基于铜管内壁多/微尺度表面结构和梯度接触角特性的毛细流动与强化散热

以新颖的高性能多尺度茸状沟槽式微热管（φ3～6mm铜管）为研究对象，水为主要的相变工质，研究管内壁多/微尺度表面结构与轴向梯度接触角涂层促进液体毛细回流及强化传热的过程与机理。建立微热管内壁多齿沟槽表面叠加微沟痕和茸状形貌（且考虑梯度接触角涂层影响）多尺度耦合作用与微尺度效应下毛细压力、回流阻力以及热量传输的理论模型，为新颖的高性能多尺度茸状沟槽式微热管设计提供理论依据，实现按功能需求主动设计沟槽结构、亚结构参数和内表面梯度涂层特性的目的；研究还将对高相对粗糙度管内流体流动、表面结构/梯度涂层优化促进毛细流动与减阻以及气液两相流理论的发展有重要作用。

研究了在金属铜表面及沟槽铜微热管内壁构建稳定的润湿性梯度的方法，包括采用酯类聚合物涂膜、有机-无机杂化涂层、化学氧化或电化学氧化法等，发现这些方法均能在铜表面构建不同接触角范围的润湿梯度，尤以化学氧化法（经碱液和氧化剂处理）所构建的润湿梯度表面耐热水性能最佳，达到微热管使用要求。该法可通过控制氢氧化铜晶须的生长程度，在铜或微热管内壁制备出接触角范围为3°～90°的连续或阶跃分布润湿梯度表面。研究聚合物涂膜的表面润湿特性发现，丙烯酸酯类聚合物侧链长度、玻璃化温度与涂膜表面润湿性间存在一定的关联，短侧链和低玻璃化温度的丙烯酸酯类聚合物其涂膜表面的亲水性较好。而含氟丙烯酸酯共聚物中的碳氢侧链结晶有利于全氟链段在成膜时更易于向涂膜-空气界面迁移，从而可使聚合物涂膜表面的疏水性提高。对毛细流体在梯度润湿表面上的流动进行了初步的分析，结果表明，润湿性梯度壁面会使流体在接近梯度末端（对应于微热管的蒸发端）附近时流动速度得以提高，接触角（cosθ）线性分布的梯度润湿表面对流体流动的促进作用更明显。微热管散热研究表明，梯度润湿表面可促进液相回流速度，微热管经内壁润湿梯度化处理后，微热管热阻可减少90%，换热量可增加达1～5倍。