一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层及其制备方法

本发明涉及纳米涂层强化相变传热，具体涉及一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层及其制备方法。

背景技术：

1、沸腾传热能够利用液-气相变巨大的潜热实现热能的高效输运和耗散，被广泛应用于发电、制冷、高功率密度电子器件冷却、大功率激光器热管理等工业、军事领域。换热系数(htc)和临界热流密度(chf)是表征沸腾传热性能的两个重要参数，分别用于描述沸腾过程的传热效率和最大安全传热能力。发展先进的沸腾传热技术，提高htc和chf，对于解决高功率密度电子器件散热难题和改善热能系统的能源效率、经济效益与安全性具有重要意义。

2、通过在传统金属传热表面构建微纳米结构，可以实现液体工质沸腾传热性能的显著强化，具有重要的应用前景。其中，碳纳米管、石墨烯等碳纳米材料具有力学和热学性能极其优异、稳定性好、润湿性可大幅度调控等特点，相比于金属纳米材料更具优势，在强化沸腾传热方面展现了巨大潜力，近年来学者开发了多种用于强化沸腾传热的碳纳米材料薄膜涂层。然而现有技术几乎都集中于设计和开发单一碳纳米材料薄膜涂层，而沸腾传热特性与表面润湿性、粗糙度、孔隙特性、毛细性能、热导率和力学强度等多种因素密切相关，而单一的纳米薄膜涂层很难同时兼顾以上几种因素，这就使得现有技术中的碳纳米薄膜涂层较难实现沸腾传热性能的全面强化(同时提高htc和chf)和进一步提升。

3、相比于单一纳米涂层，通过在衬底上合理设计和构筑多种高性能的碳纳米材料薄膜涂层，形成分级碳纳米材料薄膜涂层，使其能联合不同尺度的特征结构与性质，则有望产生协同强化效应，大幅度同步提升chf和htc，给沸腾传热性能带来突破，然而现有技术中分级碳纳米材料薄膜涂层十分缺乏。另一方面，目前制备碳纳米薄膜涂层的方法通常较为复杂，对设备要求较高，且加工时间长，扩展性不强，因此如何实现具有多种特征结构和性质的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备也是一大挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层及其制备方法，本发明提出的分级碳纳米材料薄膜涂层有机结合了高导热纳米通道、纳米多孔网络和微米通道等结构，同时具有超亲水润湿性、高面内热导率、高表面气泡成核密度、优异的微米尺度和纳米尺度毛细效应等优势，能够有效防止高热流密度时局部热点的形成和扩张，促进气泡的成核、生长及脱离，在高热流密度下给传热表面快速补充额外的液体，大幅度同时提高htc和chf。同时本发明提出的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备方法具有简单、低成本、扩展性强和易调控等优势。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其完全涂覆于目标衬底表面，且由两种不同的碳纳米材料薄膜涂层a和b构成；所述碳纳米材料薄膜涂层a和b自下而上地在垂直于衬底方向上呈紧密堆叠布局；所述碳纳米材料薄膜涂层a为氧化石墨烯层压结构薄膜涂层，其均匀连续地覆盖在目标衬底表面上；所述碳纳米材料薄膜涂层b为亲水的碳纳米管纳米多孔网络结构薄膜涂层，其以不连续的布局方式覆盖在氧化石墨烯薄膜涂层表面上，形成多个均匀分布的碳纳米管薄膜涂层条纹，所述不连续的布局方式包括在衬底平面内的x方向上不连续如形成条纹状，或在衬底平面内的y方向上不连续如形成条纹状，或在衬底平面内的x和y方向上均不连续如形成阵列排布；所述多个碳纳米管薄膜涂层条纹长度相同、宽度相同、厚度相同，且所述碳纳米管薄膜涂层条纹之间形成微米尺度的通道结构，以碳纳米管薄膜涂层条纹作为肋的微通道具有相同的宽度。

4、所述氧化石墨烯层压结构薄膜涂层内的氧化石墨烯纳米片层数为1—9层，厚度为0.5—5nm，横向尺寸为0.5—70μm，氧原子含量＞30wt％，氧化石墨烯纳米片之间形成大量纳米通道，纳米通道宽度为0.6—3.0nm。所述亲水的碳纳米管纳米多孔网络结构薄膜涂层由羧基化的碳纳米管、羟基化的碳纳米管、氨基化的碳纳米管中的至少一种构成，碳纳米管的外径为1—80nm，长度为0.5—100μm，氧原子含量＞1wt％。所述碳纳米材料薄膜涂层a和b，厚度为0.2—100μm。所述在氧化石墨烯薄膜涂层表面上均匀分布的碳纳米管薄膜涂层条纹，其长度和宽度为10—500μm，所述条纹之间形成微通道的宽度为10—500μm。

5、本发明还提供一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤a：利用清洗液对目标衬底进行超声清洗；

7、步骤b：利用浸渍涂布法、旋转涂布法、喷雾涂布法、电沉积法或者自组装法中的至少一种在目标衬底表面涂覆形成均匀、连续的氧化石墨烯层压结构薄膜涂层；

8、步骤c：将加工有特定镂空图案的掩膜版紧密贴合在氧化石墨烯薄膜涂层表面上，利用喷涂法在氧化石墨烯薄膜涂层表面进一步沉积不连续的碳纳米管薄膜涂层，制备得到分级碳纳米材料薄膜涂层，其中碳纳米管薄膜涂层条纹之间形成微通道结构；

9、步骤d：将制备得到的分级碳纳米材料薄膜涂层进行热固化。

10、在上述制备方法的步骤c中，所述有特定镂空图案的掩膜版，其镂空图案的尺寸和间距为10—500μm，可通过光刻法或激光刻蚀法制备，掩膜版材质为不锈钢、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰亚胺中的一种。

11、在上述制备方法的步骤d中，所述热固化温度为80—200℃，时间为10—180min。

12、本发明的有益效果如下：

13、本发明提出的分级碳纳米材料薄膜涂层底部是均匀连续的氧化石墨烯薄膜涂层，具有超高的面内热导率，能够有效防止沸腾传热高热流密度时局部热点的形成和扩张，且氧化石墨烯层压薄膜内的氧化石墨烯纳米片层之间构成大量的纳米通道，且宽度可通过表面修饰调控，液体分子在该纳米通道网络内具有超快的输运和渗透性质，展现了特殊的纳米毛细效应，能够促进传热表面的液体补充；在氧化石墨烯薄膜涂层表面均匀分布着不连续的碳纳米管薄膜涂层条纹，其具有纳米多孔网络结构，可以增加沸腾过程中的气化核心密度，改善气泡的成核、生长及脱离行为，进而强化表面液体的相变传热效率，纳米孔隙能诱导大的毛细压力，也能促进传热表面的液体补充；此外，不连续的碳纳米管薄膜涂层条纹之间还形成了微米尺度的通道结构，可以作为微米级的毛细补液通道，具有渗透率大，毛细流动速度大等优势。由于分级碳纳米材料薄膜涂层具有丰富的亲水基团和多孔结构，可表现出超亲水性。因此，本发明提出的分级碳纳米材料薄膜涂层有机联合了多种微纳尺度的特征结构与优异性质，可产生协同强化效应，大幅度同步提升chf和htc，实现沸腾传热性能的突破。另一方面，本发明提供的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备方法具有简单、易实现、不依赖于大型设备、低成本、扩展性强和易调控等优势。综上，本发明提出的用于强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层及其制备方法在热能转换、利用和管理领域具有重要的应用前景。

技术特征：

1.一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其特征在于，所述分级碳纳米材料薄膜涂层完全涂覆于目标衬底表面，且由两种不同的碳纳米材料薄膜涂层a和b构成；所述碳纳米材料薄膜涂层a和b自下而上地在垂直于衬底方向上呈紧密堆叠布局；所述碳纳米材料薄膜涂层a为氧化石墨烯层压结构薄膜涂层，其均匀连续地覆盖在目标衬底表面上；所述碳纳米材料薄膜涂层b为亲水的碳纳米管纳米多孔网络结构薄膜涂层，其以不连续的布局方式覆盖在氧化石墨烯薄膜涂层表面上，形成多个均匀分布的碳纳米管薄膜涂层条纹，所述不连续的布局方式包括在衬底平面内的x方向上不连续，或在衬底平面内的y方向上不连续，或在衬底平面内的x和y方向上均不连续；所述碳纳米管薄膜涂层条纹之间形成微米尺度的通道结构。

2.根据权利要求1所述的强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其特征在于，所述多个碳纳米管薄膜涂层条纹长度相同、宽度相同、厚度相同，以所述碳纳米管薄膜涂层条纹作为肋的微通道具有相同的宽度。

3.根据权利要求1所述的强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其特征在于，所述氧化石墨烯层压结构薄膜涂层内的氧化石墨烯纳米片层数为1—9层，厚度为0.5—5nm，横向尺寸为0.5—70μm，氧原子含量＞30wt％，氧化石墨烯纳米片之间形成大量纳米通道，纳米通道宽度为0.6—3.0nm。

4.根据权利要求1所述的强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其特征在于，所述亲水的碳纳米管纳米多孔网络结构薄膜涂层由羧基化的碳纳米管、羟基化的碳纳米管、氨基化的碳纳米管中的至少一种构成，碳纳米管的外径为1—80nm，长度为0.5—100μm，氧原子含量＞1wt％。

5.根据权利要求1所述的强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其特征在于，所述碳纳米材料薄膜涂层a和b，厚度均为0.2—100μm。

6.根据权利要求1所述的强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层，其特征在于，所述在氧化石墨烯薄膜涂层表面上均匀分布的碳纳米管薄膜涂层条纹，其长度和宽度为10—500μm，所述条纹之间形成微通道的宽度为10—500μm。

7.权利要求1-6任一项所述的强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤c中，所述有特定镂空图案的掩膜版，其镂空图案的尺寸和间距为10—500μm，可通过光刻法或激光刻蚀法制备，掩膜版材质为不锈钢、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚酰亚胺中的一种。

9.根据权利要求7所述的一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤d中，所述热固化温度为80—200℃，时间为10—180min。

技术总结
一种强化沸腾传热的分级碳纳米材料薄膜涂层及其制备方法，涉及纳米涂层强化相变传热技术领域。薄膜涂层完全涂覆于目标衬底表面，由两种不同的碳纳米材料薄膜涂层A和B构成；碳纳米材料薄膜涂层A为氧化石墨烯层压结构薄膜涂层，其均匀连续地覆盖在目标衬底表面上；碳纳米材料薄膜涂层B为亲水的碳纳米管纳米多孔网络结构薄膜涂层，其以不连续的布局方式覆盖在氧化石墨烯薄膜涂层表面上，形成多个均匀分布的碳纳米管薄膜涂层条纹，所述碳纳米管薄膜涂层条纹之间形成微米尺度的通道结构。所述分级碳纳米材料薄膜涂层有机联合了多种微纳尺度的特征结构与优异性质，可产生协同强化效应，大幅度同步提升CHF和HTC，实现沸腾传热性能的突破。

技术研发人员：周文斌,马华林
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27