纳米线构筑的混合微纳结构表面用于可控强化相变传热

纳米线及其复合结构是当前低维纳米科学研究的重要课题。沸腾作为典型的汽液相变现象，其受热表面的微结构处理以强化换热的研究是致冷工业发展中的关键课题之一。本项目选择以纳米线为基础构筑的混合微纳结构表面以增强沸腾换热，基于表面存在数量巨大的成核点，极高的比表面积大大提高受热面积，以及纳米线间隙可产生极大的毛细作用可引导液体回流的特点，大幅提高传热系数和临界热流。实验上，实现不同直径和排列间隙的纳米线的可控制备，以及在此基础之上构筑混合微纳结构表面，通过研究表面微结构几何参数对沸腾换热的影响，来评估微米级沟槽对于纳米结构沸腾传热的贡献、探索混合微纳结构表面的临界热流理论模型预测及其模拟方法。本课题的研究工作也将为研制以纳米材料修饰界面为基本材料，构建具有优良传热性能的高效紧凑式换热器、微热管等提供理论依据和指导，为强化换热及节能设备的制造和改进提供理论基础。

能源的有效利用、热量传输及其强化是日常生活、工业生产，以及新兴高科技领域中常遇到的问题。尤其当面临世界范围内的能源短缺格局时，透彻研究各种传热过程中的强化机理，设计并制造高效换热器，成为迫切任务。作为一种被动强化传热手段，对传热材料表面进行微加工处理，因其强化效果显著，且不消耗外来动力，便于操作维护，而被广泛应用。随着纳米材料的兴起与发展，其巨大的比表面积，优异的物理特性，逐渐成为节能领域科学研究的新焦点。.本项目旨在围绕纳米材料表面用于强化相变换热时的关键科学问题展开研究。在实验中，使用多种方法制备特征形貌参数可控的微纳结构表面，并将其应用于沸腾传热实验中，利用可视化手段，评估强化效果，分析强化机制，为实际应用提供理论指导与建议。本项目在执行期完成的主要工作如下：.首先，我们使用化学方法，制备出多种纳米材料，包括TiO2纳米管阵列、CuO纳米棒阵列、Si纳米线阵列、Si/Cu2O复合核/壳型纳米线阵列。通过研究其生长过程，调节实验参数，获得了不同纳米线/管高度，以及间隙率的样品。同时研究了纳米材料表面的浸润特性，在Si纳米线表面发展了制备侵润性可调的方法。.其次，发展了一种简单的一步浸泡法，在铜泡沫基底上制备了超疏水表面。室温下，铜泡沫在硬脂酸的乙醇溶液中浸泡4天，可以在其表面形成混合微纳双层结构的硬脂酸铜，该表面的接触角为156˚，滚动角为4˚。与平板铜为基底相比，铜泡沫上的疏水表面具有更好的健壮性和稳定性。该方法可为制备三维超疏水结构提供有益的指导。.再次，以去离子水为工质，对纳米材料表面的池沸腾过程进行了研究。对比于光滑钛金属表面，TiO2纳米阵列会显著强化沸腾换热，降低沸腾起始点的过热度达11K，最大临界热流提升近每平方厘米58W，换热系数为光滑表面的1.86倍。同时，3种高度的纳米管样品换热特性也有明显区别。根据实验结果，我们对TiO2纳米管强化沸腾传热的机理给出了解释。此外，对其沸腾过程中的形貌变化与使用寿命进行了研究，为实际应用提供依据。.最后，在常压下，借助于高速摄像仪对CuO纳米棒阵列覆盖的铜泡沫表面的池沸腾进行了可视化研究。实验显示，随着热流密度的增加，CuO纳米材料表面气泡的产生，生长和脱离过程，与无CuO纳米材料时有显著区别。独立高频气泡群的产生、气泡碎片过程的发生，以及窿状气泡生成的推迟，等过程直观解释了纳米材料强化沸腾换热的机理。