低结点热阻碳纳米管连续网络薄膜强化核态沸腾传热的研究

The large-area carbon nanotube (CNT) films synthesized directly via a floating catalyst chemical vapor deposition (FCCVD) method is an ideal textured surfaces for enhanced nucleate boiling heat transfer because of their unique advantages, such as low inter-tube junction thermal resistance, nano-scale porosity, interconnected network architecture and easy realization of large-scale production. The superior microstructure and properties will lead to novel features and laws of liquid flow and micro bubble dynamic behaviors on the directly grown CNT film surface, and then significantly affect the nucleate boiling characteristics, which enables to substantially improve critical heat flux and heat transfer coefficient. In this study, we plan to systematically investigate the micro bubble dynamic and nucleate boiling characteristics on the directly grown CNT film surface by the advanced high-resolution techniques, such as infrared (IR) thermometry, ultrahigh-speed microscope photography and micro particle image velocimetry (Micro-PIV). Based on the unique features of directly grown CNT films, we can easily modify their microstructure, hydrophobic-hydrophilic composite wettability and thickness, consequently explore the effects of microstructure, wettability and dimension on nucleate boiling characteristics. Through the systematical experimental researches and theoretical analysis as well as numerical simulation, the ultimate aim of this study is to reveal the mechanism of nucleate boiling heat transfer enhancement and critical heat flux formation on directly grown CNT films with low junction thermal resistance and interconnected network architecture.

浮动催化化学气相沉积法直接生长的大面积碳纳米管薄膜具有独特优势，如低管间结点热阻、纳米级多孔性、连续网络结构及可大规模生产，是一种理想的强化核态沸腾传热的织构表面。直接生长的碳纳米管薄膜优异的微观结构和性质将导致其表面的液体流动和微气泡动力学行为出现崭新的特点和规律，对核态沸腾产生重要影响，使大幅度提高临界热流密度和换热系数成为可能。本申请项目拟通过红外热成像显微测温、超高速显微摄影、Micro-PIV粒子图像测速等技术系统研究直接生长的碳纳米管薄膜表面的微气泡动力学和核态沸腾特性。基于直接生长的碳纳米管薄膜的特色，可以很容易调控其微观结构、亲疏水复合润湿特性和厚度尺寸，从而探索碳纳米管薄膜微观结构、润湿效应、尺寸效应等对核态沸腾特性的影响规律。本研究的最终目的是通过系统的实验研究，结合理论分析和数值模拟揭示纳米多孔低结点热阻碳纳米管连续网络结构强化核态沸腾传热及临界热流密度形成的机理。

在传热表面上构筑纳米材料涂层是强化沸腾传热的重要途径，有望实现传热强化的新突破，解决高热流密度器件的热管理难题。碳纳米材料（例如石墨烯、碳纳米管）具有极其优异的热、力性质和化学稳定性，研制高性能、高稳定的碳纳米涂层并研究其表面的沸腾传热现象具有重要的科学意义和广泛的应用前景。因此，本项目对碳纳米连续薄膜涂层的制备及其强化核态沸腾传热特性与机理进行了系统的研究：（1）设计并搭建了适用于研究微纳米结构表面池沸腾传热特性的超高热流密度可视化实验系统；（2）深入研究并发展了简单、低成本、易扩展的核态沸腾自组装法，通过精心地选择和调控工艺参数，在铜平面上实现了两种典型的碳纳米材料连续薄膜涂层的自组装沉积及性能优化：氧化石墨烯层压薄膜和碳纳米管纳米多孔薄膜，最优的临界热流密度（CHF）和换热系数（HTC）可达261 W cm-2和10.7 W cm-2 K-1，处于已报道的平面型强化沸腾表面的最高水平；（3）通过多次沸腾循环测试和表面形貌的表征，验证了自组装碳纳米薄膜涂层优异的稳定性和耐用性；（4）对不同表面的气泡动力学行为进行了可视化实验研究，并基于理论模型，从微观结构、润湿性、毛细吸液、热还原效应和热活性等角度出发，定量分析并阐明了碳纳米薄膜涂层的表面特性和厚度及过冷度等因素对核态沸腾传热特性的影响及机制，揭示了碳纳米连续薄膜涂层强化沸腾传热的机理；（5）考虑表面纳米结构对润湿性、粗糙度及毛细吸液作用等因素的影响，基于力平衡发展了碳纳米薄膜涂层CHF的预测模型，获得相应关系式；（6）进一步系统探究了自组装沉积参数对碳纳米薄膜涂层的表面形貌、润湿性、厚度、沸腾传热性能及稳定性的影响，通过综合考虑沸腾性能和制备效率，获得最佳的工艺参数，为高性能的碳纳米连续薄膜沸腾表面的工程应用奠定了基础。本项目已发表学术论文9篇，均为唯一标注。其中SCI论文5篇，4篇为一区期刊，1篇为二区TOP期刊；国内国际会议论文4篇。培养硕博士研究生4名。