花型沸腾传热结构及其制备方法技术

本发明专利技术揭示了花型沸腾传热结构及其制备方法，该结构表面覆盖有微纳多孔膜，该微纳多孔膜以铜微米锥为主体，在其表面包覆纳米锥构成分级复合锥结构；这种复合锥结构之间形成了独特的微纳多孔结构。相比单一铜微米锥结构，本发明专利技术的花型沸腾传热结构具有更高的换热面积以及远远更多的成核位点，拥有更卓越的沸腾换热性能，沸腾传热系数以及临界热流密度更高、核态沸腾起始点对应的过热度更低。这种花型沸腾传热结构制备所需的电解液配方简便、经济易得、电镀模式可选范围广，适用于工业化规模应用。

【技术实现步骤摘要】
花型沸腾传热结构及其制备方法
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种花型沸腾传热结构及其制备方法。
技术介绍
随着电子器件微型化、集成化、大功率化的发展，对高热流散热提出了严峻的考验。利用现有的或开发新的微纳加工技术来研制沸腾传热性能更卓越的微纳铜材已成为当前研究焦点。2008年，皇家理工学院Toprak教授团队利用电化学沉积法在铜材表面制备了三维铜材树枝状纳米复合微孔结构并证实其具有高效沸腾传热性能(Adv.Funct.Mater.,2008,18,2215–2220)。这种结构本身是通过动态气泡作为模板制备获得，所以能获得高密度纳米多孔结构，有利于增加气泡的成核位点，大幅度降低起始沸腾点；这种纳米尺度的树枝状结构能够增加换热面积，加速微液层的大面积蒸发，而微米尺度的孔结构有利于减小气泡脱离的阻力，这种微纳结构协同有助于达到强化沸腾传热的目的。然而，这种方法获得的多孔结构与气泡接触面积大，并不利于气泡的脱离，因而不能进一步提升临界热流密度。2017年，美国科罗拉多大学杨荣贵教授团队基于光刻工艺及多孔阳极氧化铝模板辅助电化学沉积技术制备了三维微纳复合铜纳米线结构也证实了这种构型具有高效沸腾传热性能(NanoEnergy,2017,38,59–65)。这种分级结构中的微腔可以增加气泡的成核密度，而纳米线可以增加液体的二次浸润性，而分级结构能起到分离汽液传输通道效果。因此他们发现相比平面表面，液体的临界热流密度提升了71％，对应的传热系数提升了185％，ONB点提前了37％。尽管这种改进的加工工艺能够实现铜线原位生长并具有优异的沸腾传热性能，但这种加工方式存在如下不可避免的问题：需要光刻工艺及阳极氧化铝模板辅助，操作工艺复杂，且受模板限制无法实现大面积加工，而且加工成本随模板面积的增加而剧增；机械紧配很容易导致模板破碎，从而导致纳米线加工质量的不可控。因此，如何开发真正有商业价值的高效沸腾传热微纳铜材及其加工工艺仍面临巨大挑战。
技术实现思路
本专利技术一目的在于提供一种花型沸腾传热结构，用于解决现有技术中临界热流密度低的问题。一实施例中，该花型沸腾传热结构，包括：基材；阵列凸伸于基材表面的针椎状微米铜结构；以及凸伸于微米铜表面的分级纳米锥。进一步地，所述金属膜层由一级锥体及分级锥体构成，所述一级锥体由无数针锥状微米铜结构组成，所述分级锥体由覆设在锥体表面的纳米锥构成。在其他实施例中，微腔也可以是直接凹设形成于基材的表面。另一实施例中，提供一种花型沸腾传热结构，包括：基材；阵列凸伸于基材表面的一级椎体；以及凸伸于一级椎体表面的分级锥体。与现有技术相比，本专利技术的微纳多孔铜材具有更高的换热面积以及远远更多的成核位点，拥有更卓越的沸腾换热性能，沸腾传热系数以及临界热流密度更高、核态沸腾起始点对应的过热度更低。这种微纳多孔铜材制备所需的电解液配方经济易得，适用于工业化规模应用。本专利技术另一目的在于提供一种花型沸腾传热结构的制备方法，金属膜层是在电解液中，通过电沉积形成于基材表面。本专利技术再一目的在于提供一种花型沸腾传热结构的制备方法，分级纳米锥是在电解液中，通过电沉积形成于主体微米锥表面。与现有技术相比，本专利技术的微纳多孔铜材的制备方法其具有工艺简便，原料廉价易得，反应易于调控，成本低廉等特点。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本申请花型微纳复合多孔结构的制备过程示意图；图2a是本申请实施例1中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(5μm)；图2b是本申请实施例1中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(2μm)；图2c是本申请实施例1中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(500nm，图2a的局部放大图)；图3a是本申请实施例1中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(热流密度)；图3b是本申请实施例1中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(传热系数)；图4a是本申请实施例2中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(5μm)；图4b是本申请实施例2中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(2μm)；图4c是本申请实施例2中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(500nm，图4a的局部放大图)；图5a是本申请实施例2中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(热流密度)；图5b是本申请实施例2中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(传热系数)；图6a是本申请实施例3中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(5μm)；图6b是本申请实施例3中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(2μm)；图6c是本申请实施例3中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(500nm，图6a的局部放大图)；图7a是本申请实施例3中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(热流密度)；图7b是本申请实施例3中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(传热系数)；图8a是本申请实施例4中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(5μm)；图8b是本申请实施例4中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(2μm)；图8c是本申请实施例4中花型沸腾传热结构扫描电镜照片(500nm，图8a的局部放大图)；图9a是本申请实施例4中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(热流密度)；图9b是本申请实施例4中花型沸腾传热结构沸腾传热性能图(传热系数)。具体实施方式通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本专利技术。本文中揭示本专利技术的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本专利技术的示范性，本专利技术可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本专利技术的代表性基础。本申请一实施例中，提供一种花型沸腾传热结构，包括铜基材，其表面覆盖有微纳多孔铜膜，该微纳多孔膜以铜微米锥为主体，在其表面包覆镍纳米锥构成分级复合锥结构；这种复合锥结构之间形成了独特的微纳多孔结构；并且，所述主体铜微米锥平均高度为3～8μm，底部直径为500～2200nm，尖端直径为0～50nm；优选的，所述铜微米锥的分布密度为1.0×105～1.0×107个/mm2；优选的，所述多孔微腔结构的尺寸为1～12μm；每个所述分级纳米锥结构的高度大于100nm，且小于等于1000nm，底部直径为50nm-500nm，尖端直径大于1nm，且小于等于50nm。在一优选实施例中，所述基材的材料包含铜、铜合金及其它金属材料，前述铜材的形状不受限制，可以是平整铜片、铜板，也可以是曲面，如铜管内外表面。本申请一实施例中，提供一种花型沸腾传热结构的制备方法，包括：取铜材作为工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种花型沸腾传热结构，其特征在于，包括：/n基材；/n阵列凸伸于基材表面的针椎状微米铜结构；以及/n凸伸于微米铜表面的分级纳米锥。/n

【技术特征摘要】
1.一种花型沸腾传热结构，其特征在于，包括：
基材；
阵列凸伸于基材表面的针椎状微米铜结构；以及
凸伸于微米铜表面的分级纳米锥。


2.根据权利要求1所述的花型沸腾传热结构，其特征在于，所述微米铜结构的平均高度为3～8μm，底部直径为500～2200nm，尖端直径为0～50nm，分布密度为1.0×105～1.0×107个/mm2。


3.根据权利要求1所述的花型沸腾传热结构，其特征在于，微米铜结构之间构成的微腔尺寸为1～12μm。


4.根据权利要求1所述的花型沸腾传热结构，其特征在于，每个所述分级纳米锥结构的高度大于100nm，且小于等于1000nm；
每个所述分级纳米锥结构的底部直径为50nm-500nm；
每个所述分级纳米锥结构的尖端直径大于1nm，且小于等于50nm。


5.根据权利要求1所述的花型沸腾传热结构，其特征在于，所述基材为铜或铜合金...

【专利技术属性】
技术研发人员：高雪峰，吴菲菲，泽花姐，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32