技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料科學(xué)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種單層的微納雙尺度強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：

強(qiáng)化沸騰換熱具有低溫差、高熱流密度的特點(diǎn)，是解決小體積、大功率微電子散熱問(wèn)題的有效途徑之一。多孔材料，如燒結(jié)金屬多孔結(jié)構(gòu)（CN 105180709 A）等，是常用來(lái)增加沸騰表面的臨界熱流密度（CHF）。但通常也會(huì)伴隨著在沸騰起始階段，即熱流密度較低時(shí)，壁面過(guò)熱度過(guò)高的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，多尺度沸騰表面得到越來(lái)越多的重視，通過(guò)多尺度尺寸的控制，實(shí)現(xiàn)氣體通道與液體通道的分離，從而提高沸騰表面的CHF。同時(shí)，我們知道，孔隙尺度越大，氣泡核化時(shí)，所需的壁面過(guò)熱度越小。所以，多尺度結(jié)構(gòu)沸騰表面有望可以達(dá)到既能達(dá)到提高CHF和減小起始沸騰時(shí)壁面過(guò)熱度過(guò)高的問(wèn)題。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，微米與納米尺度結(jié)合的表面開(kāi)始運(yùn)用于池沸騰強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域，特別的用氫氣泡模板法制備的微納多孔結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)（S. H. Li, R. Furberg, M. S. Toprak, B. Palm and M. Muhammed, Adv. Funct. Mater., 2008, 18, 2215-2220），由于其在生產(chǎn)過(guò)程中，氣泡的作用后，可生成天然的利于氣泡生成和脫離的結(jié)構(gòu)，所以能夠有很好的提高沸騰的換熱的效果。但是，其過(guò)于豐富多級(jí)結(jié)構(gòu)（孔徑逐步放大）的結(jié)構(gòu)，將工質(zhì)牢牢的吸附在沸騰表面底部，使得熱阻增大，在起始沸騰時(shí)，壁面過(guò)熱度過(guò)大（P. F. Xu, Q. Li and Y. M. Xuan, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 80, 107-114）。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)傳統(tǒng)用氫氣模板法制備的多孔結(jié)構(gòu)在起始沸騰時(shí)壁面過(guò)熱度過(guò)過(guò)高的問(wèn)題，本發(fā)明的目的提供一種單層的微納雙尺度強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)，能夠使在沸騰起始時(shí)有較低的壁面過(guò)熱度，同時(shí)也具有較高的臨界熱流密度。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述強(qiáng)化沸騰表面結(jié)構(gòu)的制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)，銅表面為微米大孔和具有納米孔隙的孔壁組成的單層表面結(jié)構(gòu)。

在上述強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)中，所述微米大孔的孔徑在底部和頂部相同。

在上述強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)中，所述微米大孔的孔徑尺寸為50~250μm。

在上述強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)中，所述納米孔隙的尺寸在100-900納米。

在上述強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)中，所述單層表面結(jié)構(gòu)的厚度為50~400μm。

上述強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

（1）表面預(yù)處理：使用稀硫酸溶液、熱堿溶液、去離子水清洗銅基底的表層氧化物和油污；

（2）表面沉積：將銅基底作為陰極，銅片為陽(yáng)極，放入酸性電解液中，通直流電，保持陰極電流密度，電沉積反應(yīng)；

（3）樣品燒結(jié)：在還原氣氛保護(hù)下，進(jìn)行燒結(jié)處理，增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度。

在上述制備方法中，步驟（2）所述酸性電解液的組成為硫酸0.5~1.5M和硫酸銅0.05~0.6M。

在上述制備方法中，步驟（2）中電流密度為0.5~1A/cm²。

在上述制備方法中，步驟（2）電沉積反應(yīng)時(shí)間為5~300s。

在上述制備方法中，步驟（3）中燒結(jié)溫度為400~800℃。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1.本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)易的低成本大規(guī)模制備單層的微納雙尺度強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)的制備方法，適合對(duì)各種沸騰基底表面形狀進(jìn)行修飾，且無(wú)需貴重的機(jī)械設(shè)備，節(jié)能環(huán)保，生成周期短，因此具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

2.本發(fā)明和傳統(tǒng)電沉積微納多尺度表面相比，單層的雙尺度微納強(qiáng)化沸騰傳熱表面在沸騰起始時(shí)及沸騰過(guò)程中有更低的壁面過(guò)熱度。

附圖說(shuō)明

圖1為單層的微納雙尺度強(qiáng)化沸騰傳熱銅表面結(jié)構(gòu)的電鏡圖，(a)放大100倍的電鏡圖；(b)為壁面局部放大圖；

圖2為實(shí)施例1的單層傳熱銅表面結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有多層銅表面結(jié)構(gòu)的池沸騰曲線對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖和較佳實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)描述。

實(shí)施例1：

（1）表面預(yù)處理：使用稀硫酸溶液、熱堿溶液、去離子水清洗銅基底的表層氧化物和油污。

（2）表面沉積：將銅基底作為陰極，銅片為陽(yáng)極，放入溶液配比為1.0M硫酸，0.4M硫酸銅的電解液中。通直流電，保持陰極電流密度為1A/cm²，電沉積反應(yīng)時(shí)間為30s。

（3）樣品燒結(jié)：在還原氣氛保護(hù)下，進(jìn)行熱處理，燒結(jié)溫度為710℃，以增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度，從而得到樣品。

如圖1所示，銅表面為微米大孔和具有納米孔隙的孔壁組成的單層表面結(jié)構(gòu)。述微米大孔的孔徑在底部和頂部基本相同。微米大孔的孔徑尺寸為50~250μm。納米孔隙的尺寸在100-900納米。單層表面結(jié)構(gòu)的厚度為50~400μm。

實(shí)施例2：

（1）表面預(yù)處理：使用稀硫酸溶液、熱堿溶液、去離子水清洗銅基底的表層氧化物和油污。

（2）表面沉積：將銅基底作為陰極，銅片為陽(yáng)極，放入溶液配比為1.5M硫酸，0.1M硫酸銅的電解液中。通直流電，保持陰極電流密度為0.5A/cm²，電沉積反應(yīng)時(shí)間為200s。

（3）樣品燒結(jié)：在還原氣氛保護(hù)下，進(jìn)行熱處理，燒結(jié)溫度為410℃，以增強(qiáng)產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度，從而得到樣品，電鏡圖與圖1基本一致。