專利名稱：一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)展，能源的不斷消耗，節(jié)約和有效利用自然資源更廣泛地受到了人們的關(guān)注。
在能源的利用和傳遞中，有效的強(qiáng)化傳熱過(guò)程對(duì)于提高整個(gè)傳熱系統(tǒng)的效率和降低設(shè)備的投資與運(yùn)行費(fèi)用至關(guān)重要。目前，強(qiáng)化沸騰傳熱的主要方法是改善傳熱表面結(jié)構(gòu)。
多孔結(jié)構(gòu)作為常用的表面結(jié)構(gòu)，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始發(fā)展，現(xiàn)今已成為工業(yè)應(yīng)用前景廣泛的強(qiáng)化沸騰結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)的制作方法中，燒結(jié)粉末法和機(jī)械加工法的強(qiáng)化效果最好。但是，粉末燒結(jié)法沸騰嚴(yán)重滯后，加工能耗大，機(jī)械加工法孔隙率小，加工尺寸要求嚴(yán)格。
隨著微納米技術(shù)的發(fā)展，強(qiáng)化沸騰傳熱的微尺度多孔表面逐漸受到人們的關(guān)注。 微納米尺度多孔結(jié)構(gòu)的存在可以有效提高加熱壁面的比表面積、改變固液界面的浸潤(rùn)特性、提 高汽泡成核密度及脫離頻率，從而提高沸騰換熱能力。強(qiáng)化傳熱沸騰的納米多孔金屬表面更是在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、力學(xué)性能、熱導(dǎo)率等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有很好的研究及應(yīng)用價(jià)值。
目前，制備納米多孔金屬結(jié)構(gòu)比較成熟的方法主要有模板法和脫合金法。模板法制備過(guò)程復(fù)雜、成本較高，不適合批量生產(chǎn)；而脫合金法主要用來(lái)制備納米多孔塊體金屬材料。
因此，目前沒(méi)有合適的開(kāi)發(fā)低成本、易批量化的納米多孔強(qiáng)化沸騰結(jié)構(gòu)的制備工藝。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有納米多孔強(qiáng)化沸騰結(jié)構(gòu)的技術(shù)不足，提供一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步地，提供一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為提供一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)，包括金屬基體，金屬基體上具有雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)；納米多孔結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸為15nnTlum。
優(yōu)選地,所述金屬基體為銅。
進(jìn)一步地，提供一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟1)熱浸鍍鋅，實(shí)現(xiàn)表面合金化，形成CU-Zn前驅(qū)體合金層；2)脫合金化處理，實(shí)現(xiàn)Zn組分的選擇性溶解，形成納米多孔銅表面結(jié)構(gòu)；3)后續(xù)熱處理。
優(yōu)選地，步驟(I)中所述熱浸鍍鋅過(guò)程為將金屬基體浸潰于500°C飛40°C的鋅浴中保持3mirT5min，以確保金屬的組分滿足臨界脫合金組分的要求。
優(yōu)選地,所述Cu-Zn前驅(qū)體合金層主要由Y -Cu5Zn8和β -CuZn形成。
優(yōu)選地，步驟(2)中所述脫合金化處理的過(guò)程為進(jìn)行化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，通過(guò)控制電解質(zhì)溶液的組分與腐蝕時(shí)間實(shí)現(xiàn)納米多孔表面孔徑、形貌的調(diào)節(jié)；其中，電解質(zhì)溶液的組分為O. 001 M/L O. 01M/L的硫酸，電解質(zhì)溶液的外加電勢(shì)相對(duì)于汞一硫酸亞汞電極 (MSE)的參比電極在-O. 5^-0.1v,電解質(zhì)溶液的溫度為25°C 60°C。
優(yōu)選地，步驟(3)中所述后續(xù)熱處理過(guò)程為置于氫氣或氬氣氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中， 燒結(jié)溫度為200°C 600°C，燒結(jié)時(shí)間為O. 5hr 2hr，以進(jìn)一步調(diào)節(jié)孔徑尺寸及形貌。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果本發(fā)明成本低，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，且通過(guò)脫合金工藝優(yōu)化及后續(xù)熱處理工藝可對(duì)納米多孔金屬表面結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸、比表面積、表面浸潤(rùn)性等強(qiáng)化沸騰關(guān)鍵表面參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，以滿足不同強(qiáng)化沸騰性能要求。


圖1為熱鍍鋅形成Cu-Zn前驅(qū)體合金層的示意圖；圖2為脫合金化形成的納米多孔銅表面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖； 圖3為納米多孔金屬表面和光滑金屬表面過(guò)熱度的比較示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，實(shí)施例不能在此一一贅述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不因此限定于以下實(shí)施例。除非特別說(shuō)明，本發(fā)明采用的材料和加工方法為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)材料和加工方法。
入圖1和2所示，一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)，包括銅金屬基體，金屬基體上具有雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)；納米多孔結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸為10ηπΓ9μπι。
上述納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟(I)金屬基體的預(yù)處理用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的氫氧化鈉溶液對(duì)銅基材料除脂，再用5%鹽酸溶液浸洗后助鍍，助鍍劑配方為180 g/LZnCl2； 120g/L NH4Cl。
(2)熱鍍鋅；將預(yù)處理后的銅基材料浸潰于540°C鋅浴中2min，水冷，表面合金化形成厚約20um的Cu-Zn前驅(qū)體合金層；(3)將表面合金化的銅基材料浸潰于5wt %NaOH溶液中脫合金化，控制反應(yīng)溫度為 25°C，反應(yīng)時(shí)間48h。
(4)將脫合金化的銅基材料用去離子水和酒精依此漂洗，并用氮?dú)獯蹈伞Ｋ眉{米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面如圖1所示，厚度約為20um，具有雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)分布均勻，如圖2所示，平均孔隙尺寸為IlOum左右，孔隙率為此處為確切的數(shù)值，因?yàn)橥ㄟ^(guò)熱浸鍍方法獲得的熱浸鍍層組分存在梯度33 44%，接觸角約為54°，浸潤(rùn)性能良好，孔隙形成的通道有利于氣體的逃逸，增加汽化核心的數(shù)目，表現(xiàn)出強(qiáng)化沸騰的良好效果。
如圖3所示，納米多孔金屬表面的過(guò)熱度明顯要比同一熱流密度下的光滑金屬表面小，在20KW/m2時(shí)過(guò)熱度減小達(dá)63. 3%。
上述實(shí)施例僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來(lái)限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。即凡依本發(fā)明內(nèi)容所作的均等變化與修飾，都為本發(fā)明權(quán)利要求所要求保護(hù)的范圍所 涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)，其特征在于包括金屬基體，金屬基體上具有雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)；納米多孔結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸為15nnTlum。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)，其特征在于所述金屬基體為銅。
3.如權(quán)利要求2所述的納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于包括如下步驟1)熱浸鍍鋅，實(shí)現(xiàn)表面合金化，形成Cu-Zn前驅(qū)體合金層；2)脫合金化處理，實(shí)現(xiàn)Zn組分的選擇性溶解，形成納米多孔銅表面結(jié)構(gòu)；3)后續(xù)熱處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟(I)中所述熱浸鍍鋅過(guò)程為將金屬基體浸潰于500°C飛40°C的鋅浴中保持3mirT5min，以確保金屬的組分滿足臨界脫合金組分的要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述Cu-Zn前驅(qū)體合金層主要由Y -Cu5Zn8和β -CuZn形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述脫合金化處理的過(guò)程為進(jìn)行化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，通過(guò)控制電解質(zhì)溶液的組分與腐蝕時(shí)間實(shí)現(xiàn)納米多孔表面孔徑、形貌的調(diào)節(jié)；其中，電解質(zhì)溶液的組分為O.001 M/L O. 01M/L的硫酸，電解質(zhì)溶液的外加電勢(shì)相對(duì)于汞一硫酸亞汞電極的參比電極在-O. 5^-0.1v,電解質(zhì)溶液的溫度為25°C 60°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述后續(xù)熱處理過(guò)程為置于氫氣或氬氣氣氛保護(hù)燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度為·2000C 600°C，燒結(jié)時(shí)間為O. 5hr 2hr，以進(jìn)一步調(diào)節(jié)孔徑尺寸及形貌。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種納米多孔強(qiáng)化沸騰金屬表面結(jié)構(gòu)及其制備方法，包括金屬基體，金屬基體上具有雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)；納米多孔結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸為10nm~9μm。本發(fā)明成本低，操作過(guò)程簡(jiǎn)單，且通過(guò)脫合金工藝優(yōu)化及后續(xù)熱處理工藝可對(duì)納米多孔金屬表面結(jié)構(gòu)的孔徑尺寸、比表面積、表面浸潤(rùn)性等強(qiáng)化沸騰關(guān)鍵表面參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，以滿足不同強(qiáng)化沸騰性能要求。
文檔編號(hào)C22C1/08GK102994793SQ20121044710
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者湯勇, 唐彪, 沈玉琴, 陸龍生, 關(guān)沃歡 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)