一种功能分区多孔传热表面的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种功能分区多孔传热表面的制备方法，涉及强化沸腾传热技术领域。该方法包括：将一定粒径的Cu颗粒与SiC颗粒按照比例称量并混合均匀，加入制孔剂和粘合剂，在金刚石模具中施加一定压力压紧，然后在氢气氛围中恒温烧结，烧结后的产物溶解去除制孔剂，干燥得到SiC/Cu掺混烧结多孔表面。本发明专利技术通过烧结法利用表面能差异得到了功能分区多孔传热表面，制备过程简单，条件温和，得到的SiC/Cu掺混多孔表面机械强度高，孔隙孔径和空隙率可控，相对于单一金属多孔结构传热系数有了显著提高，在试验范围内，一定粒径条件下，随SiC/Cu掺混比例的增加，传热系数增加，传热效果增强，当SiC/Cu体积比为0.8，烧结温度为880℃时，传热系数相对最大，具有美好的应用前景。

A method for preparing porous surface with function partition

The invention discloses a preparation method of a functional partition porous heat transfer surface, which relates to the field of enhanced boiling heat transfer technology. The method includes: weighing Cu particles with a certain particle size and mixing SiC particles in proportion and mixing evenly, adding pore agent and adhesive, applying pressure pressure in the diamond mold, then sintering at constant temperature in hydrogen atmosphere, dissolving the products after sintering and removing pore making agents, and getting SiC/Cu mixed and sintered porous surfaces dry dry. Through the sintering method, the porous heat transfer surface of functional zoning is obtained by using the difference of surface energy. The preparation process is simple and the conditions are mild. The mechanical strength of the SiC/Cu mixed porous surface is high, pore size and void ratio can be controlled, and the heat transfer coefficient of a single metal porous structure is significantly improved, in the range of test. Under the condition of particle size, the heat transfer coefficient increases with the increase of the mixing ratio of SiC/Cu, and the heat transfer effect is enhanced. When the volume ratio of SiC/Cu is 0.8 and the sintering temperature is 880 C, the heat transfer coefficient is the largest, which has a good prospect of application.

【技术实现步骤摘要】
一种功能分区多孔传热表面的制备方法
本专利技术涉及强化沸腾传热
，具体为一种功能分区多孔加热表面制备方法。
技术介绍
沸腾传热是工业过程中最常见的传热方式之一，常见于各种换热器中，而多孔表面是强化沸腾传热的一种重要途径。相对于光滑表面，多孔表面能够显著提高沸腾传热系数，减小沸腾压差，提高临界热流密度以及增强设备的抗垢能力。多孔结构表面能够大幅提高能源利用率，具有美好的应用前景，研究多孔传热表面非常必要。近年来，随着微-纳米制造技术的发展进步，利用微纳米制造技术在传热表面上加工的微纳米多孔结构来强化沸腾换热效果显著。相对于常规尺度的结构，这些微纳米多孔结构可以大幅提高传热面积、改善表面润湿特性、提高毛细作用力、提高汽泡成核密度、降低汽液流动阻力，从而增强沸腾相变的动态过程，最终强化沸腾换热性能。目前金属多孔表面的制备方法包括：机械加工法、火焰喷涂法、烧结法、电镀法、化学腐蚀法以及丝网覆盖法等，机械加工法使用机械加工的方法在金属基体表面开出不同的孔，传热性能有了较大提高，但是由于无法加工很小的孔隙，所以性能提高有限；火焰喷涂法是使用特殊的火焰将粒度不同的金属粉末和辅助造孔剂高速喷射到金属外表面基体上得到金属多孔涂层，该方法可以在较宽的热流范围内强化沸腾传热，适用不同基体表面形状，但是该方法不能在金属管外制造多孔层，多孔层的厚度和孔径也不均匀；烧结法包括粉末烧结法和丝网烧结法，其中粉末烧结法是将金属粉末粘结在金属表面上烧结成一体形成多孔金属覆盖层，丝网烧结法是将多层金属丝网按要求排列在基体表面，施加外加荷载，通过高温烧结形成机械强度好的烧结型复合金属丝网多孔表面。其中烧结法对于金属多孔表面较为常用，但是对于SiC/Cu的亲/疏水掺混颗粒烧结多孔结构，铜的熔点为1083℃，碳化硅的熔点为2830℃，当铜颗粒达到熔点融化成型是，碳化硅颗粒还远远没有达到熔点，由于其表面性质的差异以及在烧结成型时的机理不同，直接颗粒混合无法烧结得到多孔表面，同时在制备过程中既需要保证金属颗粒的紧密度，还要保证样品的稳定性，目前的制备方法还不成熟。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供的一种功能分区多孔传热表面的制备方法，操作简单，条件温和。本专利技术提供的一种利用表面能差异实现功能分区多孔传热表面制备方法，包括以下步骤：S1、按照0.2～0.8：1的体积比例分别称取一定粒径的碳化硅颗粒与铜颗粒并混合，所述碳化硅颗粒的粒径为80～180μm，铜颗粒的粒径为106～120μm，然后向混合颗粒中按照10％～40％的体积分数加入硫酸钾作为制孔剂来控制多孔表面的孔隙率，最后加入少量的乙醇作为粘合剂使碳化硅颗粒与铜颗粒粘接均匀且不分层；S2、将S1得到的混合物加入金刚石模具中，施加12～16MPa的压力压紧得到厚度为毫米级别的薄片，自然干燥90～110min；S3、将S2中压紧的薄片在氢气氛围中采用阶段式烧结工艺进行烧结，首先升温至80～130℃，保温30min，再升温至260～320℃，保温15min，然后升温至680～720℃，保温10min，最后升温至860～880℃，保温40min；S4、将S3煅烧后的产物使用蒸馏水溶解去除制孔剂，干燥得到SiC/Cu掺混烧结多孔表面。优选的，S1中，制孔剂硫酸钾的加入比例为20％，粘合剂乙醇的加入比例为5～8％。与现有技术相比，本专利技术的制备方法具有以下有益效果：本专利技术通过将一定粒径的铜颗粒和碳化硅颗粒混合，加入制孔剂和粘合剂，选择熔点为1067℃的硫酸钾作为制孔剂，性质稳定，制孔的同时易于去除，选择乙醇作为粘合剂，无毒无害且容易挥发，对金属表面的影响较小，有效解决Cu与SiC易分层且混合不均匀的问题；压紧后在氢气氛围中烧结，去除制孔剂得到SiC/Cu掺混多孔表面。该制备方法操作简单，条件温和，制备过程中的粘合剂和制孔剂易于被除去，选择Cu为基质，熔点高且疏水性能强的SiC为掺杂材料，得到的亲水/疏水多孔表面既致密又稳定，机械强度高，孔径和空隙率可控，而且相对于单一金属多孔结构传热系数有了显著提高，不改变SiC粒径只改变掺杂比例时，随着SiC/Cu掺混比例的增加，传热系数增加，传热效果增强，当SiC/Cu体积比为0.8，SiC颗粒直径为80～106μm，Cu颗粒直径为106～120μm，烧结温度为880℃时，传热系数相对最大；改变SiC粒径时，多孔表面的孔隙率和孔径随之改变，SiC/Cu掺混体积比为0.6，SiC颗粒直径为150～180μm，Cu颗粒直径为106～120μm的多孔表面的传热性能最优。附图说明图1为SiC/Cu掺混多孔表面的制备工艺图；图2为纯Cu多孔表面的金相显微图谱；图3为实施例2中体积比为0.4的SiC/Cu掺混多孔表面的金相显微图谱；图4为实施例3中体积比为0.6的SiC/Cu掺混多孔表面的金相显微图谱；图5为实施例6中体积比为0.6的SiC/Cu掺混多孔表面的金相显微图谱；图6为以水为工质时光滑Cu表面、纯Cu多孔表面，及实施例1-实施例4中体积比为0.2、0.4、0.6、0.8的SiC/Cu掺混多孔表面以及Rohsenow理论计算的传热系数图；图7为以乙醇为工质时光滑Cu表面、纯Cu多孔表面，及实施例1-实施例4中体积比为0.2、0.4、0.6、0.8的SiC/Cu掺混多孔表面的过热度随热通量变化曲线；图8为以水为工质时纯Cu多孔表面及实施例3-实施例8中不同粒径、不同掺杂比例的SiC/Cu掺混多孔表面的过热度随热通量变化曲线；图9为以水为工质时纯Cu多孔表面及实施例3-实施例8中不同粒径、不同掺杂比例的SiC/Cu掺混多孔表面的传热系数随热通量变化曲线；图10为以水为工质纯Cu多孔表面的沸腾实验现象图；图11为以水为工质时实施例2中体积比为0.4的SiC/Cu掺混多孔表面的沸腾实验现象图。具体实施方式实施例1一种功能分区多孔传热表面的制备方法，具体制备过程如图1所示，包括以下步骤：S1、按照SiC/Cu体积比为0.2的比例称取粒径为80～106μm的SiC颗粒0.09g，称取粒径为106～120μm的Cu颗粒1.565g，加入0.213gK2SO4粉体作为制孔剂，混合均匀，加入20uL的无水乙醇使其粘合，搅拌均匀；S2、将搅拌均匀的混合物置于金刚石模具中，在紫铜光滑表面施加16MPa压力压紧，使多孔层厚度为1mm，自然干燥90min；S3、将S2中压紧后的材料在氢气氛围下进行热处理，首先按照3℃/min的升温速率升温至120℃并保温30min，保证溶剂挥发，然后按照相同的升温速率升温至300℃并保温15min，再升温至700℃并保温10min进行预热，最终达到870℃烧结温度并保温40min进行烧结，烧结完成后自然冷却12h；S4、将S3中烧结后的物质使用蒸馏水溶解后干燥得到体积比为0.2的SiC/Cu掺混烧结多孔表面。实施例2按照SiC/Cu体积比为0.4的比例称取粒径为80～106μm的SiC颗粒0.151g，称取粒径为106～120μm的Cu颗粒1.342g，加入0.213gK2SO4粉体混合均匀后加入20uL的无水乙醇使其粘合，然后置于金刚石模具中施加16MPa压力压紧，得到厚度为1mm的多孔层，自然干燥90min，在氢气氛围中按照3℃/m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功能分区多孔传热表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照0.2～0.8：1的体积比例分别称取一定粒径的碳化硅颗粒与铜颗粒并混合，所述碳化硅颗粒的粒径为80～180μm，铜颗粒的粒径为106～120μm，然后向混合颗粒中按照10％～40％的体积分数加入硫酸钾作为制孔剂来控制多孔表面的孔隙率，最后加入少量的乙醇作为粘合剂使碳化硅颗粒与铜颗粒粘接均匀且不分层；S2、将S1得到的混合物加入金刚石模具中，施加12～16MPa的压力压紧得到厚度为毫米级别的薄片，自然干燥90～110min；S3、将S2中压紧的薄片在氢气氛围中采用阶段式烧结工艺进行烧结，首先升温至80～130℃，保温30min，再升温至260～320℃，保温15min，然后升温至680～720℃，保温10min，最后升温至860～880℃，保温40min；S4、将S3煅烧后的产物使用蒸馏水溶解去处制孔剂，干燥得到SiC/Cu掺混烧结多孔表面。

【技术特征摘要】
1.一种功能分区多孔传热表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、按照0.2～0.8：1的体积比例分别称取一定粒径的碳化硅颗粒与铜颗粒并混合，所述碳化硅颗粒的粒径为80～180μm，铜颗粒的粒径为106～120μm，然后向混合颗粒中按照10％～40％的体积分数加入硫酸钾作为制孔剂来控制多孔表面的孔隙率，最后加入少量的乙醇作为粘合剂使碳化硅颗粒与铜颗粒粘接均匀且不分层；S2、将S1得到的混合物加入金刚石模具中，施加12～16MPa的压力压紧得到厚度为毫米级别的薄片，自然干燥9...

【专利技术属性】
技术研发人员：郎中敏，王亚雄，吴刚强，许世民，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15