（工程热物理专业论文）铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究.pdf

m a s t e rt h e s i s e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no n s u r f a c ew i t h c o p p e r n a n o w i r ea r r a y sf o re n h a n c e dp o o l b o i l i n g h e a tt r a n s f e r b y c h e n 肠i s u p e r v i s e d b yp r o fb os h i n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y d e c e m b e r ，2 0 1 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 2 0 1 3 年乡月髟日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 2 0 1 3 年多月衫日 硕士论文铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 摘要 强化池沸腾换热技术是强化传热领域中的一个非常重要的方面。随着微纳米技术的 发展，人们已经制备出了各种微纳结构，并用于强化池沸腾换热的研究。近几年来，铜 纳米线阵列表面已被证明能够强化池沸腾换热。 本文围绕铜纳米线阵列表面的制备以及强化池沸腾换热两方面的内容，研究了铜纳 米线阵列表面的制备方法，并对其用于强化池沸腾换热的效果进行了实验分析。 本文以多孔氧化铝为模板，通过直流电化学沉积，采取两步法制备出了不同高度的 铜纳米线阵列。与其他制备方法相比，本方法可直接在光滑表面上生长纳米线阵列，在 用于池沸腾换热时，可以减少接触热阻。通过比较电镀液类型对纳米线阵列表面形貌的 影响，发现在焦磷酸铜电镀液中更适合制备具有很大长径比、整齐的铜纳米线阵列。在 焦磷酸铜电镀液中，控制其他实验条件不变，通过改变电镀时间制备出了不同高度的铜 纳米线阵列，分析结果显示铜纳米线阵列的生长速率约为5 1 t m h 。 对不同高度的铜纳米线阵列表面在饱和去离子水中的池沸腾换热特性进行了实验 研究。与光滑表面相比：铜纳米线阵列表面表现出了较好的池沸腾换热性能，一方面， 铜纳米线阵列表面的最高临界热流密度可达2 2 7w c m z ，约为光滑表面的1 5 倍；另一 方面，在铜纳米线阵列表面达到临界热流密度时，其过热度比光滑表面降低了6 6 。 另外，不同高度的铜纳米线阵列对池沸腾换热的强化效果也不一样，其强化换热效果随 着纳米线阵列高度的增加而增强。 关键词：铜纳米线阵列，电化学沉积，强化沸腾换热，临界热流密度 a b s t r a c t e n h a n c e dp o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e rt e c h n o l o g yi sav e r yi m p o r t a n ta s p e c ti nt h ef i e l do f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a n o t e c h n o l o g y ，p e o p l eh a v ea l r e a d y p r e p a r e dav a r i e t yo fm i c r o n a n os t r u c t u r e ，a n du s e d t os t r e n g t h e nt h es t u d yo fb o i l i n gh e a t t r a n s f e r i nr e c e n ty e a r s ，t h es u r f a c eo ft h ec o p p e rn a n o w i r ea r r a y sh a v eb e e ns h o w nt o s t r e n g t h e nt h ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e r i nt h i sp a p e r ，i n c l u d es u c ht w om a i na s p e c t sa sp r e p a r a t i o no fc o p p e rn a n o w i r ea r r a y s d i r e c to nf l a tc o p p e rs u r f a c ea n de x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o no ft h ei n f l u e n c eo fn a n o w i r e d s u r f a c eo np o o lb o i l i n gp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h et w o s t e pm e t h o d ，an e wt e c h n i q u eu t i l i s i n gd ce l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n w i t ht h ea s s i s t a n c eo fp o r o u sa n o d i ca l u m i n a ( p a a ) m e m b r a n e sa st h ef a b r i c a t i o nt e m p l a t ei s d e v e l o p e dt od i r e c t l yg r o wc o p p e rn a n o w i r e so nap l a i nc o p p e rs u b s t r a t e c o m p a r e dw i t h o t h e rp r e p a r a t i o nm e t h o d s ，t h i st e c h n i q u ec a ng r o wn a n o w i r ea r r a y sd i r e c t l yo nc o p p e r s u r f a c ef o rb o i l i n gh e a tt r a n s f e r ，w h i c hc a nr e d u c et h et h e r m a lc o n t a c tr e s i s t a n c e t h es u r f a c e m o r p h o l o g yo ft h en a n o w i r ea r r a y sp r o d u c e di nd i f f e r e n tt y p e so fe l e c t r o p l a t i n gs o l u t i o nw e r e c o m p a r e d ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep y r o p h o s p h a t ep l a t i n gs o l u t i o ni sm o r es u i t a b l ef o rt h e p r e p a r a t i o no fal a r g ea s p e c tr a t i o ，u n i f o r mn a n o w i r ea r r a y s d i f f e r e n th e i g h t so fn a n o w i r e a r r a y sw e r ep r e p a r e db yc h a n g i n gt h ep l a t i n gt i m e w h i l ec o n t r o lo fo t h e re x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n su n c h a n g e d ，t h eg r o w t hr a t eo ft h ec o p p e rn a n o w i r ea r r a y si sa b o u t5 岬p e r h o u r t h es u r f a c eo ft h ec o p p e rn a n o w i r ea r r a y sw i t hd i f f e r e n th e i g h t sw e r ee x a m i n e du n d e r p 0 0 1b o i l i n gw i t hw a t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e n a n o w i r e ds u r f a c ec a ns i g n i f i c a n t l y i n c r e a s et h ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e re f f e c t s ，t h ec r i t i c a lh e a tf l u xo ft h en a n o w i r e ds u r f a c ei s m u c hh i g h e rt h a nt h ep l a i ns u r f a c e ，t h eh i g h e s tc r i t i c a lh e a tf l u xi s2 2 7w c m z ，a sm u c h a s1 5 t i m e st h a to n ap l a i ns u r f a c e ，t h es u p e r h e a tc a nb em o s t l yr e d u c e da b o u t6 6 。ca tt h ec r i t i c a l h e a tf l u x t h ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h es u r f a c ew i t hn a n o w i r ea r r a y si s e n h a n c e dw i mt h ei n c r e a s i n go ft h en a n o w i r ea r r a y sh e i g h t s k e yw o r d ：c o p p e r n a n o w i r e a r r a y s ，e l e c t r o c h e m i c a l d e p o s i t i o n ，p o o l b o i l i n g e n h a n c e m e n t ，c r i t i c a lh e a tf l u x i i 硕士论文 铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 目录 摘兰耍。i a b s t r a c t i i 图表目录。v 1 绪论1 1 1 背景与意义1 1 2 池沸腾换热简介1 1 2 1 池沸腾换热曲线一2 1 2 2 强化池沸腾换热的研究进展3 1 2 3 强化池沸腾换热的措施5 1 3 铜纳米线阵列表面的制备6 1 4 铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的研究现状8 1 5 本文主要工作及研究内容1 0 2 实验设计1 1 2 1 池沸腾实验系统11 2 2 实验准备1 4 2 2 1 热电偶的标定1 4 2 2 2 绝热材料的选择与防水处理1 5 2 3 理论计算及误差分析1 5 2 3 1 理论计算1 5 2 3 2 误差来源1 6 2 3 3 实验误差估算1 8 2 4 实验可靠性验证1 9 2 5 小结2 0 3 铜纳米线阵列表面的制备21 3 1 仪器和试剂2 l 3 2 实验方法2 2 3 2 1 电化学工作站2 2 3 2 2 三电极体系2 2 3 2 3 两步法生长铜纳米线2 3 3 3 焦磷酸铜电镀液制备铜纳米线阵列2 6 3 3 1 电镀液的制备2 7 i i i 目录硕士论文 3 3 2 实验步骤2 8 3 3 3 实验结果3 0 3 4 硫酸铜电镀液制备铜纳米线阵列31 3 4 1 电镀液的制备3 1 3 4 2 实验步骤3 1 3 4 3 实验结果31 3 5 小结3 2 4 铜纳米线阵列的表征与结果分析3 4 4 1 铜纳米线阵列高度的测量3 4 4 2 表面形貌与高度的关系3 5 4 3 电镀液类型对表面形貌的影响3 7 4 4 本章小结3 9 5 铜纳米线阵列表面在水中的池沸腾换热研究4 1 5 1 实验步骤4 1 5 2 光滑表面的池沸腾换热结果4 2 5 3 纳米线阵列表面的池沸腾换热特性4 3 5 3 1 纳米线阵列表面的池沸腾换热曲线4 3 5 3 2 纳米线阵列表面对沸腾换热系数的影响4 5 5 3 3 纳米线阵列表面对临界热流密度的影响4 7 5 4 纳米线阵列高度对池沸腾换热结果的影响4 8 5 5 油污对沸腾换热结果的影响5 0 5 6 本章小结5 1 6 总结与展望5 3 6 1 全文总结5 3 6 2 工作展望5 4 致谢5 5 参考文献5 6 1 v 硕士论文铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 图表目录 图1 1l a t i n 下水的池沸腾曲线2 图1 2 多孔氧化铝模板7 图2 1 池沸腾实验系统示意图1 1 图2 2 加热主体示意图1 2 图2 3 铜柱与聚四氟乙烯接触面1 5 图2 4 铜柱热损失示意图1 7 图2 5 光滑表面在饱和去离子水中的沸腾曲线2 0 图3 1 直接在铜表面长纳米线的示意图2 1 图3 2 电化学工作站2 2 图3 3 三电极直流电沉积实验装置2 3 图3 4 两步法制备铜纳米线示意图2 4 图3 5 两步法电镀实验装置2 5 图3 6 恒电位沉积过程的电流时间曲线2 6 图3 7 砂纸打磨过的铜柱表面s e m 照片2 8 图3 8 在焦磷酸铜电镀液中生长纳米线的电流一时间曲线2 9 图3 9 在焦磷酸铜电镀液中长出的铜纳米线s e m 照片3 0 图3 1 0 在硫酸铜电镀液中长出的铜纳米线s e m 照片3 2 图4 1 $ 4 8 0 0i if e s e m 扫描电子显微镜3 4 图4 2 不同高度的铜纳米线阵列3 5 图4 3 纳米线阵列高度小于1 0pm 时的俯视图3 6 图4 4 纳米线阵列高度较高时的g e m 照片3 7 图4 5 在焦磷酸铜电镀液中长出的铜纳米线g e m 照片3 8 图4 6 在硫酸铜电镀液中长出的铜纳米线g e m 照片3 9 图5 1 实验装置连接图4 1 图5 2 光滑表面沸腾曲线4 2 图5 3 表面热流密度与壁面过热度的关系曲线4 5 图5 4 表面换热系数与壁面过热度的关系曲线4 5 图5 5 表面换热系数与表面热流密度的关系曲线4 6 图5 6 不同高度纳米线阵列的表面接触角4 8 图5 7 油污表面的沸腾换热效果5 1 v 图表目录硕士论文 表2 1 热电偶在不同温度下的误差1 4 表2 2 各部分的热损失及误差1 8 表3 1 焦磷酸铜电镀液的组成2 7 表3 2 硫酸铜电镀液的组成3l 表5 1 光滑表面的沸腾实验数据4 2 表5 2 纳米线阵列高度为3 t a m 的沸腾实验数据4 3 表5 3 纳米线阵列高度为l o g m 的沸腾实验数据4 3 表5 4 纳米线阵列高度为3 0 p , m 的沸腾实验数据4 4 表5 5 不同高度纳米线阵列表面的沸腾换热效果4 9 表5 6 表面铜纳米线结构强化沸腾换热的研究对比5 0 v i 硕士论文铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 1 绪论 1 i 背景与意义 能源是可以直接或经转换提供人类所需的光、热、动力等任一形式能量的载能体资 源，能源是人类活动的物质基础，是现代社会发展不可或缺的基本条件。目前人类能源 消耗的8 0 是以石油、煤炭、天然气等化石燃料为主的不可再生资源，但根据世界能源 会议统计，世界上已探明的石油预计还可开采3 0 - 、, 4 0 年，煤炭预计还可开采2 0 0 年左 右，天然气预计能开采6 0 年，随着这些化石能源的逐步枯竭，能源短缺问题将日趋严 峻。 我国是一个能源能源相对紧缺的国家，人均能源资源的占有量不及世界平均水平的 一半，并且能源利用效率比较低。2 0 1 0 年我国的g d p 总量和日本大体相当，但能源消 费总量却几乎是日本的5 倍：我国的能源消费总量已经超过美国，但经济总量却仅为美 国的3 7 。最近发布的中国的能源政策( 2 0 1 2 ) 白皮书中讲到，中国政府承诺到 2 0 2 0 年非化石能源占一次能源消费比重将达到1 5 左右，单位国内生产总值二氧化碳 排放比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 。因此，加大节能减排力度、努力提高能源利用效率是 实现我国经济、社会、生态全面协调可持续发展的必要手段和措施。工业能耗占到我国 能源消费的7 0 以上，因此工业是节能减排和提高能源利用效率的重点领域。沸腾换热 是工业过程中最常见的换热方式之一，常见于各种换热设备中，如在火力发电厂、核电 站、石油化工、制冷等工程领域中常用的锅炉以及现实生活中常见的各种类型的蒸发器 和沸腾装置等。 综上所述，研究如何强化沸腾换热对于节能减排、提高能量的有效利用率、节省资 金等是十分必要的；对于发展国民经济、全面建设资源节约型和环境友好型社会、努力 实现能源与经济、社会、生态全面协调可持续发展有着十分重要的意义。 1 2 池沸腾换热简介 发生在固一液交界面上的蒸发叫做沸腾，当表面的温度超过相应压力下液体的饱和 温度时就会发生这种现象。沸腾的特征是表面有蒸汽泡的形成，这些汽泡长大后脱离表 面。蒸汽泡的生长和动力学特性与表面过热度、表面形貌特征以及表面流体的热物理性 质等都有着复杂的关系。反过来，蒸汽泡形成的动力学特性又会影响表面附近的流体运 动，从而强烈的影响沸腾换热系数【l j 。 沸腾可以在各种不同的条件下发生。例如，在池内沸腾中流体是静止的，它在表面 附近的运动是由自然对流以及汽泡的生长和脱离导致的混合而引起的。与此不同，在强 1 绪论硕士论文 迫对流沸腾中，流体的运动是由外部手段以及自然对流和汽泡引发的混合而引起的。沸 腾还可根据它是过冷的或饱和的进行分类。在过冷沸腾中，液体的温度低于饱和温度， 因此在表面上形成的汽泡可以在液体中凝结。相反，在饱和沸腾中液体的温度略高于饱 和温度，因此在表面上形成的汽泡会在浮力的推动下穿过液体，最终从自由表面逸出。 1 2 1 池沸腾换热曲线 图1 1 为1 a t m 下水的典型沸腾曲线。由沸腾曲线可以看出表面热流密度q 。”作为壁面 过热度t 。的函数，有如下几个沸腾状态： 鸯簇对流核态 远凌蓬态 一q ：。 c 走 r 一一一一一。 誓 ； b 、 一q 釜诅 夕 ， 气103 01 2 0】co o 1 e 2 ( i ：一t s a t ) ， 图1 1i a t m 下水的池沸腾曲线 ( 1 ) 自然对流沸腾 当壁面过热度较小时( a 一- - b 段) ，沸腾尚未开始，壁面上没有汽泡产生，此时在 加热表面附近的热量传输主要以自然对流的方式进行。a 点成为核态沸腾起点，此时的 壁面过热度t 。5 。 ( 2 ) 核态沸腾 a c 段是核态沸腾区域，这个范围内存在着两种不同的流动状态。在a b 区域 中，随着加热壁面的过热度不断增加，壁面上已经活化的孔穴( 称为汽化核心) 处开始 有汽泡产生，汽化核心产生的汽泡彼此互不干扰，称为孤立汽泡区。汽泡的脱离在沸腾 表面附近造成很强的流体流动，使得表面对流换热系数h 和表面热流密度q 。”显著提高。 在这种状态下，大部分热量是由表面直接传递给在表面附近运动的流体，而不是通过汽 泡来传递的。当超过b 点时，就有更多的成核点变得活跃起来，汽泡的加速形成造成了 气泡的相互干扰和合并。在区域b c 中，蒸气以汽柱形式往上逸出，接着这些汽柱合 2 硕士论文铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 并成大的蒸汽团，密集分布的汽泡之间的相互干扰抑制了表面附近流体的运动。在图1 1 中p 点是沸腾曲线上的一个拐点，沸腾换热系数在这点具有最大值。随着壁面过热度t 。 的增加，表面热流密度急剧增大，并在c 点处达到最大值，故c 点成为沸腾临界点， 最大热流密度通常称为临界热流密度。 临界热流密度在实际应用中有重大意义。因为一旦热流密度达到或超过临界热流密 度，热流密度就会急剧偏离沸腾曲线，此时表面状态会突然从c 点跳到e 点，壁面过热 度会突然升到e 点的水平，就会造成设备因温度过高而烧坏或出现故障。所以c 点常称 为烧毁点。由于在核态沸腾状态中用很小的壁面过热度就可以获得很高的传热速率和对 流换热系数，我们希望传热表面在接近临界热流密度的条件下运行，而不想超过它。 ( 3 ) 过度沸腾 对应于c d 的区域称为过度沸腾，此时汽泡的形成速度非常快，以致开始在沸腾 表面上形成蒸汽膜或蒸汽层。就表面上的任何一个位置而言，状态可能在膜态沸腾和核 态沸腾之间来回振荡，但整个表面被蒸汽膜覆盖的比例是随着t 。的增大而增加的。由 于蒸汽膜的导热率比液体的要小的多，因此换热状况恶化，换热系数随着t c 的增大而 减小。 ( 4 ) 膜态沸腾 当加热表面的过热度超过d 点时，由于大量的汽泡在沸腾表面形成，而且汽泡相互 接触和相互重叠，在表面上形成了一个稳定的蒸汽层，从表面向液体的传热是依靠穿过 蒸气的传导和辐射进行的。随着表面温度的提高，穿过蒸汽膜的辐射的影响越来越大， 因此热流密度随着t e 的增大而提高。 1 2 2 强化池沸腾换热的研究进展 由于沸腾换热的机理比较复杂，因此人们对其强化技术的研究也开展的比较晚。强 化沸腾表面的研究始于1 9 3 1 年【2 1 ，j a c o b 和f r i t z 研究了粗糙表面对水的核态沸腾传热的 强化效果，他们发现对沸腾表面进行喷砂处理可以提高沸腾换热系数15 ，而沟槽管可 以提高沸腾换热系数3 倍，然而在持续沸腾情况下，这些表面的影响逐渐减小，强化效 果很快失效，这就是所谓的老化效应，这主要是因为粗糙的表面并不是稳定的成核点， 随着表面孔穴中气体的消失，没有气体能够维持成核过程。接下来几十年对强化沸腾表 面的研究一度中止，为了克服老化效应，从二十世纪五十年代中期开始，人们开始对如 何得到稳定的汽化核心、对沸腾传热的机理进行深入的研究和分析，并获得了一系列极 为重要的成果。g r i f f i t h 3 】等对汽化核心的研究做出了突出的的贡献，他们指出初始沸腾 所需要的壁面过热度取决于沸腾表面上孔穴的尺寸大小，而沸腾的稳定性则取决于孔穴 内部的形状，他们还首次发现非湿润性表面在强化沸腾换热中具有的重要的作用。 h u m m e l 等【4 ，5 】在湿润性表面加一些小块的非湿润性材料，结果表现出很好的沸腾稳定性 l 绪论硕士论文 和强化沸腾换热效果，接触非湿润性表面的汽泡比接触湿润性表面的汽泡有更大的曲率 半径，因此只需较低的过热度就能达到沸腾状态。w e s t w a t e r 6 1 等在g f i f f i t h 研究的基础 上，对强化沸腾换热也作出了重要贡献，他们首先制造出了所谓“陷入式”孔穴 ( r e e n t r a n tc a v i t y ) ，还通过实验对这种孔穴的优异性能进行了验证，并且对这种孔穴 的尺寸、形状作了进一步的研究【_ 7 。，研究发现“陷入式”孔穴内部的形状对强化沸腾换 热的结果没有很大的影响。g o t t z m a n n 等 8 1 提出的理论认为在“陷入式”孔穴内所有的 汽化现象发生在多孔基体内，并且优异的性能是由以下两点决定的：相比在凹陷处和划 痕处产生的很小的成核点而言，多孔结构能够产生大片的汽液界面，这显著地减小了成 核所需的理论过热度；与光滑表面相比，多孔表面为薄膜或微液层的蒸发提供了更大的 表面积。 在研究中，人们构造了烧结多孔表面和机械加工多孔表面，这是当前应用最广泛的 两种多孔表面。其中，影响较大的是以下几种管型：美国联合碳化物公司的h i g hf l u x t u b e 9 1 、日本日立电联有限公司的机械加工多孔表面管t h e r m o e x c e l e 【1 0 】、g a w a t 管 ( 1 9 7 9 年) 1 1 j 和e c r - 4 0 管( 1 9 8 0 年) 【1 2 j 。测试结果表明，在相同介质和相同热负荷 下，与光管表面相比具有较低的过热度，强化表面能提高2 - 一5 倍的临界热流密度。从 2 0 世纪7 0 年代中后期开始，强化沸腾换热技术进入一个新的发展高潮【l 引，国内外有关 强化沸腾换热的文章非常多，强化传热技术已经发展成为传热学研究的一个重要分支。 随着微纳米技术的发展，人们正在努力探索微尺度多孔表面在强化沸腾换热中的性 能。微纳米尺度多孔结构可以大幅度提高传热面积，从而提高沸腾换热能力。可以预见， 微纳米尺度多孔结构强化沸腾表面的研究将会带来强化沸腾换热技术上的一次飞跃。近 年来，人们已采用各种加工方法来制备微纳米多孔表面，并测试其强化沸腾换热性能。 2 0 0 2 年h o n d a 1 4 j 等利用蚀刻法在硅片表面制备出许多微型针状翅片( 5 0 x 5 0 x 6 0 m n ，宽 厚度高度) ，翅片间距为1 0 0 肛m ，他们的实验发现微型针状翅片可以提高沸腾换热的 临界热流密度，而且降低起始沸腾过热度；他们通过高速摄影发现当汽泡离开孔穴时， 会有少量的蒸汽保留在孔穴里面，维持沸腾继续进行，从而大大提高了热流通量。w e i 和h o n d a 【l5 j 还研究了微型针状翅片的尺寸对强化换热的影响，他们的实验结果证明较大 尺寸的翅片显示出了较好的换热性能。这些微型针状翅片多孔表面的沸腾特征表现为表 面热流密度随着壁面过热度的增加会急剧增加。他们通过高速摄影研究发现，汽化核心 主要在翅片侧面上产生，也就是说翅片侧面上非常有利于汽化核心的形成，当壁面过热 度增加时，汽化核心的数目就会迅速增加从而出现几乎竖直的沸腾曲线。e r i cf o r r e s t 等 u 6 j 研究发现在沸腾表面加一层纳米微粒薄膜层可显著地提高池沸腾的临界热流密度和 表面换热系数，他们认为表面换热系数随着涂层表面湿润性减小而增加，不同涂层能提 高临界热流密度4 4 - - 1 0 1 不等，低的表面接触角能得到更高的临界热流密度，临界 热流密度随着超亲水性薄膜的厚度增加而增大。g s h w a n g 等【1 7 】研究了表面涂有不同 4 硕士论文铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 直径( 4 0 - - 8 0 1 x m ) 的铜颗粒的薄膜涂层对池沸腾的影响，涂层厚度为3 - 一5 个铜颗粒直 径。结果发现能提高临界热流密度1 8 倍，并且直径大的颗粒涂层对临界热流密度提高 的幅度更大。s e b a s t i n eu j e r e h 等【l8 j 研究了硅和铜表面生长碳纳米管( c n t ) 后在f c 7 2 中的池沸腾换热特性，结果发现：增大硅表面c n t 密度能够轻微的降低核态沸腾初始 过热度，但也会降低临界热流密度；不同c n t 密度覆盖的硅表面核态沸腾时的临界热 流密度和表面换热系数提高了0 ( 光滑表面) 、5 ( 岛状) 、6 0 ( 格栅状) 和1 0 0 ( 完全覆盖) 。c h e nl i 等【l9 】研究了微孔涂层表面几何参数对临界热流密度的影响，结 果发现临界热流密度随着表面涂层厚度的增加而增大，当厚度为l m m 时，临界热流密 度提高3 0 4 0 ，厚度为1 4 r a m 时，临界热流密度提高约两倍，他们认为多孔表面内 毛细流动对临界热流密度有很大的影响。c h iy o u n gl e e 等【2 0 j 利用阳极氧化的制造工艺 在铝合金表面长出纳米多孔结构表面材料，并研究了多孔表面对核态沸腾换热的影响。 研究发现这种多孔表面能降低初始沸腾时的壁面过热度，在较低的热流密度( 低于 6 0 k w m 2 ) 情况下，多孔表面能够提高表面换热系数，多孔表面的性能在经过5 0 0 小时 的沸腾试验后没有退化，然而经过9 0 0 小时后，多孔表面的性能完全消失。c h i hk u a n g y u 等【2 l 】在1 0 m m x l o m m 的硅表面上加工出了不同尺寸的微腔表面，并研究了它们的沸 腾特性，发现所有的表面都能不同程度地降低表面初始沸腾温度，临界热流密度最高能 提高2 5 倍。他们还研究了微腔大小、深度、密度分布等对沸腾的影响。c h e nl i 等【2 列 研究了烧结铜丝网微孔涂层表面的沸腾特性，认为表面的传热是由表面的液一汽对流、 液一汽分流引起的，并对这两种液汽流动模型进行了理论分析，还分析了几何尺寸( 厚 度、体积孔隙率、网格大小等) 对池沸腾特性的影响。 1 2 3 强化池沸腾换热的措施 强化沸腾换热技术是强化传热领域中一个非常重要的方面，其目的是为了沸腾换热 设备的效率，减少能量传递过程中的损失，更合理和更有效地利用能源四j 。根据许多学 者的研究结果以及沸腾换热的基本理论，强化沸腾换热的目的主要是为了减小一定热流 密度下的表面过热度，以及提高表面换热系数。由于强化沸腾换热是一个较为复杂的过 程【2 4 1 ，人们还很难从理论上对其换热机理进行分析，通常通过实验，或采用经验公式对 沸腾过程进行描述。强化核态沸腾换热的基本途径有两个【2 5 】：一是增强汽泡从沸腾表面 上的形成和脱离能力以及缩短气泡在加热面上的停留时间，二是增强加热面上微层液膜 的蒸发能力。 随着人类生产技术的发展和科技水平的提高，人们对池沸腾换热的机理展开了深入 的研究，提出了各种强化池沸腾换热的方法，总结起来通常有四种1 2 6 j ： ( 1 ) 粗糙表面 采用粗糙表面是一种最为简单的强化池沸腾换热的手段，与光滑表面相比，粗糙表 l 绪论硕士论文 面可大大地增加沸腾表面的汽化核心数目，进而能够显著的提高沸腾换热效率。使表面 粗糙度增加的最为简单的方法是用砂纸打磨或采用喷砂工艺处理，在表面上加工出粗糙 槽纹也可以增加表面的粗糙度。 ( 2 ) 特殊处理表面 对表面进行特殊处理是目前工程上应用最多的强化沸腾换热手段，其目的是在表面 上形成许多理想的内扩展凹腔，这些理想的凹腔在低过热度时会形成稳定的汽化核心， 且内凹腔的颈口半径越大，形成汽泡所需的过热度就越低。因此这种特殊处理过的表面 能在低过热度时会形成大量的汽泡，从而大大地强化核态沸腾过程，所以这种特殊处理 表面又称为沸腾强化表面。强化表面的加工方法很多，如机械加工法，激光打眼法，火 焰喷涂法，烧结法，电镀法以及电化学腐蚀法等，通过这些方法人们能够加工出具有不 同表面微观结构的沸腾强化表面。 ( 3 ) 扩展表面 人们在强化池沸腾换热时通常采用的扩展表面是各种肋片。与光滑表面相比，肋片 表面能够增加表面的沸腾换热系数，具有以下优点：较大的换热面积可以增加汽化核心 数目；液体对肋根部的润湿较差，是吸附气体的良好场所；三是肋间的液体三面同时受 热，容易过热。以上这些因素，都有利于汽泡的形成和扩大，从而可以强化沸腾换热。 ( 4 ) 表面添加剂 为了寻找一种更为简便可行的强化沸腾的方法，人们想到了在沸腾液体中加入某些 添加剂，如另一种液体、气体或固体颗粒。人们的研究发现在水中加入油酸钠、硬脂酸 钠、十二烷基硫酸钠等添加剂后能够提高沸腾换热系数5 7 倍。加入添加剂后，沸腾 换热得以强化的主要原因是增加了表面汽化核心的数目。 1 3 铜纳米线阵列表面的制备 近年来，一维纳米材料以其独特的物理、化学性能引起了人们广泛的关注【2 7 1 。其中 纳米线是指具有较大长度与直径比的各向异性纳米晶体，其直径一般为l 2 0 0 n m ，长 度可达几十微米。纳米线材料成功的制备方法不仅要保证纳米晶体各向异性良好生长， 同时也要实现对纳米线直径、高度的有效控制。目前制备纳米线的方法有很多【2 8 1 ，如电 弧法、催化热解法、热蒸发法、化学气相沉积法( c v d ) 、电化学法、模板合成法等。由 于通过化学方法可实现对纳米材料长度和直径的控制，同时操作简单方便、成本较低、 产率较高，因此目前的研究多集中于通过化学方法制备一维纳米材料。 在众多的一维纳米结构材料中，一维铜纳米线日益引起广泛的关注。一维铜纳米线 具有较高的电导率，在微电子器件、化学或生物传感器和润滑材料等方面具有潜在的应 用前景，已引起国内外广泛的关注；在锂离子电池材料应用方面，纳米阵列结构电极通 常表现出增强的电化学动力学活性；纳米铜在汽车尾气处理中，作为催化剂可代替部分 6 硕士论文铜纳米线阵列表面强化池沸腾换热的实验研究 贵金属铂和钌。 如何利用简单高效的方法制得形貌规则、直径均匀、超长高质的铜纳米线是该研究 领域的热点和难点2 9 1 。铜纳米线的制备方法有很多【3 0 3 3 】，但模板法已被公认为是制备各 种形貌复杂的纳米结构最为方便的方法，尽管该方法也存在一些不足，如去除模板时会 对已形成的纳米结构形貌有所破坏，但模板法工艺简单、成本较低、产率较高，并可实 现对所需纳米结构的尺度和形貌控制，所以仍是研究制备各种纳米材料的重要方法。如 何设计或选择适合的模板是采用模板法制备纳米结构材料的关键。 多t li j e 极氧化铝( p o r o u sa n o d i ca l u m i n a ，p a a ) 模板可通过经退火处理的高纯铝 片( 9 9 9 9 9 ) 在酸性溶液中阳极氧化制得【3 4 。3 ，膜中含有以六角阵列排布、孔径一致的 圆柱形孔道，孑l 与孔之间相互平行，孔道几乎垂直于膜表面，如图1 2 所示。通过调整 电化学氧化过程中的各种参数，如电解质类型、氧化电压、电解时间、氧化温度等，可 以改变氧化膜中孔的直径、深度和密度，从而得到所需要的纳米结构模板，孔径大小分 布在5 - - - 2 0 0 n m 范围内，膜的厚度从1 0 1 0 0 “m 不等，孔密度则可高达1 0 1 1 c m 2 。另外 它是一种无机材料，相对于其它模板( 如聚碳酸脂膜) 能经受更高的温度，更加稳定。 总之，由于多孔氧化铝模板具备了高长径比、高有序性、孔尺寸纳米级、尺寸可控等一 系列的特点，并且制备方法简单、成本较低，已成为制备一维纳米结构的理想模板。 图1 2 多孔氧化铝模板 电化学沉积方法在p a a 模板中制备铜纳米线的实验是完全可行的 3 8 3 9 】。t a og a o 等 【4 0 】研究了以多孔氧化铝为模板，用直流电化学沉积法制备单晶和多晶铜纳米线。在 c u s 0 4 溶液中经电沉积制备出沿( 1 11 ) 晶面生长的单晶铜纳米线，直径约为6 0 n m ，长 度约为3 0 “m 。研究认为，阴极电位对铜纳米线的生长有很大的影响，可以通过选择不 同的电位以控制纳米线的晶型，较低的超电势有利于对铜纳米线生长过程中晶型的控 制。 r i v e r o s 4 1 】也采用多孔氧化铝为模板，经直流电化学沉积得到铜纳米线，所得铜纳米 线是具有高度晶格导向的沿( 2 0 0 ) 晶面生长的单晶铜纳米线，平均直径约为1 5 0 n m ， l 绪论硕士论文 长度可达几十微米。 刘晓磊等【4 2 】采用恒电位电化学沉积法，在p a a 模板纳米孔内制备出直径为1 0 0 n m ， 长度达4 0 - - 5 0 i x r n 的超长铜纳米线，研究发现铜纳米线自然状态下呈现高度团聚状态， 但放置1 个月后，纳米线离解成纳米颗粒，可见铜纳米线在空气中易氧化，这也限制了 它在微电路等行业中的应用。另外，在较高的电位下进行电化学沉积得到的铜纳米线外 观不够均匀，主要由晶粒连接而成，晶核之间有空隙存在，边缘粗糙不平。这主要由于 沉积电位较高，使铜的还原电流较大，沉积速度较快，导致铜纳米线表面粗糙不平。他 们认为纳米线的生长实际上是纳米颗粒的堆积过程。 王学华【4 3 】采用交流电化学沉积的方法在p a a 模板孔道内制备c u 纳米线，并对c u 纳 米线的形貌、晶体结构进行了研究。结果表明：c u 纳米线均匀分布在p a a 模板纳米孔隙 中，直径均一，并沿c u ( 1 1 1 ) 晶面择优生长；由于周期变化的电压，孔道内生长的铜纳 米线不光滑，纳米线表面出现凹凸状。 y u e h h s u nl e e 等 4 4 1 采用电化学沉