【摘要】：微槽群熱沉具有高強度的相變傳熱能力,其傳熱性能與其潤濕特性緊密相關。構建微/納米結構表面被認為是進一步提高微槽群熱沉內(nèi)液體潤濕及傳熱特性的有效手段,然而現(xiàn)有研究中關于納米結構表面強化微槽群熱沉內(nèi)潤濕及傳熱特性研究較少,只有少數(shù)關于微納復合槽群結構熱沉內(nèi)強化流動沸騰和池沸騰傳熱特性的報道。此外,常見的納米結構表面制備工藝需要高花費、體積龐大的設備,涉及較為復雜、耗時的加工步驟,加工成本較高,制備得到能夠大規(guī)模工程應用的微納復合槽群結構熱沉仍具有挑戰(zhàn)性。本文將高效、低成本、易實現(xiàn)的堿輔助表面氧化法成功應用到微槽群結構中,在其表面原位生成了氫氧化銅納米棒陣列結構,得到了一種新穎的氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉,并對其強化潤濕特性和傳熱特性進行了理論和實驗研究,旨在為基于微槽群的微納尺度相變傳熱熱沉的優(yōu)化設計和性能改善提供理論依據(jù),對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合槽群結構熱沉和超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉。通過掃描電鏡和接觸角測量儀的測試,三種熱沉中,紫銅微槽群熱沉表面接觸角為65.2°;當反應進行至某一時刻時,紫銅微槽群表面觀察到有氫氧化銅納米棒結構生成,制備得到親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉,表面接觸角減小為45°;當繼續(xù)增加反應時間到某一時刻時,紫銅微槽群熱沉表面均勻地覆蓋了稠密且細長的氫氧化銅納米棒陣列結構,制備得到超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉,接觸角為4.1°。測試結果表明:在一定時間范圍內(nèi),堿輔助表面氧化反應時間越長,表面生成的納米棒尺寸越長、數(shù)量越多,親水性越好,氫氧化銅納米棒結構表面的生成顯著提高了微槽群熱沉表面的親水性。隨后本文進行了上述三種熱沉內(nèi)液體工質軸向潤濕長度和蒸發(fā)流動特性的可視化對比實驗研究,實驗結果表明氫氧化銅納米棒表面顯著強化了微槽群熱沉的潤濕性,超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉具有最優(yōu)異的潤濕特性。在無輸入熱流密度時,對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合槽群結構熱沉和超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉內(nèi)的潤濕長度相比于紫銅微槽群熱沉分別提高了 150%和300%。在無輸入熱流密度時,對于超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉,水和乙醇在熱沉內(nèi)的潤濕長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,當輸入熱流密度相同時,水在超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉內(nèi)潤濕長度最高,親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉內(nèi)潤濕長度次之,紫銅微槽群熱沉內(nèi)潤濕長度最低,超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉能夠支持的輸入熱流密度最高。通過建立無輸入熱流密度條件下微槽群結構內(nèi)液體毛細爬升的理論模型和進行毛細爬升實驗,定量評價了超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構毛細性能的改善。實驗結果表明當液體工質為蒸餾水時,對于超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構,其考慮重力效應時的毛細性能參數(shù)K/Reff比不考慮重力時的高261%,因此重力效應不可忽略。對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)的紫銅微槽群結構和超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構,毛細性能參數(shù)K/reff分別為4.3μ 和25 μm,超親水氫氧化銅納米棒結構表面的生成使得紫銅微槽群結構的毛細性能參數(shù)提高了約481%,毛細性能增量比是目前報道的最高值之一。通過對毛細壓力和滲透率的進一步計算發(fā)現(xiàn),超親水氫氧化銅納米棒結構表面使得微槽群毛細壓力顯著增加的同時,也略微提高了滲透率,因此大幅度增強了微槽群的毛細性能,這很好地解釋了超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構潤濕特性提高的原因。本文基于自適應理論,發(fā)展了用以預測純蒸發(fā)傳熱條件下氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉內(nèi)液體潤濕長度的一維軸向流動理論模型,其綜合考慮了接觸角、傾斜角、表面結構和輸入熱流密度等影響因素。通過與實驗結果的對比表明,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構熱沉內(nèi)的潤濕特性。本文進行了上述三種熱沉的傳熱特性的對比實驗研究,結果表明,純蒸發(fā)傳熱條件下,超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉具有最優(yōu)的傳熱性能。在輸入熱流密度相同時,超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構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)的最大增強比為100%,這是因為超親水氫氧化銅納米棒微納復合槽群結構熱沉的形成可以大幅擴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,表面生成的氫氧化銅納米棒陣列結構形成了許多微/納尺度的孔隙,大大增加了表面粗糙度,導致整個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合槽群結構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），實驗結果表明：亞微米結構和微針翅結構相比光滑表面均對沸騰逡逑換熱有很大的強化作用，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)，亞微米結構芯片具有最高的傳熱性能。逡逑（ａ）微針翅表面結構ＳＥＭ圖邐（ｂ）亞微米結構表面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構表面微觀圖逡逑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長度的碳納米管、氧化鋁和氧逡逑化銅納米顆粒組成的納米多孔結構表面的強化換熱特性，結果發(fā)現(xiàn)納米顆粒表面逡逑可以強化換熱。Ｖｅｍｕｒｉ等人［４（）］以ＦＣ－７２介電流體為工質研究了氧化鋁納米多孔逡逑表面對池沸騰傳熱的強化作用，在傳熱實驗中發(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降低，他們認為納米表面增強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池沸騰換熱的影響情況，實驗逡逑測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溶液對其進行表面化學腐蝕，形成了具有表面樹皮狀微米粗糙結構的逡逑復合槽群毛細芯，其表面微觀結構如圖１．６。他們系統(tǒng)研宄了溶液濃度和腐蝕時逡逑間對復合芯的毛細性能的影響，如圖１．７，結果表明，相比于原始未被腐蝕的三逡逑角形微槽，復合結構內(nèi)液體的潤濕高度大大提高，Ｉ．５ｍｏＩ／Ｌ的溶液反應ｌＯｍｉｎ后，，逡逑毛細性能參數(shù)的X椉喲锏階鈑胖擔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構邐（ｂ）復合槽群毛細芯的表面結構逡逑（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構的復合槽群毛細芯丨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
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院工程熱物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK124

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本文編號：2674240