超疏水高效冷凝传热纳米界面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了超疏水高效冷凝传热纳米界面及其制备方法。所述超疏水高效冷凝传热纳米界面由金属纳米线阵列组成，所述金属纳米线阵列中的金属纳米线通过侧向连接避免局部倒伏，且内部不存在因金属纳米线倒伏或团聚形成的微腔缺陷；所述金属纳米线阵列的制备是采用纳米级侧孔分布可控的阳极氧化铝纳米孔模板通过金属纳米电沉积工艺来实现的，所述金属纳米线的材质包括铜、镍、金、银中的任意一种或两种以上的组合；所述超疏水高效冷凝传热纳米界面通过低表面能化学修饰赋予低黏超疏水特性。本发明专利技术提供的制备工艺简单、可控，基于此工艺研制的超疏水高效冷凝传热纳米界面在蒸汽工况下具有优越的防水汽穿透、冷凝微滴融合自弹射去除以及高效冷凝传热功能。去除以及高效冷凝传热功能。去除以及高效冷凝传热功能。

【技术实现步骤摘要】
超疏水高效冷凝传热纳米界面及其制备方法


[0001]本专利技术属于纳米科技和功能界面材料研究领域，具体涉及超疏水高效冷凝传热纳米界面及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，电子器件微型化、集成化和大功率化发展对小空间高热流散热提出了迫切需求，如何设计开发高效冷凝传热界面及新一代高性能均热板已引起国内外广泛关注。受生物灵感启发，科研人员在铜基高效冷凝传热界面研究方面已经取得巨大突破。2013年，美国麻省理工学院的Evelyn Wang教授团队最先提出并证实：在铜基表面原位构筑超疏水氧化铜刀片状纳米结构可实现小尺寸冷凝微滴融合自弹射去除并提升滴状冷凝传热性能30％(Nano Lett， 2013，13，179)；2015年，中科院苏州纳米所高雪峰研究员团队在铜材表面原位构筑了可实现小尺度冷凝微滴自弹射去除功能的超疏水氢氧化铜棱槽纳米针，其冷凝传热系数相比空白疏水铜提升了125％(ACS Appl.Mater.Interfaces，2015，7，10660)；2018年，他们进一步报道了铜材表面原位构筑超疏水密排列氧化锌纳米针阵列结构可提升冷凝传热系数320％(Adv. Funct.Mater，2018，28，1800634)。原理上，铜材表面构筑低黏超疏水纳米界面确实可以实现冷凝液滴在更小尺度自驱离，冷凝液滴驱离直径从毫米量级降至微米量级不仅可以降低液滴自身热阻，而且可以动态释放更多的裸露位点用于相变换热；纳米界面相比普通疏水铜材表面还有更高的比表面积和成核位点，这些界面效应的协同导致超疏水纳米界面具有更卓越的冷凝传热性能。很显然，这些不同构型的超疏水无机纳米膜层尽管可用于概念验证和理解超疏水纳米界面如何设计可实现高效冷凝传质传热，但这些功能膜层与铜基材的热膨胀系数不匹配、存在失稳风险，很难有实用价值。
[0003]众所周知，真正有实用前景的高效冷凝传热纳米界面不仅要追求自身较高的传热系数，而且还需要统筹考虑纳米界面低黏超疏效应在蒸汽工况下的稳定性以及与基材本身的热膨胀匹配性。就铜材而言，铜基表面如何原位构筑同种材质的低黏超疏纳米界面来实现冷凝传热性能大幅度提升仍然是一大挑战。2017年，美国科罗拉多大学杨荣贵教授团队基于阳极氧化铝模板辅助的电镀技术在铜表面原位构筑了具有冷凝微滴融合自弹射去除功能的超疏水铜纳米线阵列结构，其冷凝传热系数相比空白疏水铜最大可提升100％(Nano Energy，2017，33，177)。然而，铜纳米线在加工过程中存在毛细团聚效应，纳米线的倒伏或团聚不可避免会产生无数微米尺寸的空腔缺陷，这些微缺陷遇到高温或高过冷蒸汽时会被穿透，这些位点低粘超疏效应的丧失显然不利于高效冷凝传质传热。为了消除铜纳米线之间随机分布的大量微缺陷，他们巧妙利用“孔道有纳米侧孔”的新型阳极氧化铝模板来设计制作了一种更紧密排列的准直铜纳米线，纳米线之间通过多个纳米突起相互连接(Joule，2018，2，269)。这一创新设计能有效阻止水汽穿透，即使过冷度增加到28K，冷凝微滴融合自弹射去除功能依然存在。然而，问题在于他们采用的阳极氧化铝模板纳米孔通道内部的纳米级侧孔位点及数量均不可控，是随机分布的。这是因为他们用于制造阳极氧化铝模板的铝箔并非高纯铝(纯度99.999％)，而是含有不少杂质的普通铝箔(纯度99％)，这些元素杂
质尽管在阳极氧化过程中可以诱导形成纳米级侧孔，但因其自身尺寸及在铝箔内部空间分布的不可控，必然导致所形成的纳米级侧孔位点及数量的不可控。换言之，基于这种技术加工的铜基不倒伏纳米线必然会面临品质的不可控。此外，这篇文章中所采用的特制普通铝箔来源于美国厂家，国内无法采购；采用类似纯度的国产普通铝箔并采用他们在文献中报道的制备工艺却无法获得不倒伏铜纳米线。很显然，如何获得阳极氧化铝模板纳米孔道内部的纳米级侧孔位点和数量的可控并在此基础上研制更高品质的铜材超疏水高效冷凝传热纳米界面材料就成为亟待解决的技术挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于提供一种超疏水高效冷凝传热纳米界面及其制备方法，以克服现有技术的不足。
[0005]本专利技术实施例提供了一种超疏水高效冷凝传热纳米界面，所述超疏水高效冷凝传热纳米界面由金属纳米线阵列组成，所述金属纳米线阵列中的金属纳米线通过侧向连接，所述金属纳米线阵列内部不存在因金属纳米线倒伏或团聚形成的微腔缺陷；所述金属纳米线阵列的制备是采用纳米级侧孔分布可控的阳极氧化铝纳米孔模板通过金属纳米电沉积工艺来实现的，所述金属纳米线的材质包括铜、镍、金、银中的任意一种或两种以上的组合；所述超疏水高效冷凝传热纳米界面通过低表面能化学修饰赋予低黏超疏水特性，所述超疏水高效冷凝传热纳米界面具有防水汽穿透和高效冷凝传热功能。
[0006]在一些优选实施方案中，所述阳极氧化铝纳米孔模板的内部包括复数个柱形纳米孔通道 (亦记为“纵向纳米通道”)，所述纳米孔通道竖直平行分布不交叉，所述纳米孔通道的中心间距为60nm～500nm，长度为500nm～60μm；所述纳米孔通道内部设置有方位和数量可控的纳米级侧孔，所述纳米级侧孔呈层状分布，层状分布的层数包括一层或两层以上。
[0007]进一步地，所述纳米级侧孔呈层状分布形成一个以上横向侧孔层。
[0008]进一步地，所述纳米侧孔的沿纳米线纵向的方向的孔径范围为10nm～1000nm。
[0009]本专利技术实施例还提供了一种纳米级侧孔分布可控的阳极氧化铝纳米孔模板的制备方法，其包括：所述阳极氧化铝纳米孔模板是通过程控电源在阳极氧化铝纳米孔模板制备过程中引入一次或两次以上的瞬时高电压阳极氧化实现的；其中，所述阳极氧化铝纳米孔模板的制备过程中的工艺条件包括：电解液包括硫酸、草酸、磷酸、乙二酸、丙二酸中的一种或两种以上的组合；瞬时高电压与阳极氧化本征电压的比值为1.3～2，瞬时高电压的反应时间为1～5s，阳极氧化铝纳米孔模板中的柱形纳米孔通道的中心间距由不同配方电解液及匹配的阳极氧化电压来决定，柱形纳米孔通道的深度根据需要由阳极氧化时间决定；阳极氧化铝纳米孔模板的柱形纳米孔通道的孔径根据需要由扩孔时间决定；纳米级侧孔的尺寸由人为引入的瞬时高电压阳极氧化的电压值和反应时间来控制，纳米级侧孔的层状分布的层状分布的层数数量由瞬时高电压阳极氧化的次数来决定。
[0010]进一步地，所述瞬时高电压的数值为15～400V。
[0011]进一步地，所述阳极氧化本征电压的数值为10
‑
300V。
[0012]在一些优选实施方案中，所述超疏水高效冷凝传热纳米界面的制备方法包括：高纯铝箔抛光、一步阳极氧化(氧化过程中引入瞬时高压)、剥铝处理、去除阻挡层和扩孔处理、电镀金属纳米线、去除模板、超疏水修饰。
[0013]在一些更为具体的实施方案中，所述超疏水高效冷凝传热纳米界面的制备方法可以包括：
[0014](1)高纯铝箔抛光：使用纯度＞99.999％的高纯铝基板，在成分为高氯酸和乙醇体积比为1∶5抛光液中进行电化学抛光。铂片为阴极，高纯铝板为阳极，抛光电压20V，在0℃水浴条件下进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超疏水高效冷凝传热纳米界面，其特征在于：所述超疏水高效冷凝传热纳米界面由金属纳米线阵列组成，所述金属纳米线阵列中的金属纳米线通过侧向连接，所述金属纳米线阵列内部不存在因金属纳米线倒伏或团聚形成的微腔缺陷；所述金属纳米线阵列的制备是采用纳米级侧孔分布可控的阳极氧化铝纳米孔模板通过金属纳米电沉积工艺来实现的，所述金属纳米线的材质包括铜、镍、金、银中的任意一种或两种以上的组合；所述金属纳米线阵列通过低表面能化学修饰赋予低黏超疏水特性，所述超疏水高效冷凝传热纳米界面具有防水汽穿透和高效冷凝传热功能。2.根据权利要求1所述的超疏水高效冷凝传热纳米界面，其特征在于：所述阳极氧化铝纳米孔模板的内部包括复数个柱形纳米孔通道，所述纳米孔通道竖直平行分布，所述纳米孔通道的中心间距为60nm～500nm，长度为500nm～60μm；所述纳米孔通道内部设置有方位与数量可控的纳米级侧孔，所述纳米级侧孔呈层状分布，层状分布的层...

【专利技术属性】
技术研发人员：高雪峰，高志强，唐秋龙，
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：