CN110842360A - 一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，属于强化换热技术领域。经济的高速发展使得高热流下的稳定散热成为了亟需解决的问题，沸腾换热作为高效稳定的换热方式已经得到了越来越多的研究。对换热表面进行微纳改良已经成为了强化换热的应用技术。但是换热性能的不能同步提升(CHF和HTC)的问题还没有得到解决。本发明提出的飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法能够同步提升表面的换热性能。
Description
技术领域
本发明涉及强化换热技术领域，具体说是通过飞秒激光拼接技术制备拼接表面实现表面换热性能提升的方法。
背景技术
随着社会的发展与工业化水平的逐步提升。大到工程用的设备仪器，小到电子器件，都在向高集成化及微尺寸方向发展，这就意味着材料本身单位尺寸所承受的能量负载越来越高，高热流状态下的稳定高效散热成为了亟需解决的问题。传统的散热方式强化对流已经不能满足如此巨大的散热需求。相比较之下，沸腾换热利用了相变过程存在的大量汽化或液化潜热来传递热量，可以产生较高的换热效率，具有极其广泛的应用前景。
对换热表面进行表面改良从而提高表面换热性能已经成为了强化换热的应用技术，越来越多技术手段被应用于改良换热表面，如：火焰喷涂、粉末烧结、热喷涂技术等。研究表明，改良表面的粗糙度、微纳结构、润湿性等都能够相应的干预表面沸腾换热的气泡动力过程从而强化表面的换热性能。
但是目前的表面改良技术还不能使得换热表面的换热性能得到同步大幅提升，例如亲水表面能够大幅度提升CHF(临界热流密度)，但同时表面的亲水性使得表面的换热系数降低。疏水表面能够大幅度的提升HTC(换热系数)，但是表面的疏水性使得表面更容易进入膜态沸腾，这使得疏水表面的CHF较低。在实际应用中，CHF和HTC都是评估表面换热性能的关键特征量，单方面的性能提升很大程度上限制了改良表面的实际应用。我们提出的飞秒激光拼接技术制备拼接表面能够同步大幅提升CHF和HTC,这为改良表面的实际应用提供了新的方法。
发明内容
本发明的目的是为强化沸腾传热提供新方法，进而提出应用飞秒激光拼接加工技术制备拼接表面来强化沸腾传热
本发明中应用飞秒激光拼接技术制备的拼接表面的制备方法便捷，流程简单、低能耗、原料易得，总体成本低廉，最终取得的强化沸腾传热的效果明显。本发明是这样实现的，应用飞秒激光加工技术，通过平台控制实现不同结构之间的拼接，通过控制加工区域的占比、扫描方向、扫描次数等实现对拼接表面的设计。本发明中制备得到的拼接表面体现出了优异的沸腾换热性能。
本发明中飞秒激光拼接表面的制备方法具体步骤如下：
步骤一：对金属表面进行预处理：对金属表面进行打磨抛光和超声清洗；
步骤二：结构摸索：通过控制加工参数制备得到不同的微纳结构；
步骤三：区域设计：通过控制激光扫描区域的面积占比、激光扫描区域的空间分布、激光扫描区域的微纳结构类型、激光扫描区域的形状、区域拼接界面类型等实现对拼接表面的设计，区域类型分为两类：激光扫描区域和无激光扫描区域(原表面)；
步骤四：区域拼接的实现：通过平台控制或聚焦激光控制实现区域边界与边界之间的拼接制备得到拼接表面；
步骤五：对拼接表面进行池沸腾实验评估表面的换热性能。根据沸腾实验结果继续优化拼接表面的设计。
所述的对表面打磨抛光及清洗的具体方法为：首先对粗糙的金属进行砂纸水浴打磨，然后利用抛光机抛光，最后进行超声波清洗。
所述的控制加工参数制备得到不同的微纳结构指的是：通过调节加工参数：激光能量、聚焦位置、激光频率、扫描速度、扫描次数、加工方式(光栅式扫描、点阵加工、横纵扫描)等，在表面加工出柱状、孔状、沟槽、波纹、阵列、等微纳结构。
所述的区域设计参数具体分别为：激光扫描区域的面积占比的变化范围为0-1；激光扫描区域的分布包括：周期性分布、非周期性分布等；激光扫描区域的微结构类型利用结构摸索的结果实现；激光扫描区域的形状包括：圆形、正方形、长方形等；区域拼接界面包括：结构表面与原表面之间的拼接或不同结构表面之间的拼接。
所述的区域拼接具体的实现方法指的是：在已知微结构加工参数以及完成区域设计的基础上，通过控制平台移动样品或扫描振镜移动光束实现不同微结构区域之间的边界拼接或者微结构区域与原表面之间边界拼接，制备得到不同的拼接表面。
所述的对拼接表面的换热性能评估的具体方法如下：采用池沸腾装置来进行测试。
附图说明
图1沟槽区域占比S＝1/4表面一个周期的SEM图
图2沟槽区域占比S＝1/2表面一个周期的SEM图
图3沟槽区域占比S＝3/4表面一个周期的SEM图
图4沟槽区域占比S＝1表面一个周期的SEM图
图5原表面与微纳结构表面的沸腾传热曲线
图6原表面与微纳结构表面的HTC曲线
具体实施方式
具体实施方式：。首先对粗糙的金属表面选取德国勇士牌砂纸400，600，800，1200，1500，2000目的砂纸水浴打磨，然后利用研磨机抛光，最后利用酒精与去离子水进行超声波清洗，最终得到的金属表面的表面粗糙度(真实面积与投影面积比值)近似为1，平均粗糙度0.1μm。
用飞秒激光光栅式扫描加工方式对表面进行扫描加工：将重复频率1kHZ飞秒激光脉冲(中心波长800nm，美国相干公司飞秒激光器***)通过He-Ne激光准直***，再将光束正入射通过20cm的聚焦透镜，通过透镜聚焦后的飞秒激光光束直接对二维电动平移台(实验使用的是德国PI平移台，X轴型号M-521DD，Y轴型号M-410CG)上金属样品进行激光光栅扫描辐照作用。利用1/2波片固定激光偏振态，光路中加入能量衰减器来控制调节激光的能量参数，除此之外通过调节平移台的扫描速度v控制单位扫描距离激光脉冲个数，在软件中进行编程控制扫描间距d。
选取加工参数为：激光能量Ep＝1.5mJ，扫描速度v＝1mm/s，扫描间距d＝0.06mm的条件下制备沟槽形微纳结构区域。
区域设计如下：沟槽区域占比分别为：S＝0(光滑金属表面)、S＝1/4、S＝1/2、S＝3/4、 S＝1(全扫描)。通过平台控制实现沟槽区域和原表面之间的边界拼接，最终制备得到五块不同金属样品。
换热性能的评估采用池沸腾装置来进行测试，与常用池沸腾装置类似其包括：沸腾池缸体、加热体(铜柱)、温度采集***(热偶线采集)、冷凝***、高速相机、绝热配件等。实验开始装入样品，注入去离子水，开启水冷***，首先利用浸入式加热器将去离子水加热至饱和沸腾状态，缓慢提升底部加热***的供热功率，全程记录热偶点温度数据。通过处理热偶点获取的不同沸腾阶段的温度数据来评估表面的过热度和热流，从而绘制出沸腾曲线
当然，本发明还可有其他多种具体实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其特征在于加工方式如下所述：
(1)对金属表面进行打磨抛光处理以及清洗；
(2)结构确定：通过控制加工参数制备得到不同的微纳结构；
(3)区域设计：通过控制激光扫描区域的面积占比、激光扫描区域的空间分布、激光扫描区域的微纳结构类型、激光扫描区域的形状、区域拼接界面类型等实现对拼接表面的设计，区域类型分为两类：激光扫描区域和无激光扫描区域(原表面)；
(4)区域拼接的实现：通过平台控制或聚焦激光控制实现区域边界与边界之间的拼接制备得到拼接表面；
(5)最后对拼接表面进行池沸腾实验评估表面的换热性能。根据沸腾实验结果继续优化拼接表面的设计。
最终实现表面拼接对换热表面气泡动力过程的干预从而达到拼接表面池沸腾换热性能的全面提升(CHF：临界热流密度，HTC：换热系数)的效果。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其加工方式中的对金属表面进行打磨抛光及清理的具体方法如下：首先对粗糙的金属进行砂纸水浴打磨，然后利用抛光机抛光，最后进行超声波清洗。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其加工方式中结构确定的具体方法如下：通过调节加工参数在表面加工出柱状、孔状、沟槽、波纹、阵列、等微纳结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其调节的加工参数包括：激光能量、聚焦位置、激光频率、扫描速度、扫描次数、加工方式(光栅式扫描、点阵加工、横纵扫描)等。
5.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其加工方式中区域设计具体指的是：激光扫描区域的分布包括：周期性分布、非周期性分布等；激光扫描区域的形状包括：圆形、正方形、长方形等；区域拼接界面包括：结构表面与原表面之间的拼接或不同结构表面之间的拼接。
6.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其加工方式中区域拼接具体指的是：在已知微结构加工参数以及完成区域设计的基础上，通过控制平台移动样品或扫描振镜移动光束实现不同微结构区域之间的边界拼接或者微结构区域与原表面之间边界拼接，制备得到不同的拼接表面。
7.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，其加工方式中的对拼接表面的换热性能评估的具体方法如下：换热性能的评估采用池沸腾装置来进行测试。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20211012 |