₄·5H₂O浓度120g/L，石墨烯片浓度0.24g/L，聚二硫二乙烷磺酸钠浓度25~30mg/L，氯离子浓度30mg/L，余量为去离子水；

所述电沉积工艺参数：工艺温度为55~65℃，pH=1.0~1.5，电沉积电位1~3V/-0.1~-0.5V，10ms on / 5ms off；电沉积过程中进行阴极旋转，阴极样件的旋转速度是20~180r/min。

2.根据权利要求1所述的高通量换热管的制备方法，其特征在于：阴极旋转电沉积过程中阳极的四个极板对称环绕在阴极的周围。

3.根据权利要求1所述的高通量换热管的制备方法，其特征在于，所述复合电沉积液的配置方法如下：

（1）配置石墨烯悬浮液，加入聚二硫二乙烷磺酸钠，进行磁力搅拌，搅拌速度为1500rpm，时间为40min；

（2）配置五水硫酸铜溶液，加入氯离子，进行机械搅拌500r/min，时间为20min；

4.一种根据权利要求1所述方法制备的高通量换热管，其特征在于：所述换热管包括沉积层和基管层，所述沉积在换热管外表面的沉积层厚度占换热管管壁总厚度的10%~30%。

5.一种根据权利要求1所述方法制备的高通量换热管的应用，其特征在于：所述制备的高通量换热管应用在换热、散热和冷却设备领域。