纳米管阵列修饰表面的沸腾传热机理

作为典型的液－汽相变现象，沸腾表面的微结构处理以强化传热的研究是核电厂、高热流电子元器件以及化工过程工业发展中的关键课题之一，开展相关研究具有重要的科学意义和实用价值。本项目将采用电化学阳极氧化的方法制备TiO2纳米管阵列修饰表面，通过不同的TiO2纳米管管径及管间距等结构参数、表面的亲/疏水特性、以及表面微纳米双尺度结构对纳米管阵列表面的池沸腾传热及气泡动力学进行实验研究，获得微纳米尺度结构参数和物理性质对沸腾成核、气泡脱离频率、临界热流、沸腾传热系数等沸腾传热性能的影响规律，完善并改进临界热流模型，揭示纳米尺度及纳米管阵列表面沸腾传热强化机制，制备具有微纳米双尺度结构的高传热系数、沸腾相变临界热流密度大于250 W/cm2的沸腾传热界面，为实际应用提供科学依据。

项目首先采用阳极氧化法在Ti金属表面，制备了管径可控的TiO2纳米管阵列修饰表面试件，基于制备机理及此界面上的池沸腾实验研究，相继获得以下成果：.(1) 在氧化钛纳米管氧化层的底部发现了氧化钛纳米沟槽岛效应，这种纳米沟槽结构随阳极氧化电压或电解液中酸性增强而更加明显，此发现有助于理解阳极氧化法生成纳米管的过程和机理，由此产生一种纳米级超平表面的化学制备方法。.(2) 在二氧化钛纳米管修饰表面的制备过程中，随阳极氧化时间形成纳米管的密度分布特征提供了一种从稀疏到致密纳米管阵列的制备方法和可解释的形成机制。稀疏TiO2纳米管阵列样品在黑暗干燥存储后可迅速疏水化，形成超疏水界面，采用UV光照射之后，该表面转变为超亲水。通过调节优化阳极氧化各参数，在钛金属基底上直接制备钛纳米针结构表面，在漫反射吸收上明显比钛金属平面的吸收率的高，增强了光的吸收，是一种新型钛黑材料。.(3) 通过采用物理气相沉积法于TiO2纳米管阵列表面修饰一层聚四氟乙烯纳米颗粒，得到超疏水表面，其池沸腾特性表明类似于膜沸腾，沸腾工质难以浸润该表面，其沸腾传热系数及临界热流密度均较低。固液处于Cassie-Baxter接触状态，纳米结构表面向沸腾工质给热效率低，是此表面沸腾效率低的主要原因。.(4) 以TiO2纳米管阵列修饰表面为沸腾传热界面、实验研究了纳米管的管径尺寸对池沸腾效果的影响、以及在沸腾过程中材料表面润湿性能的变化对传热特性的影响。随着纳米管直径尺度渐大时，沸腾传热强化效果逐渐增大。.(5) 气泡动力学高速摄影图像显示，较难观察到单个气泡的生长过程，但仍可明显看到众多气泡生长、合并、脱离的过程。当热流密度增加时，气泡生长、合并速度加快，但脱离速度不够快。当趋近CHF时，可以观察到沸腾表面有一个巨大的气泡，其气泡脱离速度相对核态沸腾时要更慢。.(6) 由于220nm纳米管阵列的TNT层不够结实，在剧烈的沸腾过程中可能会被破坏，从而使CHF下降。TNT完全暴露比不完全暴露的样品有着更低的壁面过热度，但不完全暴露的样品有着更好的机械强度和更高的CHF。.本项目已发表研究SCI论文2篇，国内核心期刊论文2篇，会议论文7篇，获得授权发明专利1件，获得实用新型专利1件，公开发明专利1件。受邀大会报告3次，参加国际学术会议8次，国内学术会议7次。已出站博士后2名，已毕业博士研究生2名，已毕业硕士研究生2名。