2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會(huì)集

中國(guó)工程熱物理學(xué) 學(xué)科類別傳熱傳學(xué)術(shù)會(huì)議 編號(hào)：183310仿生樹(shù)林狀微納結(jié)構(gòu)表面的毛細(xì)特性羅佳利a,b,a,b,a,b,衡益a,b,b,c,傳a,b*,a,a.中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)，廣州 c.中山大學(xué)公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心( , ：本文通過(guò)一種簡(jiǎn)單高效的電化學(xué)沉積的方法在銅箔上出6種不同厚度的仿生樹(shù)林狀微納K，K/Reff，K·ΔPc等進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，隨著仿生樹(shù)林狀結(jié)構(gòu)厚度的增加，其接觸角減小，表面1廣州市珠江科技項(xiàng)目（No.201710010043)2高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（17lgzd15、GF本文通過(guò)電化學(xué)沉積的方法在銅箔上出不同厚度的具有仿生樹(shù)林狀的微納雙管的提供條件。另外，電化學(xué)方法一步法就可以得到結(jié)構(gòu)豐富的微納結(jié)構(gòu)，相對(duì)CuSO4體系中通過(guò)電沉積在陰極得到不同厚度的仿生樹(shù)林狀結(jié)構(gòu)，詳細(xì)方法如Wang[7]所述，實(shí)驗(yàn)裝置圖如下圖1所示。陰極采用0.1mm厚的紫銅箔(2х

Cu2eCu22e2H2eH2表1所示。

1對(duì)拍攝的圖像采用高速機(jī)自帶的軟件（PCC2.6）進(jìn)行吸液高度及時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。同樣采用高速對(duì)樣品表面的接觸角進(jìn)試，測(cè)試后的圖像采用ImageJ軟件2吸液測(cè)試裝置示1樣品樣品 沉積時(shí)厚度孔隙率 1．3采用掃描電鏡(EVOMA10)對(duì)樣品表面進(jìn)行形貌表征。圖343μm，68μm，99μm,139μm，210μm，235μm的沉積層的俯視圖和截面圖?？梢钥闯鲢~箔表面?A-C可知，隨著厚度的增大，晶F，圖3樣品表面及側(cè)面SEM圖A-F分別Y1-Y5；對(duì)應(yīng)厚度分別43μm，68μm，99μm，139μm，8μl的去離子水進(jìn)行接觸角的測(cè)增大[8]，根據(jù)Wenzel模型[9]cosw 4A43μm的時(shí)候，接觸角為210μm,235μm時(shí)，如圖4E,F所示，液體在樣0°，樣品表面具有很426°；E)50°；F)60°質(zhì)進(jìn)行了吸液性能測(cè)試，如圖5所示5A可以看出整個(gè)吸液過(guò)程分為三個(gè)階段[11]，啟動(dòng)階段，即微納結(jié)構(gòu)表面吸 面高度不再發(fā)生變化。根據(jù)圖5B可知，最終的液面高度隨著樣品厚度的增加而增85mm。Tang[12]采用銅顆粒燒結(jié)與鋸齒狀槽道結(jié)合的多孔吸液芯在120s70mm 液面上升高度液面上升高度 0

0 時(shí)間 樣品厚度5A)；B)式（2）Laplace–Youngequation，

2

K

其中θ為接觸角，σ為液體表面張力，????????????????為結(jié)構(gòu)的有效半徑，K為滲透率，μ為液體黏Darcy定律式（3），滲透率與毛細(xì)壓力成反比即與有效毛細(xì)半徑????????????????成正比，單獨(dú)的滲

)(Aw)(

1

y24cosK 面面積，Reff為有效毛細(xì)半徑,hfg為蒸發(fā)焓。K/Reff度y∝（K/Reff）1/2，所以可以通過(guò)吸液高度來(lái)求得K/Reff，從而得到Qmax，capillary。A

B 0 101214161820

樣品厚度6A）樣品最大吸液高度及B）K/Reff圖6y2tA可知，y2t存在良好的線性關(guān)如6B235μmK/Reff1.04х10-6m，也就以且液面能夠自動(dòng)潤(rùn)濕并上升，故計(jì)算時(shí)接觸角視為0?。溝將仿生樹(shù)林狀晶枝與銅顆粒燒結(jié)的樣品[412-16]7較大，但是其K/Reff均高于金屬球燒結(jié)結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)單的機(jī)械復(fù)合結(jié)構(gòu)，是矩形溝槽與110-150μm1.34倍。因此仿生樹(shù)林狀晶枝結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的燒結(jié)金屬顆粒多孔結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)可以大幅度提升其K/Reff溝K/Reff*10K/Reff*10 7K/Reff2e

e

σ為表面張力；θ為接觸角；ρe對(duì)應(yīng)的工質(zhì)為乙醇。根據(jù)上式可ΔPc?K作為毛細(xì)性能參數(shù)，在本實(shí)驗(yàn)中結(jié)果如下圖8所示。由圖8235μm1.52х10-7N，是粒徑為110-150μm4.313(A-C)可知，隨著沉積時(shí)間的增長(zhǎng)，晶枝FK/Reff的計(jì)算結(jié)果一致。ΔPc*K*10-ΔPc*K*10- 10012014016082，可以對(duì)仿生狀樹(shù)林結(jié)構(gòu)在熱管中可以提供的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算；另外，根據(jù)243μm1010Pa，對(duì)應(yīng)的毛細(xì)極限為1.8W；在厚度為235μm時(shí)，毛2184Pa，對(duì)應(yīng)的毛細(xì)極限為18.8W。減小熱管的厚度，為超薄熱管的提供條件。表2毛細(xì)壓力P本文通過(guò)電化學(xué)沉積的方法在銅箔上出6種厚度分別為43μm，68μm，吸液芯對(duì)其毛細(xì)特性進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其毛細(xì)特性相關(guān)的參數(shù)K，K/Reff，面由親水變成超親水；其K/Reff值隨著厚度的增加先增加后基本保持不變，在235μm235μm1.50х10-7N110-150μm燒結(jié)金屬顆粒的18.8W。另外，接觸角是影響毛細(xì)芯的毛細(xì)特性一項(xiàng)Juxiang,Z.L.W.A.L.,Researchprogressofwickinheatpipe.Refrigeration2011,39(4),Li,H.,StudyonHeatTransferPropertiesofFlatHeatPipewithConicalCapillaryJournalofMechanicalEngineering2015,51(24),Lv,L.C.;Li,J.,Managinghighheatfluxupto500W/cm(2)throughanultra-thinflatheatpipewithsuperhydrophilicwick.ApplThermEng2017,122,593-600.Lu,L.;Sun,J.;Liu,Q.;Liu,X.;Tang,Y.,Influenceofelectrochemicaldepositionparametersoncapillaryperformanceofarectangulargroovedwickwithaporouslayer.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2017,109,737-745.Chen,Q.C.C.-L.,DesignandTestofCarbonNanotubeBiwickStructureforHigh-Heat-FluxPhaseChangeHeatTransfer.JournalofHeatTransfer2010,132(052403-1).Yang,K.-S.;Lin,C.-C.;Shyu,J.-C.;g,C.-Y.;Wang,C.-C.,Performanceandtwo-phaseflowpatternformicroflatheatpipes.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2014,77,CopperverticalmicrodendritefinarraysandtheirsuperiorboilingheattransferAppliedSurfaceScience2017,422,388-LIUChangquan,S.W.,ZHAOJugui,JIXianbing,WUXinming,XUJinliang,Heattransfercharacteristicsofultra-thinflatheatpipewithnano-modifiedporouswick.CIESCJournal2017,68(12),4508-4516.N,W.R., ofsolidsurfacestowettingbywater.Industrial&EngineeringChemistryResearch1936,28(8),988-994.yonghua,C.q.H.,CharacteristicsofevaporativesurfaceofmicrostructuresinheatpipeCIESCIJournal2014,65Lin,L.J.Z.Y.Z.L.C.,CapillarypumcharacteristicofporouswickforloopheatJournalofengineeringthermophyscis2010,31(5),839-compositewicksfortwo-phaseheattransferdevices.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2013,56(1-2),283-293.Byon,C.;Kim,S.J.,Capillaryperformanceofbi-poroussinteredmetalwicks.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2012,55(15-16),4096-4103.JournalofHeatTransfer2008,130R.Singh,A.A.,M.Mochizuki,ExperimentaldeterminationofwickpropertiesforloopheatpipeapplicationsJ.Por.Media2009,12,759–776.DominguezEspinosa,F.A.