具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面及其制备方法

本发明涉及纳米结构强化传热传质，具体涉及一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面及其制备方法。

背景技术：

1、面对高功率密度器件和系统的热管理挑战，迫切需要开发高性能和低能耗的冷却技术。核态沸腾传热可以利用液-气相变的巨大潜热，以较低的过热度输运或耗散高热通量，被认为是最有前景的换热技术之一。强化沸腾传热对于提高能源系统的效率和解决先进器件与设备的散热难题具有重要意义。

2、表面结构和润湿性是影响气泡动力学行为和沸腾传热性能的重要因素。当传热表面构建了纳米结构后，可以增加粗糙度，提供更多的气泡成核位点，显著改善沸腾换热。表面的亲疏水性对沸腾的影响机制也备受关注，分子动力学等研究表明，亲水表面具有较强的固-液相互作用，热量传递效率较高，且优异的亲水性可以促进高热流条件下液体在换热表面的再润湿，延迟膜态沸腾的到来，提高临界热流密度(chf)；而疏水表面的气泡成核能垒低，容易形成初始气泡胚芽，但气泡之间也容易相互合并，导致蒸气膜较早产生，具有较低的chf。

3、近年来，随着微纳加工技术的发展，精确控制传热表面的亲疏水性分布成为可能，因此具有非均匀润湿性的亲/疏水混合表面孕育而生，其可以有效结合亲/疏水表面各自在沸腾过程中的优势，进一步强化沸腾传热。尽管现有研究已经开发了一些亲疏水混合沸腾表面，但主要集中在单润湿表面上局部添加具有相反润湿性的涂层，形成的是平面型混合润湿表面，主要依靠宏观或微米尺度上表面润湿性的差异来操纵气泡动力学和液体流动行为，没有充分结合和利用纳米结构在强化核态沸腾方面的优势，在纳米尺度进一步协同强化沸腾传热的表面设计较为缺乏。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面及其制备方法，充分利用纳米凹腔结构与亲疏水润湿性各自在沸腾传热过程中的优势，将非均匀润湿性策略扩展至纳米结构内部，通过优化亲疏水性在纳米凹腔特定壁面的布局，发展了一种微观尺度下的“立体化”非均匀润湿性概念，联合多方面协同效应，大幅度提高沸腾传热效率和性能。同时本发明提出的非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法具有重复性好、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、一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，多个纳米凹腔结构以一定排列方式被构建于传热基底表面，纳米凹腔由侧壁和底壁构成，且侧壁和底壁具有不同的润湿性，具体表现为底壁疏水、侧壁亲水的“立体化”非均匀润湿性。

4、所述纳米凹腔结构的横截面(平行于传热基底的截面)几何形状为矩形、梯形或两者的组合图形。纳米凹腔结构的亲水性壁面的接触角为0—30°，体现为强亲水性或超亲水性，疏水性壁面的接触角为100—160°，体现为强疏水性或超疏水性。纳米凹腔结构在传热基底表面的排列方式为等间距顺排、等间距错排或随机排列。纳米凹腔横截面的最大结构尺寸即凹腔宽度方向的最大尺寸为4—200nm，凹腔深度(垂直传热基底方向)为4—200nm。

5、本发明还提供一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

6、步骤a：利用清洗液对目标传热基底表面进行超声清洗；

7、步骤b：在基底表面沉积均匀、连续的疏水纳米涂层，形成疏水底壁；

8、步骤c：在疏水底壁表面涂覆均匀、连续的光刻胶，并在具有特定纳米图案的掩膜版的配合下，利用光刻和显影技术在疏水底壁表面形成特定的光刻胶图案；

9、步骤d：对步骤c得到的疏水底壁进行刻蚀处理，将未被光刻胶覆盖的疏水纳米涂层完全去除，相应区域露出目标衬底表面，其余区域在光刻胶的保护下保留疏水纳米涂层；

10、步骤e：在步骤d得到的样品表面进一步沉积亲水纳米涂层，其厚度大于步骤a所述的疏水纳米涂层；

11、步骤f：进一步去除步骤e得到的样品表面残余的光刻胶，露出其下方的疏水纳米涂层，作为纳米凹腔结构的疏水底壁，其两侧的亲水纳米涂层为纳米凹腔结构的亲水侧壁，最终形成具有疏水底壁亲水侧壁的纳米凹腔结构表面。

12、在上述制备方法的步骤a中，可以直接选用具有优异疏水性的基底，形成疏水底壁，从而免去步骤b。在上述制备方法的步骤b和e中，可以利用化学气相沉积(cvd)、喷涂、旋涂或自组装工艺在基底表面沉积均匀、连续的疏水/亲水纳米涂层。在上述制备方法的步骤d中，刻蚀工艺为等离子体刻蚀、化学刻蚀或离子刻蚀。

13、本发明的有益效果如下：

14、本发明提出的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，可以充分及有效联合纳米结构与亲疏水润湿性在核态沸腾传热中的优势，纳米凹腔结构可以作为微观尺度下初始气泡的优选成核位点，因此纳米凹腔表面可以显著增加沸腾过程中的气化核心密度。此外，得益于纳米凹腔的结构特征，其内部的液体可以同时被凹腔的底部壁面和两个侧壁面加热，能够快速吸收和累积热能，传热效率高，从而促进液-气相变。更重要的是，通过将非均匀润湿性策略扩展至纳米结构内部，优化亲疏水性在纳米凹腔特定壁面的布局，形成一种新颖的底部疏水、侧壁亲水的“立体化”非均匀润湿性概念，可以联合多方面协同效应，大幅度提高沸腾传热效率和性能，这是因为在疏水表面，尽管固-液传热效率低，但固液之间的能量势垒弱，液体原子易“挣脱”束缚，形成初始气泡核，而亲水表面虽然成核能垒高，但由于固液相互作用较强，表现出较强的传热效率，能从热能吸收的角度促进气泡成核、生长和脱离。本发明发现当纳米凹腔具有疏水底壁和亲水侧壁的布局后，凹腔内的液体同时具有了低成核能垒和高传热效率，一方面在低“束缚”的疏水底壁上容易打破成核能垒，同时结合两侧亲水侧壁的强热量传递效率，使得气泡初始成核时间、初始成核温度等性能参数大幅度提高，核态沸腾传热性能明显优于单一润湿性的平面、非均匀湿润性的平面，以及单一润湿性的纳米凹腔结构表面。另一方面，本发明还针对具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，利用工艺成熟稳定、成本相对较低的微纳加工技术提供了一种切实可行的制备方法，具有重复性好、扩展性强和易调控等优势。综上，本发明提出的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面及其制备方法，能够为新一代微纳尺度热管理器件与系统的优化设计提供重要思路和指导，在热能转换、利用和管理领域具有重要应用前景。

技术特征：

1.一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，其特征在于，多个纳米凹腔结构以一定排列方式被构建于传热基底表面，所述纳米凹腔结构由侧壁和底壁构成，且侧壁和底壁具有不同的润湿性，具体表现为底壁疏水、侧壁亲水的“立体化”非均匀润湿性。

2.根据权利要求1所述的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，其特征在于，所述纳米凹腔结构的横截面几何形状为矩形、梯形或两者的组合图形。

3.根据权利要求1所述的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，其特征在于，所述纳米凹腔结构的亲水性壁面的接触角为0—30°，体现为强亲水性或超亲水性，疏水性壁面的接触角为100—160°，体现为强疏水性或超疏水性。

4.根据权利要求1所述的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，其特征在于，所述纳米凹腔结构在传热基底表面的排列方式为等间距顺排、等间距错排或随机排列。

5.根据权利要求1所述的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面，其特征在于，纳米凹腔横截面的最大结构尺寸即凹腔宽度方向的最大尺寸为4—200nm，凹腔深度为4—200nm。

6.一种根据权利要求1-5所述的具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法，其特征在于，所述步骤a中，直接选用具有优异疏水性的基底，形成疏水底壁，从而免去步骤b。

8.根据权利要求6所述的一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法，其特征在于，所述步骤b中，利用化学气相沉积(cvd)、喷涂、旋涂或自组装工艺在基底表面沉积均匀、连续的疏水纳米涂层。

9.根据权利要求6所述的一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法，其特征在于，所述步骤d中，刻蚀工艺为等离子体刻蚀、化学刻蚀或离子刻蚀。

10.根据权利要求6所述的一种具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面的制备方法，其特征在于，所述步骤e中，利用化学气相沉积(cvd)、喷涂、旋涂或自组装工艺沉积亲水纳米涂层。

技术总结
具有非均匀润湿性纳米凹腔结构的沸腾强化表面及其制备方法，涉及纳米结构强化传热传质技术领域。多个纳米凹腔结构以一定排列方式被构建于传热基底表面，所述纳米凹腔结构由侧壁和底壁构成，且侧壁和底壁具有不同的润湿性，具体表现为底壁疏水、侧壁亲水的“立体化”非均匀润湿性。本发明提出的底壁疏水侧壁亲水的非均匀润湿纳米凹腔结构表面的气泡初始成核时间最早，沸腾起始温度最低，具有明显更加优异的核态沸腾传热性能，说明其实现了纳米凹腔结构与亲疏水混合润湿性的最优组合，产生显著的协同增强效应，证实了其有益效果。

技术研发人员：周文斌,胡艳珂
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：2024/5/10