[发明专利]一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米材料技术领域，具体涉及一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法。

背景技术

强化沸腾传热是减小沸腾装置的换热面积和占地体积，缩减巨额工程投资和提高能量有效利用率的有效手段。已有的研究证实，与光滑金属平板相比，在金属基体上构筑多孔表面后，其换热系数可大幅提升。因此，多孔金属表面是一类具有广泛应用前景的新型换热表面。

Cu及其合金因导热性良好是沸腾传热领域不可或缺的重要材料。在Cu基板表面构筑多孔表面的制备方法可以分为两类：即多孔覆盖表面和开孔多孔表面。多孔覆盖表面就是在Cu换热面上加上一层多孔覆盖物。制备方法主要有烧结金属粉末或金属丝网、火焰喷涂、电镀等。开孔多孔表面就是在Cu换热面上通过机械加工或激光加工等方式制备出所需的内凹穴。不可否认，这些方法的采用使Cu基板的换热性能均有不同程度的提升。但就制备方法而言，仍然存在如下不足：（1）烧结金属粉末或金属丝网所需的烧结温度很高（通常在700℃以上），能耗较大，制备成本较高；（2）火焰喷涂法对在金属基体的外表面实施喷涂非常有效，但对管状金属的内表面显得无能为力；（3）电镀法除存在实验条件需要精确控制外，制备的多孔孔径较小且不均匀；（4）机加工或激光加工方法存在加工工艺复杂，对设备依赖严重等缺陷。

因此，如何克服现有在Cu基换热面上构筑多孔表面工艺的不足，开发简单的制备方法来获取沸腾换热系数高、强化效果显著的多孔Cu表面是其实用化的一个重要关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种制备工艺简单，便于工业放大，节能环保的用于热交换的多孔Cu表面的制备方法。该方法得到的多孔Cu表面是在基体表面原位生成的，多孔表面孔径均匀，孔结构有序化程度较高，并且在一定范围内可调。采用该方法制备的Cu基多孔Cu表面具有优异的沸腾传热效果，与光滑基体相比，其沸腾起始阶段的沸腾传热系数可提高8～12倍。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将Cu基片在乙醇中超声除油，然后置于0.5mol/L～1.5mol/L的HCl溶液中超声刻蚀15min～30min，再用去离子水清洗后自然风干；

步骤二、将步骤一中自然风干后的Cu基片平放在聚四氟乙烯平台上，然后一同置于容积为500mL～800mL的带四氟乙烯内衬的水热反应釜中，向水热反应釜和聚四氟乙烯平台之间的空隙中添加20mL～40mL无水乙醇，最后将水热反应釜密封后置于烘箱内，在温度为150℃～180℃的条件下利用蒸汽对Cu基片进行4h～8h的蒸汽热处理，得到Cu基多孔CuO薄膜；

步骤三、在氢气气氛下对步骤二中所述Cu基多孔CuO薄膜进行还原热处理，得到用于热交换的Cu基多孔Cu表面。

上述的一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法，步骤一中所述Cu基片的厚度为0.1mm～1mm，长度为20mm～60mm，宽度为5mm～25mm。

上述的一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法，步骤一中所述Cu基片为致密Cu基片、粉末冶金烧结多孔Cu基片或Cu纤维烧结毡。

上述的一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法，步骤二中所述蒸汽热处理的温度为170℃，时间为6h。

上述的一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法，步骤三中氢气的体积纯度不小于99.999%。

上述的一种用于热交换的多孔Cu表面的制备方法，步骤三中所述还原热处理的温度为300℃～400℃，时间为30min～120min。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明制备工艺简单，且对设备的要求不高，便于工业放大；整个工艺过程不涉及中、高温热处理，节能环保。

2、本发明的方法与金属粉末烧结法、火焰喷涂法、电镀法等通过“增量”的方式及通过机械加工或激光加工等办法“减量”的方式引入多孔表面相比，有着本质上的不同之处，采用本发明的方法得到的多孔Cu表面是在基体表面原位生成的。

3、本发明采用无水乙醇在水热反应釜中对Cu基片进行蒸汽热处理，构建的多孔表面孔径均匀，孔结构有序化程度较高，并且在一定范围内可调。

4、采用本发明的方法制备的Cu基多孔Cu表面具有优异的沸腾传热效果，与光滑基体相比，其沸腾起始阶段的沸腾传热系数可提高8～12倍。

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。