發(fā)布時(shí)間：2020-05-21 11:45

【摘要】：微槽群熱沉具有高強(qiáng)度的相變傳熱能力,其傳熱性能與其潤(rùn)濕特性緊密相關(guān)。構(gòu)建微/納米結(jié)構(gòu)表面被認(rèn)為是進(jìn)一步提高微槽群熱沉內(nèi)液體潤(rùn)濕及傳熱特性的有效手段,然而現(xiàn)有研究中關(guān)于納米結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化微槽群熱沉內(nèi)潤(rùn)濕及傳熱特性研究較少,只有少數(shù)關(guān)于微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)強(qiáng)化流動(dòng)沸騰和池沸騰傳熱特性的報(bào)道。此外,常見的納米結(jié)構(gòu)表面制備工藝需要高花費(fèi)、體積龐大的設(shè)備,涉及較為復(fù)雜、耗時(shí)的加工步驟,加工成本較高,制備得到能夠大規(guī)模工程應(yīng)用的微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉仍具有挑戰(zhàn)性。本文將高效、低成本、易實(shí)現(xiàn)的堿輔助表面氧化法成功應(yīng)用到微槽群結(jié)構(gòu)中,在其表面原位生成了氫氧化銅納米棒陣列結(jié)構(gòu),得到了一種新穎的氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉,并對(duì)其強(qiáng)化潤(rùn)濕特性和傳熱特性進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究,旨在為基于微槽群的微納尺度相變傳熱熱沉的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能改善提供理論依據(jù),對(duì)解決高功率密度電子器件的散熱難題具有較為重要的意義。本文首先通過(guò)探索工藝參數(shù),利用線切割工藝和堿輔助表面氧化法,制備得到了槽道尺寸(槽寬0.3 mm,槽深0.6 mm,槽間距0.3 mm)相同的三種熱沉:紫銅微槽群熱沉、親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉和超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉。通過(guò)掃描電鏡和接觸角測(cè)量?jī)x的測(cè)試,三種熱沉中,紫銅微槽群熱沉表面接觸角為65.2°;當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行至某一時(shí)刻時(shí),紫銅微槽群表面觀察到有氫氧化銅納米棒結(jié)構(gòu)生成,制備得到親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉,表面接觸角減小為45°;當(dāng)繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間到某一時(shí)刻時(shí),紫銅微槽群熱沉表面均勻地覆蓋了稠密且細(xì)長(zhǎng)的氫氧化銅納米棒陣列結(jié)構(gòu),制備得到超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉,接觸角為4.1°。測(cè)試結(jié)果表明:在一定時(shí)間范圍內(nèi),堿輔助表面氧化反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng),表面生成的納米棒尺寸越長(zhǎng)、數(shù)量越多,親水性越好,氫氧化銅納米棒結(jié)構(gòu)表面的生成顯著提高了微槽群熱沉表面的親水性。隨后本文進(jìn)行了上述三種熱沉內(nèi)液體工質(zhì)軸向潤(rùn)濕長(zhǎng)度和蒸發(fā)流動(dòng)特性的可視化對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氫氧化銅納米棒表面顯著強(qiáng)化了微槽群熱沉的潤(rùn)濕性,超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉具有最優(yōu)異的潤(rùn)濕特性。在無(wú)輸入熱流密度時(shí),對(duì)于豎直放置的上述三種熱沉,水在親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉和超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)的潤(rùn)濕長(zhǎng)度相比于紫銅微槽群熱沉分別提高了 150%和300%。在無(wú)輸入熱流密度時(shí),對(duì)于超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉,水和乙醇在熱沉內(nèi)的潤(rùn)濕長(zhǎng)度都隨著熱沉的傾斜角(與水平方向夾角)的增加而減小。在輸入熱流密度為12.5～75 kW·m-2的純蒸發(fā)傳熱條件下,當(dāng)輸入熱流密度相同時(shí),水在超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)潤(rùn)濕長(zhǎng)度最高,親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)潤(rùn)濕長(zhǎng)度次之,紫銅微槽群熱沉內(nèi)潤(rùn)濕長(zhǎng)度最低,超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉能夠支持的輸入熱流密度最高。通過(guò)建立無(wú)輸入熱流密度條件下微槽群結(jié)構(gòu)內(nèi)液體毛細(xì)爬升的理論模型和進(jìn)行毛細(xì)爬升實(shí)驗(yàn),定量評(píng)價(jià)了超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)毛細(xì)性能的改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)液體工質(zhì)為蒸餾水時(shí),對(duì)于超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu),其考慮重力效應(yīng)時(shí)的毛細(xì)性能參數(shù)K/Reff比不考慮重力時(shí)的高261%,因此重力效應(yīng)不可忽略。對(duì)于具有相同微槽尺寸(槽寬0.3 mm,槽深0.6 mm,槽間距0.3 mm)的紫銅微槽群結(jié)構(gòu)和超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu),毛細(xì)性能參數(shù)K/reff分別為4.3μ 和25 μm,超親水氫氧化銅納米棒結(jié)構(gòu)表面的生成使得紫銅微槽群結(jié)構(gòu)的毛細(xì)性能參數(shù)提高了約481%,毛細(xì)性能增量比是目前報(bào)道的最高值之一。通過(guò)對(duì)毛細(xì)壓力和滲透率的進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn),超親水氫氧化銅納米棒結(jié)構(gòu)表面使得微槽群毛細(xì)壓力顯著增加的同時(shí),也略微提高了滲透率,因此大幅度增強(qiáng)了微槽群的毛細(xì)性能,這很好地解釋了超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)潤(rùn)濕特性提高的原因。本文基于自適應(yīng)理論,發(fā)展了用以預(yù)測(cè)純蒸發(fā)傳熱條件下氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)液體潤(rùn)濕長(zhǎng)度的一維軸向流動(dòng)理論模型,其綜合考慮了接觸角、傾斜角、表面結(jié)構(gòu)和輸入熱流密度等影響因素。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明,該模型能夠很好地描述純蒸發(fā)傳熱條件下,液體在不同表面親水性的槽群結(jié)構(gòu)熱沉內(nèi)的潤(rùn)濕特性。本文進(jìn)行了上述三種熱沉的傳熱特性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,純蒸發(fā)傳熱條件下,超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉具有最優(yōu)的傳熱性能。在輸入熱流密度相同時(shí),超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉的表面溫度明顯低于紫銅微槽群熱沉,蒸發(fā)傳熱系數(shù)的最大增強(qiáng)比為100%,這是因?yàn)槌H水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉的形成可以大幅擴(kuò)展具有高傳熱性能的蒸發(fā)薄液膜面積,顯著提高蒸發(fā)傳熱系數(shù)。另一方面,在發(fā)生沸騰傳熱時(shí),表面生成的氫氧化銅納米棒陣列結(jié)構(gòu)形成了許多微/納尺度的孔隙,大大增加了表面粗糙度,導(dǎo)致整個(gè)換熱表面的汽化核心密度增加,因此超親水氫氧化銅納米棒微納復(fù)合槽群結(jié)構(gòu)熱沉相比于紫銅微槽群熱沉具有更好的沸騰傳熱性能。
【圖文】：

第１章引言逡逑（如圖１．邋３），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：亞微米結(jié)構(gòu)和微針翅結(jié)構(gòu)相比光滑表面均對(duì)沸騰逡逑換熱有很大的強(qiáng)化作用，他們的熱通量是光滑表面的１．８？２．３倍，在低熱流密度逡逑區(qū)，亞微米結(jié)構(gòu)芯片具有最高的傳熱性能。逡逑（ａ）微針翅表面結(jié)構(gòu)ＳＥＭ圖邐（ｂ）亞微米結(jié)構(gòu)表面ＡＦＭ圖逡逑（ａ）邋Ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ邋ｆｉｎｓ邐（ｂ）邋Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑圖ｉ．３微針翅表面和亞微米結(jié)構(gòu)表面微觀圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ａｎｄ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｏｆ邋ｍｉｃｒｏｎｅｅｄｌｅ邋ｆｉｎｓ逡逑隨后，Ｋｕｎｕｇｉ等人研宄了一種由百微米級(jí)長(zhǎng)度的碳納米管、氧化鋁和氧逡逑化銅納米顆粒組成的納米多孔結(jié)構(gòu)表面的強(qiáng)化換熱特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米顆粒表面逡逑可以強(qiáng)化換熱。Ｖｅｍｕｒｉ等人［４（）］以ＦＣ－７２介電流體為工質(zhì)研究了氧化鋁納米多孔逡逑表面對(duì)池沸騰傳熱的強(qiáng)化作用，在傳熱實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，相較于光滑表面，氧化鋁納逡逑米多孔表面的起沸點(diǎn)降低，他們認(rèn)為納米表面增強(qiáng)換熱的原因在于其增加了汽化逡逑核心的密度。Ｕｊｅｒｅｈ等人［４１］研究了碳納米管涂層對(duì)池沸騰換熱的影響情況，實(shí)驗(yàn)逡逑測(cè)試了不同碳納米管陣列密度和面積覆蓋比的樣品

Ｔａｎｇ等人［３３］利用犁削擠壓（ｐｌｏｕｇｈｉｎｇ－ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）法制備了三角形微槽，隨逡逑后用ＮａＯＨ溶液對(duì)其進(jìn)行表面化學(xué)腐蝕，形成了具有表面樹皮狀微米粗糙結(jié)構(gòu)的逡逑復(fù)合槽群毛細(xì)芯，其表面微觀結(jié)構(gòu)如圖１．６。他們系統(tǒng)研宄了溶液濃度和腐蝕時(shí)逡逑間對(duì)復(fù)合芯的毛細(xì)性能的影響，如圖１．７，結(jié)果表明，相比于原始未被腐蝕的三逡逑角形微槽，復(fù)合結(jié)構(gòu)內(nèi)液體的潤(rùn)濕高度大大提高，Ｉ．５ｍｏＩ／Ｌ的溶液反應(yīng)ｌＯｍｉｎ后，，逡逑毛細(xì)性能參數(shù)的X椉喲锏階鈑胖擔(dān)岣吡隋澹玻埃罰�。辶x希聥摃埽哄義蟇逡逑ｍ邋■邋ｉｚｚ邋ｓ＾＊邋＊邋＊邋ａｓｓ邐Ｊ邐ｕ＊－ｗ邋ｉ？ｊｗ＊ｊａ－ｓｓ３．邋＊？ｒ＊邐腳喝邋ｉ逡逑（ａ）三角形微槽表面微觀結(jié)構(gòu)邐（ｂ）復(fù)合槽群毛細(xì)芯的表面結(jié)構(gòu)逡逑（ａ）邋Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ邋ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅ邋ｓｕｒｆａｃｅ邐（ｂ）邋Ｈｙｂｒｉｄ邋ｗｉｃｋ邋Ｓｕｒｆａｃｅ逡逑圖１．６具有表面樹皮狀微米粗糙結(jié)構(gòu)的復(fù)合槽群毛細(xì)芯丨５５丨逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．６邋Ｈｙｂｒｉｄ邋ｗｉｃｋ邋ｃｏｍｂｉｎｅｄ邋ｍｉｃｒｏｇｒｏｏｖｅｓ邋ａｎｄ邋ｂａｒｋ邋ｍｉｃｒｏｎ邋ｒｏｕｇｈ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK124

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本文編號(hào)：2674240