本發(fā)明屬于微納制造及傳熱應(yīng)用，具體涉及加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)、加工方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、低溫流體具有低沸點、低粘度、低表面張力等獨特的物理性質(zhì)，在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中都有著廣泛應(yīng)用。在超導(dǎo)研究領(lǐng)域，常使用液氮池沸騰來快速降低材料溫度，使其進入超導(dǎo)狀態(tài)。在航空航天領(lǐng)域，低溫流體如液氫、液氧以及液態(tài)甲烷，常用來作為推進劑為火箭發(fā)動機提供強大動力，其低溫儲罐的冷卻往往使用其他低溫流體的沸騰傳熱來減少液氫液氧的損失。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，低溫流體可用于長期保存細胞及生物組織等，使其在解凍后仍保持其生物活性。此外，在冶金領(lǐng)域，對于一些特殊金屬的加工，如導(dǎo)熱率低的鈦合金，需要通過低溫冷卻等特殊工藝來提高其材料脆性，從而改善其加工性能。因此，強化低溫流體的換熱，對航空航天、醫(yī)療健康、超導(dǎo)科技以及工業(yè)加工等方面意義重大。

2、微納結(jié)構(gòu)常用來加強室溫流體(例如水、乙醇、氟化液)的沸騰換熱。其中，納米結(jié)構(gòu)可有效增強表面浸潤性以及毛細力，提高沸騰初期氣泡的成核以及脫離頻率，例如，通過電子束蒸發(fā)技術(shù)在銅表面上制備的tio2納米線涂層可以將其臨界熱流密度(criticalheat?flux,chf)提高至186％；同時，微米結(jié)構(gòu)則主要通過增加核化點密度來強化沸騰傳熱，通過單步電沉積法構(gòu)建的al2o3多孔微米涂層銅表面可以將chf提高至172.5％；此外，微納復(fù)合表面可在空間尺度上實現(xiàn)功能協(xié)同，從而多尺度強化沸騰傳熱過程。例如通過光刻結(jié)合深度反應(yīng)離子刻蝕法以及金屬輔助刻蝕法構(gòu)建的si微腔－si納米線復(fù)合表面可以將chf提升至270％。

3、低溫流體(如液氮、液氧、液氦)與常溫流體(如水、油類)以及制冷劑(如r12、r134a等)因其獨特的物理特性，在微觀上的沸騰過程與室溫流體不同:(1)低溫流體汽化潛熱小，容易形成氣膜而產(chǎn)生局部干涸，惡化傳熱；(2)低溫流體表面張力小、粘度低，具有良好的潤濕性，更容易在固體表面上鋪展開；(3)低溫流體會大大降低沸騰表面溫度，導(dǎo)致表面熱物性變化進而影響沸騰。

4、因此，低溫流體的沸騰機理與常溫流體不同，亟需研發(fā)用以加強低溫工質(zhì)沸騰換熱的結(jié)構(gòu)表面。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用飛秒激光加工工藝制備微納復(fù)合點陣結(jié)構(gòu)表面，來強化低溫流體的沸騰傳熱性能。該工藝主要有以下優(yōu)勢：1、能夠?qū)崿F(xiàn)微米級別點陣的高精度，且由于飛秒激光的脈沖時間極短，加工過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)極小，能夠避免材料的熱損傷和變形；2、飛秒激光加工時使得部分材料快速蒸發(fā)、氧化和冷凝，進而在微米點陣結(jié)構(gòu)上覆蓋一層納米顆粒，從而形成微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)；3、作為非接觸式加工方法，飛秒激光不會對材料施加機械應(yīng)力，避免了材料因機械作用導(dǎo)致的損傷和變形；4、具有廣泛的材料適用性，能夠處理包括金屬、陶瓷、玻璃、塑料在內(nèi)的多種材料；5、加工速度快，能夠顯著縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本，并且無需使用化學(xué)試劑，進一步減少了對環(huán)境的污染和能源消耗。

2、本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：一種加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)采用熱導(dǎo)率較高的固體材料作為基底，利用飛秒激光在基底表面加工制成；

3、微納復(fù)合結(jié)構(gòu)為在基底表面形成的縱橫間距相近的點陣結(jié)構(gòu)，點陣結(jié)構(gòu)沿基底表面由表及里成峰谷狀結(jié)構(gòu)，峰谷狀結(jié)構(gòu)的谷口呈圓形，谷口燒蝕點直徑不小于相鄰點間距大?。?/p>

4、峰谷狀結(jié)構(gòu)上附著有基底表面在激光燒蝕過程中形成的納米顆粒氧化物粉末。

5、優(yōu)選的，所述基底的材料包括金屬和非金屬固體；金屬材料包括銀、金、銅、鐵、鋁、鎳、鉛、鋅、鈦、鉻及其合金，非金屬材料包括硅、碳化硅、二氧化硅、聚四氟乙烯、橡膠、陶瓷、碳、金剛石；特別地，當(dāng)基底的材料為金屬銀時，納米顆粒氧物粉末為ag2o顆粒。

6、優(yōu)選的，所述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)包括：微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)；

7、微米結(jié)構(gòu)為微米級的凸起或凹陷；微米結(jié)構(gòu)用于增加換熱表面的實際面積、增加氣泡的成核位點密度從而降低氣泡成核所需過熱度，提高基底的傳熱系數(shù)和臨界熱流密度，提升核態(tài)沸騰的傳熱效率；

8、納米結(jié)構(gòu)為在激光燒蝕基底過程中形成的納米顆粒氧化物粉末，附著在微米結(jié)構(gòu)上；納米結(jié)構(gòu)用于增強結(jié)構(gòu)表面對接觸液體的毛細作用力，誘導(dǎo)毛細芯吸現(xiàn)象，加強固液接觸并促進液體對結(jié)構(gòu)表面的再潤濕，從而提升沸騰臨界熱流密度。

9、優(yōu)選的，所述基底表面形成的點陣結(jié)構(gòu)的縱橫間距范圍為10μm～100μm；燒蝕點直徑范圍為10μm～100μm，深度范圍為10μm～100μm；基底的材料厚度范圍為30μm～5mm。

10、本發(fā)明還公開一種加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的加工方法，該加工方法用于加工上述的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，加工方法為：

11、將基底片固定在三維精密位移臺的加工工位上；通過調(diào)節(jié)脈沖數(shù)、激光功率以及三維精密位移臺的位置使得激光在基底片上加工出橫縱間距相近的點陣結(jié)構(gòu)，其中，激光功率影響激光燒蝕點直徑，脈沖數(shù)影響燒蝕點深度，使得燒蝕點直徑不小于相鄰點間距大小，從而在基底片表面形成峰谷狀結(jié)構(gòu)。

12、本發(fā)明還公開一種加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，該應(yīng)用采用上述的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，該應(yīng)用將微納復(fù)合結(jié)構(gòu)用于低溫流體在沸騰時傳熱。

13、優(yōu)選的，所述低溫流體包括：液氮、液氦、液氖、液氬、液氪、液氫、液氧、液甲烷、液二氧化碳。

14、本發(fā)明的有益效果是：

15、1、本發(fā)明原理簡單易于實現(xiàn)，且制備使用流程簡明。

16、2、本發(fā)明材料具有優(yōu)越的熱傳導(dǎo)性能，即使在低溫條件下，也能保持較好的傳熱效率。

17、3、本發(fā)明的飛秒激光加工的方式脈沖時間極短，加工過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)極小，避免了結(jié)構(gòu)表面的熱損傷和變形。

18、4、本發(fā)明的飛秒激光加工的方式其加工速度快，能夠顯著縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本。

19、5、本發(fā)明的飛秒激光加工的方式可以通過移動三維加工控制臺制備微米結(jié)構(gòu)，通過調(diào)控飛秒激光能量制備納米結(jié)構(gòu)，最終一次性加工形成峰谷狀的微納結(jié)構(gòu)復(fù)合表面。

20、6、本發(fā)明的飛秒激光加工方式具有非接觸性，對環(huán)境的適應(yīng)性強，且不存在因機械加工而導(dǎo)致的損傷和變形。

技術(shù)特征：

1.加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)采用固體薄片材料作為基底，利用飛秒激光在所述基底表面加工制成；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基底的材料包括金屬和非金屬固體；所述金屬包括銀、金、銅、鐵、鋁、鎳、鉛、鋅、鈦、鉻及其合金，所述非金屬包括硅、碳化硅、二氧化硅、聚四氟乙烯、橡膠、陶瓷、碳、金剛石；當(dāng)所述基底的材料為金屬銀時，所述納米顆粒氧化物粉末為ag2o顆粒。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)包括：微米結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述基底表面形成的點陣結(jié)構(gòu)的縱橫間距范圍為10μm～100μm；所述燒蝕點的直徑范圍為10μm～100μm，深度范圍為10μm～100μm；所述基底的材料厚度范圍為30μm～5mm。

5.一種加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的加工方法，其特征在于，所述加工方法用于加工權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述加工方法包括將基底片固定在三維精密位移臺的加工工位上，通過調(diào)節(jié)激光功率、脈沖數(shù)以及三維精密位移臺的位置使得激光在基底片上加工出燒蝕點直徑與相鄰點間距相近的點陣結(jié)構(gòu)，其中，調(diào)節(jié)激光功率改變激光燒蝕點直徑，調(diào)節(jié)脈沖數(shù)改變燒蝕點深度，使得燒蝕點直徑接近但不小于相鄰點間距大小，從而在基底片表面形成峰谷狀結(jié)構(gòu)。

6.一種加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述應(yīng)用采用權(quán)利要求1至4任一權(quán)利要求所述的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述應(yīng)用將微納復(fù)合結(jié)構(gòu)用于低溫流體在沸騰時傳熱。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述低溫流體包括：液氮、液氦、液氖、液氬、液氪、液氫、液氧、液甲烷、液二氧化碳。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于微納制造及傳熱應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及加強低溫流體沸騰換熱的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)、加工方法及應(yīng)用，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)采用固體薄片材料作為基底，利用飛秒激光在基底表面加工制成；微納復(fù)合結(jié)構(gòu)為在基底表面形成的縱橫間距相近的點陣結(jié)構(gòu)，點陣結(jié)構(gòu)沿基底表面由表及里成峰谷狀結(jié)構(gòu)，峰谷狀結(jié)構(gòu)的谷口呈近圓形，谷口燒蝕點直徑與相鄰點的間距大小相近；峰谷狀結(jié)構(gòu)上附著有在激光燒蝕基底過程中形成的納米顆粒氧物粉末；本發(fā)明方法原理簡單易于實現(xiàn)，且制備使用流程簡明，本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的溫度適應(yīng)性，可用于液氮等極端低溫流體的沸騰換熱加強。

技術(shù)研發(fā)人員：史萌,王佳,唐家鑫,張金龍,陳禹閣,張世豪
受保護的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24