一种单层的微纳双尺度强化沸腾传热铜表面结构及其制备方法与流程

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体地说，涉及一种单层的微纳双尺度强化沸腾传热铜表面结构及其制备方法。

背景技术：

强化沸腾换热具有低温差、高热流密度的特点，是解决小体积、大功率微电子散热问题的有效途径之一。多孔材料，如烧结金属多孔结构（CN 105180709 A）等，是常用来增加沸腾表面的临界热流密度（CHF）。但通常也会伴随着在沸腾起始阶段，即热流密度较低时，壁面过热度过高的问题。近年来，随着技术的发展，多尺度沸腾表面得到越来越多的重视，通过多尺度尺寸的控制，实现气体通道与液体通道的分离，从而提高沸腾表面的CHF。同时，我们知道，孔隙尺度越大，气泡核化时，所需的壁面过热度越小。所以，多尺度结构沸腾表面有望可以达到既能达到提高CHF和减小起始沸腾时壁面过热度过高的问题。

随着纳米技术的发展，微米与纳米尺度结合的表面开始运用于池沸腾强化传热领域，特别的用氢气泡模板法制备的微纳多孔结构的出现（S. H. Li, R. Furberg, M. S. Toprak, B. Palm and M. Muhammed, Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 2215-2220），由于其在生产过程中，气泡的作用后，可生成天然的利于气泡生成和脱离的结构，所以能够有很好的提高沸腾的换热的效果。但是，其过于丰富多级结构（孔径逐步放大）的结构，将工质牢牢的吸附在沸腾表面底部，使得热阻增大，在起始沸腾时，壁面过热度过大（P. F. Xu, Q. Li and Y. M. Xuan, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 80, 107-114）。

技术实现要素：

针对传统用氢气模板法制备的多孔结构在起始沸腾时壁面过热度过过高的问题，本发明的目的提供一种单层的微纳双尺度强化沸腾传热铜表面结构，能够使在沸腾起始时有较低的壁面过热度，同时也具有较高的临界热流密度。

本发明的另一目的在于提供上述强化沸腾表面结构的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种强化沸腾传热铜表面结构，铜表面为微米大孔和具有纳米孔隙的孔壁组成的单层表面结构。

在上述强化沸腾传热铜表面结构中，所述微米大孔的孔径在底部和顶部相同。

在上述强化沸腾传热铜表面结构中，所述微米大孔的孔径尺寸为50~250μm。

在上述强化沸腾传热铜表面结构中，所述纳米孔隙的尺寸在100-900纳米。

在上述强化沸腾传热铜表面结构中，所述单层表面结构的厚度为50~400μm。

上述强化沸腾传热铜表面结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）表面预处理：使用稀硫酸溶液、热碱溶液、去离子水清洗铜基底的表层氧化物和油污；

（2）表面沉积：将铜基底作为阴极，铜片为阳极，放入酸性电解液中，通直流电，保持阴极电流密度，电沉积反应；

（3）样品烧结：在还原气氛保护下，进行烧结处理，增强产品机械强度。

在上述制备方法中，步骤（2）所述酸性电解液的组成为硫酸0.5~1.5M和硫酸铜0.05~0.6M。

在上述制备方法中，步骤（2）中电流密度为0.5~1A/cm²。

在上述制备方法中，步骤（2）电沉积反应时间为5~300s。

在上述制备方法中，步骤（3）中烧结温度为400~800℃。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明提供了一种简易的低成本大规模制备单层的微纳双尺度强化沸腾传热铜表面结构的制备方法，适合对各种沸腾基底表面形状进行修饰，且无需贵重的机械设备，节能环保，生成周期短，因此具有很好的工业应用前景。

2.本发明和传统电沉积微纳多尺度表面相比，单层的双尺度微纳强化沸腾传热表面在沸腾起始时及沸腾过程中有更低的壁面过热度。

附图说明

图1为单层的微纳双尺度强化沸腾传热铜表面结构的电镜图，(a)放大100倍的电镜图；(b)为壁面局部放大图；

图2为实施例1的单层传热铜表面结构与现有多层铜表面结构的池沸腾曲线对比图。

具体实施方式

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）表面预处理：使用稀硫酸溶液、热碱溶液、去离子水清洗铜基底的表层氧化物和油污。

（2）表面沉积：将铜基底作为阴极，铜片为阳极，放入溶液配比为1.0M硫酸，0.4M硫酸铜的电解液中。通直流电，保持阴极电流密度为1A/cm²，电沉积反应时间为30s。

（3）样品烧结：在还原气氛保护下，进行热处理，烧结温度为710℃，以增强产品机械强度，从而得到样品。

如图1所示，铜表面为微米大孔和具有纳米孔隙的孔壁组成的单层表面结构。述微米大孔的孔径在底部和顶部基本相同。微米大孔的孔径尺寸为50~250μm。纳米孔隙的尺寸在100-900纳米。单层表面结构的厚度为50~400μm。

实施例2：

（1）表面预处理：使用稀硫酸溶液、热碱溶液、去离子水清洗铜基底的表层氧化物和油污。

（2）表面沉积：将铜基底作为阴极，铜片为阳极，放入溶液配比为1.5M硫酸，0.1M硫酸铜的电解液中。通直流电，保持阴极电流密度为0.5A/cm²，电沉积反应时间为200s。

（3）样品烧结：在还原气氛保护下，进行热处理，烧结温度为410℃，以增强产品机械强度，从而得到样品，电镜图与图1基本一致。