[发明专利]花型沸腾传热结构及其制备方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种花型沸腾传热结构及其制备方法。

背景技术

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(Nano Energy,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。

发明内容

本发明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，本发明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。

本发明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。