混合润湿表面微纳米阶层结构的设计制备及其沸腾换热研究

The purpose of this research is to address a biphilic design concept based on micro/nano hierarchical structure and investigate the solid-liquid-gas coupled interactions in boiling heat transfer. With the purpose to obtain biphilic effective, the hierarchical structure is built by micro groove and nano particle coupled model using the combined method with laser processing and electrodeposited coating. The function between hierarchical structure and surface wettability is studied by the characterization results of structure and wettability. It will reveal the effect of biphilic on the solid-liquid effective contact area between solid and liquid, gas-liquid flow resistance and bubble growth state. According to these experimental results, the mapping relation of hierarchical structure parameter, biphilic effective and kinetics of bubble is obtained. Meanwhile, the effect of biphilic constructed by hierarchical on the molecular dynamics and thermodynamic characteristics on high temperature in nano-scale by simulation analysis. Thus, the solid-liquid interaction potential function algorithm and gas-liquid motion equation is established. It can reflect the boiling heat transfer mechanism in nano-scale. These research achievement will provide important theoretical basis and technical support for the development of micro electronic devices and application system in a small space.

申请项目提出微纳米二级阶层结构及其形成混合润湿表面的设计新概念，并通过固液气三相作用实现强化沸腾换热的学术构想。研究将以混合润湿效应为目的，拟将通过激光加工与电层积的方法耦合微米沟槽与纳米颗粒形成阶层结构，通过对其形貌及润湿性表征，有待研究阶层结构与其表面润湿性能的函数关系，揭示沸腾换热中由此构成的混合润湿表面对固液有效接触面积、气液流动阻力及气泡生长状态的影响机理，构建阶层结构参数、混合润湿效应与气泡脱离运动的映射关系式；通过建模仿真分析纳米尺度由二级阶层结构构建的混合润湿表面对高温液体分子动力学特性及热力学特性的影响，建立固液相互作用势能函数算法及气液运动方程，揭示纳米尺度沸腾传热机理。这将为狭小空间内高热流密度的微光电子器件及其应用系统的发展和应用提供重要理论基础和技术支撑。

表面特性（粗糙度和润湿性）在热流密度过高的狭小空间沸腾传热中具有巨大潜力。表面特性强化沸腾传热的实质是液态工质在较小的过热度下发生液气相变，进而带着大量热量。然而,由于材料和制造方法的不同,纳米表面微纳结构和润湿性也各不同，导致优化设计纳米结构严重的不确定性。本课题以设计制造微纳表面强化沸腾为目的，利用了仿真和实验两方面手段进行了研究和探索。仿真方面，一方面基于Matlab研究分析金属表面微结构参数的改变对表观接触角的影响。结果表明，在完全润湿和不完全润湿状态下改变金属表面微观形貌会引起了润湿性能发生截然不同的改变。对于获得疏水表面，采用三维方阵阵列与三维方阵阵列二级微结构最为合适，而且一级微结构也可以得到所需疏水性能。该结果指导了后续混合润湿表面加工工艺参数设计。另一方面利用分子动力学理论研究了纳米尺度下阶层结构润湿性能对沸腾传热的影响，从分子角度揭示了亲水与疏水区域的势能差导致负压产生促进液体流动，疏水区域水分子密度明显小于亲水区域，亲水区域微液流保证了液体的提供，疏水区域有助于水分子汽化成核。从分子能量和密度角度解释了混合润湿表面从水温的升高和液态水的蒸发量两方面相较于纯亲疏水表面而言强化了沸腾传热的原因，为狭小空间内散热管理表面设计提供了理论引导。.实验上本课题一方面通过激光加工+离子沉积的加工方式得到微米沟槽和纳米颗粒阶层结构，研究了激光加工功率，扫描速度，扫描次数及沉积参数对加工表面质量，沉积颗粒均匀性的影响规律。结果表明激光功率越大，加工痕迹越明显。加工速度影响激光束与材料相互作用的时间和加工深度。激光次数越多，表面微结构的加工后形貌与尺寸就越明显。而离子溅射获得二级铜基微结构，在一级结构基础上静态接触角增加较小，与理论研究结论相符。以上结论为激光和离子沉积加工二级不同润湿性能金属微结构功能表面提供了数据和方法参考。另一方面通过池沸腾可视化平台成功的搭建，测试了不同的润湿结构表面在沸腾过程中对气泡生长、脱离的影响规律。结果显示光栅结构表面相较于光滑表面促进了气泡的产生并抑制了大气泡的融合延缓了膜态沸腾的发生增强了沸腾传热，直观的验证了微纳结构表面强化沸腾传热的理论。