納米管陣列修飾表面的沸騰傳熱機理

《納米管陣列修飾表面的沸騰傳熱機理》是依託中山大學，由呂樹申擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米管陣列修飾表面的沸騰傳熱機理
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：呂樹申
• 依託單位：中山大學

中文摘要

作為典型的液－汽相變現象，沸騰表面的微結構處理以強化傳熱的研究是核電廠、高熱流電子元器件以及化工過程工業發展中的關鍵課題之一，開展相關研究具有重要的科學意義和實用價值。本項目將採用電化學陽極氧化的方法製備TiO2納米管陣列修飾表面，通過不同的TiO2納米管管徑及管間距等結構參數、表面的親/疏水特性、以及表面微納米雙尺度結構對納米管陣列表面的池沸騰傳熱及氣泡動力學進行實驗研究，獲得微納米尺度結構參數和物理性質對沸騰成核、氣泡脫離頻率、臨界熱流、沸騰傳熱係數等沸騰傳熱性能的影響規律，完善並改進臨界熱流模型，揭示納米尺度及納米管陣列表面沸騰傳熱強化機制，製備具有微納米雙尺度結構的高傳熱係數、沸騰相變臨界熱流密度大於250 W/cm2的沸騰傳熱界面，為實際套用提供科學依據。

結題摘要

項目首先採用陽極氧化法在Ti金屬表面，製備了管徑可控的TiO2納米管陣列修飾表面試件，基於製備機理及此界面上的池沸騰實驗研究，相繼獲得以下成果： (1) 在氧化鈦納米管氧化層的底部發現了氧化鈦納米溝槽島效應，這種納米溝槽結構隨陽極氧化電壓或電解液中酸性增強而更加明顯，此發現有助於理解陽極氧化法生成納米管的過程和機理，由此產生一種納米級超平表面的化學製備方法。 (2) 在二氧化鈦納米管修飾表面的製備過程中，隨陽極氧化時間形成納米管的密度分布特徵提供了一種從稀疏到緻密納米管陣列的製備方法和可解釋的形成機制。稀疏TiO2納米管陣列樣品在黑暗乾燥存儲後可迅速疏水化，形成超疏水界面，採用UV光照射之後，該表面轉變為超親水。通過調節最佳化陽極氧化各參數，在鈦金屬基底上直接製備鈦納米針結構表面，在漫反射吸收上明顯比鈦金屬平面的吸收率的高，增強了光的吸收，是一種新型鈦黑材料。 (3) 通過採用物理氣相沉積法於TiO2納米管陣列表面修飾一層聚四氟乙烯納米顆粒，得到超疏水表面，其池沸騰特性表明類似於膜沸騰，沸騰工質難以浸潤該表面，其沸騰傳熱係數及臨界熱流密度均較低。固液處於Cassie-Baxter接觸狀態，納米結構表面向沸騰工質給熱效率低，是此表面沸騰效率低的主要原因。 (4) 以TiO2納米管陣列修飾表面為沸騰傳熱界面、實驗研究了納米管的管徑尺寸對池沸騰效果的影響、以及在沸騰過程中材料表面潤濕性能的變化對傳熱特性的影響。隨著納米管直徑尺度漸大時，沸騰傳熱強化效果逐漸增大。 (5) 氣泡動力學高速攝影圖像顯示，較難觀察到單個氣泡的生長過程，但仍可明顯看到眾多氣泡生長、合併、脫離的過程。當熱流密度增加時，氣泡生長、合併速度加快，但脫離速度不夠快。當趨近CHF時，可以觀察到沸騰表面有一個巨大的氣泡，其氣泡脫離速度相對核態沸騰時要更慢。 (6) 由於220nm納米管陣列的TNT層不夠結實，在劇烈的沸騰過程中可能會被破壞，從而使CHF下降。TNT完全暴露比不完全暴露的樣品有著更低的壁面過熱度，但不完全暴露的樣品有著更好的機械強度和更高的CHF。 本項目已發表研究SCI論文2篇，國核心心期刊論文2篇，會議論文7篇，獲得授權發明專利1件，獲得實用新型專利1件，公開發明專利1件。受邀大會報告3次，參加國際學術會議8次，國內學術會議7次。已出站博士後2名，已畢業博士研究生2名，已畢業碩士研究生2名。