金属纤维-粉末烧结复合双峰多孔材料制备及其强化沸腾传热机理研究

This project focus on the critical issue of structure optimization and control of porous metal materials used for enhanced boiling heat transfer. The preparation of sintered copper porous materials will be studied in this project. Copper powder porous layer is sintered on copper fibers and substrate after fine copper powder dip-coating process to fabricate enhanced boing heat transfer porous materials with double peak pore structure composed of sintered fiber large pore structure and sintered fine powder small pore structure. The boiling heat transfer properties will be tested to investigated influence of micro-structure parameter on heat transfer performance, and reveal the enhanced boiling heat transfer mechanism of double peak porous metals to achieve the synergy of the two scale of pore structure in order to maximize enhancement effect of boiling heat transfer. This research provides a new type of porous materials used for enhanced boiling heat transfer, which combines the advantages of sintered fiber porous materials (interconnected pore channel, higher permeability, larger range of porosity) and sintered powder porous materials (higher specific surface area and nucleation site density), and can effectively avoid the defects of such two kinds of porous materials. This research can effectively improve the boiling heat transfer properties of porous materials, and has great scientific and applied value for application of porous materials for high-performance heat transfer equipment.

本项目针对高效紧凑换热器强化沸腾换热多孔表面材料的结构优化与制备这一共性关键问题，在烧结制备铜纤维多孔材料的基础上，采用浸浆法在铜纤维表面以及铜纤维多孔层与致密基板间制备次多孔结构，实现具有铜纤维多孔结构与铜粉末次多孔结构的双峰孔结构强化沸腾传热多孔材料。通过研究铜纤维多孔结构与铜粉末次多孔结构的双峰孔结构的制备过程，实现材料微观结构控制；通过研究材料微观结构对传热性能的影响关系，揭示双峰孔结构的强化传热机制，实现两种孔隙结构的协同作用以实现最大的强化效果。项目的研究为强化沸腾传热用金属多孔材料的发展提供了一种新型金属纤维-粉末复合多孔材料，其融合了纤维多孔材料孔道贯通、渗透率高、孔隙度变化范围大和粉末多孔材料比表面积丰富、汽化核心密度高的优点，同时能够有效规避二者的缺陷，对提升材料的传热性能，推动其在高性能换热设备中的应用具有重要科学意义和应用价值。

本项目在国家青年科学基金项目（51201139）的资助下，开展了铜纤维骨架烧结成孔过程及纤维表面处理工艺、高温下铜粉形成次多孔表面的烧结形成与控制及铜纤维-粉末复合多孔结构材料的强化沸腾传热机理研究，全面完成了各项研究内容。.本项目以烧结紫铜纤维多孔材料为研究对象，通过对铜纤维表面处理工艺的研究，获得了不同直径铜纤维的优化烧结工艺参数，并在降低纤维烧结温度的同时，实现了铜纤维间的有效冶金结合；在铜纤维多孔材料的基础上，采用浸浆法、阳极氧化法和直接灌粉法制备出具有复合双峰孔结构的沸腾换热用金属多孔表面，通过大量工艺实验较好地实现了复合双峰孔结构的制备可控。.项目通过对复合双峰金属多孔表面池沸腾换热性能的检测分析发现，三种方法制备的复合双峰金属多孔表面的池沸腾换热性能与单独的金属纤维多孔表面相比均有明显提升，其中采用直接灌粉法制备的复合双峰金属多孔表面池沸腾换热效果最佳；针对直接灌粉法制备的多孔表面，系统研究了不同铜粉质量、铜纤维层厚度和铜纤维层孔隙度对池沸腾换热性能的影响。通过对大量池沸腾换热性能检测结果分析研究，项目组认为：复合双峰孔结构中的粉末烧结多孔结构和纤维烧结多孔结构共同影响池沸腾换热性能，且在不同沸腾阶段，影响机理及影响效果不尽相同，粉末烧结多孔结构提供大量小凹穴、增加汽化核心数目的同时，纤维烧结多孔结构增大换热比表面积、提供内部毛细吸力，增大液体回流速度，加快凹穴处新汽泡的生成，从而共同作用起到强化换热的效果。根据复合双峰孔结构强化传热机理的分析，项目揭示了双峰孔结构参数对强化传热效果的影响关系，获得的优化孔结构多孔表面其换热系数是铜纤维多孔表面的2.5倍，光表面的5.5倍。.本项目的研究成果可为强化池沸腾传热用金属多孔材料的发展提供一种新的思路，研究的复合双峰多孔表面有效规避了金属纤维多孔表面或金属粉末多孔表面的缺陷，对提升金属多孔表面的池沸腾传热性能，推动其在高性能换热设备中的应用具有重要科学意义和应用价值。.本项目共发表论文5篇，申请专利2项，培养硕士研究生1名。