基于纳米材料的热超导元件及其制备方法技术

本发明专利技术是一种基于纳米材料的热超导元件及其制备方法，它是先制备粒径为１０～１００ｎｍ的高导热性能纳米复合金属粉体、金刚石粉末或金属氧化物，然后用等离子喷涂技术将其在现有强化传热元件表面形成涂层，再用激光蒸发技术使其中一种金属被蒸发，在涂层表面形成纳米或亚微米尺度的微观结构，构造成具有热超导特性的换热元件。本发明专利技术与现有技术相比，具有导热速率快、热阻小、寿命长、高效紧凑、适用范围广等优点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能源
，具体是指一种。
技术介绍
我国工业能耗约占全社会总能耗的50％，且许多耗能密集过程的单元产品能耗水平比国际先进水平高30～90％。换热设备作为一种量大面广的通用设备，广泛应用于工业过程中，以实现工艺流程的热量交换，而换热器用能就占工业总用能的33％。因此，强化换热器传热效率就成为节能降耗的关键技术。目前，国内、外均采用强化传热管的方法来提高换热设备的传热效能，这种通过改变换热表面结构的强化技术，由于受到机加工强度和成本、表面结垢等因素的限制，致使换热设备的传热性能提高不显著。而纳米技术的出现使研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备出现新的转机。纳米级材料由于具有尺寸小、比表面积大及量子尺寸效应和表面效应，使其具有很多特殊的性质。热超导技术正是以纳晶粒子为介质，注入到金属(或非金属)表面形成“纳米结构层”，构造成具有热超导特性的换热元件，以实现工业上广泛使用的热交换设备节能节材之目的。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服现有工业及民用热交换设备中存在的传热效率低、体积大、热阻大等缺陷，提供一种。该元件表面切向热阻趋近于零，有效地提高热交换设备的传热性能，减少热交换设备体积，达到节能节材的目的。本专利技术所述的一种基于纳米材料的热超导元件的制备方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件第一步 制备粒径为10～100nm的高导热性能纳米复合金属粉体、金刚石粉末或金属氧化物；第二步 用等离子喷涂技术将上述材料在现有强化传热元件表面形成涂层——纳米结构层；第三步 用激光蒸发技术使其中一种金属被蒸发，在涂层表面形成纳米或亚微米尺度的微观结构，使得换热表面沿切向方向热阻趋近于零，构造成具有热超导特性的换热元件。为了更好地实现本专利技术，上述第一步的制备方法可以采用机械球磨法、沉淀转化法或溶胶—凝胶法；高导热性能纳米复合金属粉体是Cu、Al、Ag、Fe、Ti中任意两种混合物，其高熔点物质与低熔点物质的重量比为5～25∶75～95；金属氧化物材料是CuO、Al2O3、SiO2、TiO2；第三步的激光蒸发技术是在800～1500℃的温度范围内，蒸发其中一种低熔点金属。专利技术人通过反复试验证明，换热元件表面“纳米结构层”厚度为100nm～4μm，孔径分布为30～90nm时，换热元件沿表面切向导热系数最大，此时切向热阻趋近于零。本专利技术所述的一种基于纳米材料的热超导元件就是通过上述方法制备的。热超导元件是换热设备中的主要构件，可以在管壳式、盘管式换热器中的各种强化换热管(依照换热器的使用场合，换热管可以是两端封闭，也可以是未封闭的)上加工而成，也可以应用于板式换热器中的换热板等。该传热元件不局限于普通光滑表面，也可以是经过机加工或其它方法处理过的粗糙表面。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1.本专利技术提供的一种基于纳米材料的热超导元件导热速度快，在换热表面切向方向具有热超导性，可将热量迅速从一端传递到另一端。2.本专利技术提供的一种基于纳米材料的热超导元件在使用过程中，其表面温度均匀，避免材料热应力分布不均所产生的破坏作用，提高换热系统的稳定性，延长换热器的使用寿命。3.本专利技术提供的一种基于纳米材料的热超导元件有良好的传热性能，减少了对设备的尺寸要求，应用于换热设备，可提高换热系数，使得换热器结构紧凑。4.本专利技术适用范围广，可在多种工业与民用换热器中应用，如空气冷却器、空气加热器、热水器、省煤器、废热锅炉、电暖器、冰箱空调的蒸发器与冷凝器、电子元件散热片、再沸器等。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式并不局限于此。实施例一原材料为金属Al粉末，熔点为660℃、粒径为1～100μm；金属Cu粉末，熔点为1063℃、粒径为1～100μm。具体步骤为将Al和Cu金属粉末按重量比为5∶95的比例混合置于高能球磨机中，在450℃研磨，形成粒径在20～50nm范围的Al-Cu复合金属粉末，将该种粉末通过等离子法喷涂于换热管内、外壁面，然后采用激光蒸发技术在880℃时，使其中的金属Al蒸发，形成厚度为100nm～4μm、孔径分布为30～50nm铜纳晶粒子的热超导层。如上所述，即可较好地实现本专利技术。实施例二原材料为金属Al粉末，熔点为660℃、粒径为1～100μm；金属Cu粉末，熔点为1063℃、粒径为1～100μm。具体步骤为将Al和Cu金属粉末按重量比为15∶85的比例混合置于高能球磨机中，在450℃研磨，形成粒径在20～50nm范围的Al-Cu复合金属粉末，将该种粉末通过等离子法喷涂于换热管内、外壁面，然后采用激光蒸发技术在800℃时，使其中的金属Al蒸发，形成厚度为100nm～4μm、孔径分布为50～70nm铜纳晶粒子的热超导层。如上所述，即可较好地实现本专利技术。实施例三原材料为金属Al粉末，熔点为660℃、粒径为1～100μm；金属Cu粉末，熔点为1063℃、粒径为1～100μm。具体步骤为将Al和Cu金属粉末按重量比为25∶75的比例混合置于高能球磨机中，在450℃研磨，形成粒径在20～50nm范围的Al-Cu复合金属粉末，将该种粉末通过等离子法喷涂于换热管内、外壁面，然后采用激光蒸发技术在880℃时，使其中的金属Al蒸发，形成厚度为100nm～4μm、孔径分布为70～90nm铜纳晶粒子的热超导层。如上所述，即可较好地实现本专利技术。实施例四原材料为金属Fe粉末，熔点为1080℃、粒径为1～100μm；金刚石粉末，熔点为3650℃、粒径为1～100μm。具体步骤为将Fe和金刚石粉末按重量比为25∶75的比例混合置于高能球磨机中，在450℃研磨，形成粒径在20～50nm范围的Fe-金刚石复合金属/非金属粉末，将该种粉末通过等离子法喷涂于换热管内、外壁面，然后采用激光蒸发技术在1500℃时，使其中的金属Fe蒸发，形成厚度为100nm～4μm、孔径分布为30～90nm金刚石纳晶粒子的热超导层。如上所述，即可较好地实现本专利技术。实施例五原材料为金属Al粉末，熔点为660℃、粒径为1～100μm；钛酸四丁酯(TBtOT)，乙醇，聚乙二醇(PEG-600)，水，硝酸。具体步骤为将金属Al粉末置于高能球磨机中，在450℃研磨，形成粒径在20～50nm范围的金属Al粉末；采用溶胶—凝胶法，利用钛酸四丁酯(TBtOT)、乙醇、聚乙二醇(PEG-600)、水和硝酸反应，经分离、陈化、干燥后，制得粒径在10～30nm范围内的TiO2金属氧化物粉末；将上述两种粉末按重量比15∶85的比例混合；将混合后的粉末通过等离子法喷涂于换热管内、外壁面，然后采用激光蒸发技术在1200℃时，使其中的金属Al蒸发，形成厚度为100nm～4μm、孔径分布为30～90nm的TiO2纳晶粒子的热超导层。如上所述，即可较好地实现本专利技术。实施例六原材料为金属Al粉末，熔点为660℃、粒径为1～100μm；氢氧化钠，硝酸铜，去离子水。具体步骤为将金属Al粉末置于高能球磨机中，在450℃研磨，形成粒径在20～50nm范围的金属Al粉末；采用沉淀转移法，利用氢氧化钠、硝酸铜和去离子水反应，经分离、干燥，制得粒径在20～50nm范围内的CuO金属氧化物粉末；将上述两种粉末按重量比15∶85的比例混合；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于纳米材料的热超导元件的制备方法，其特征是，它包括如下步骤和工艺条件：第一步 制备粒径为１０～１００ｎｍ的高导热性能纳米复合金属粉体、金刚石粉末或金属氧化物；第二步 用等离子喷涂技术将上述材料在现有强化传热元件表面形成涂层； 第三步 用激光蒸发技术使其中一种金属被蒸发，在涂层表面形成纳米或亚微米尺度的微观结构，构造成具有热超导特性的换热元件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高学农，丁静，杨晓西，方玉堂，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]