[发明专利]具有强化泡核沸腾传热功能的铝材及其制备方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种铝材表面的纳米多孔结构及其制备工艺，属于材料科学领域。

背景技术

随着电子信息、新型能源等工业和前沿科学技术（如超级电子计算机、核电、大型化学反应器、激光器、雷达）的飞速发展，器件的集成度和产热量急剧增加，因此能够在有限狭小空间内实现热能高效传递以保证系统稳定运行的泡核沸腾传热技术受到人们的广泛关注。泡核沸腾传热是一种高效传热方式，该技术是基于过热界面处液相向气相转变过程中吸收大量的潜热而实现热量的高效传递。研究表明利用特殊浸润性的纳米结构可以极大地增强材料表面的沸腾传热性能，例如申请公布 号为CN 102618905 A的专利通过在金属钛表面构建垂直导向三维立体纳米管阵列结构，提供了优异的浸润性和纳米级别的汽化核心，实现了钛表面的提高传热效果（50%以上）和降低换热温差（可达10-15%）的效果；申请公布号为 CN 102994793 A的专利中在金属基体表面构建了双连续的纳米多孔结构，该表面具有良好的浸润性，纳米孔隙形成的通道有利于气体的逃逸，增加汽化核心的数目，表现出良好的强化沸腾效果，在一定的热流密度下可降低过热度达63.3%。

铝及其合金由于具有质量轻、比强度高、导电导热性好、价格适中、可延展易加工等优良性能，而被广泛应用于热管、散热翅片、电子元件的散热器件等领域。在这些应用中均涉及了铝材表面的沸腾传热过程，因此，通过简便的方法得到具有强化泡核沸腾性能的纳米多孔结构铝表面，具有重要的经济效益和社会效益。然而，由于加工技术的限制，目前通常采用压焊（申请号93112898.6）、漆刷涂层（公开号CN 101505892A，公开号CN 1730204 A）、粉粒烧结（公开号CN 101315927A）、火焰喷射（申请号90109615.6）等方法在铝材表面构建宏观和微米级的多孔、沟槽等结构，用以提高铝材表面的沸腾传热性能，然而在铝材表面构建纳米多孔结构用于强化铝材表面的沸腾传热性能的研究还未见报道。可以预计，在铝材表面构建纳米多孔表面能够提供优异的亲水性能，同时为泡核沸腾提供更多更密集的成核位点以及更快的气泡脱离速度，最终实现铝材表面的高效泡核沸腾传热性能。

发明内容

强化泡核沸腾传热性能的关键是：如何控制表面的结构和浸润性，一方面，增加有效气泡成核点使气泡大量、快速的产生，从而提高热传递效率；另一方面，同时降低气泡与表面的黏附性使产生的气泡迅速脱离，阻止界面干烧，提升界面可承受的最高热流密度。本发明的目的之一在于提供一种具有强化泡核沸腾传热功能的新型铝材，其表面具有众多的有效气泡成核位点，使气泡快速生成；并且表面与气泡无黏附，使生成的气泡与表面迅速脱离。

本发明的另一目的在于提供一种制备前述铝材表面纳米结构的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有强化泡核沸腾传热功能的铝材，表面分布有复数个纳米孔，任一纳米孔顶部环绕分布有复数个纳米突起结构，并且，所述纳米孔在所述纳米突起结构处相互连通。

作为较为优选的实施方式之一，所述纳米孔的平均深度在50 nm以上，纳米孔直径为20-300nm。

作为较为优选的实施方式之一，所述纳米突起结构的直径为20-200 nm，相邻纳米突起结构的间距为20-300 nm。

一种具有强化泡核沸腾传热功能的铝材的制备方法， 包括如下步骤：

（1）取阴极和主要由铝材构成的阳极置于体积分数为0.1-40 %的常温酸性电解液中，并在阴极和阳极之间施加电压，进行电化学氧化反应，所述的酸性电解液包括：硫酸、草酸、磷酸、丙二酸或柠檬酸与水和/或能够溶解所述酸的醇形成的混合溶液；

（2）在电化学反应的初始阶段，氧化体系内的电流密度控制在2-40 mA/cm²，反应时间控制在大于0 s；

（3）以0.005-0.5 V/s的速率升高氧化电压，直至氧化体系中的电流强度为0.4-5 A，维持该电流强度反应大于0 s，获得目标产物。

进一步的，所述酸性电解液包括酸与水和/或能够溶解所述酸的醇形成的混合溶液，所述酸可选自但不限于硫酸、草酸、磷酸、丙二酸、柠檬酸等。

前述阴极材料可以是铂、石墨、镍、铝等，且不限于此。

进一步地，所述的步骤还包括，将所述的目标产物咋400-1000℃下，在惰性气体保护下进行高温褪火，使非晶态的氧化铝多孔结构转变为晶态多孔结构。

本申请还公开了上述具有强化泡核沸腾传热功能的铝材在热管、换热器翅片、电子元件的冷却装置中的应用。