2018传热传质学年会集

中国工程热物理学 学科类别传热传学术会议 编号：183310仿生树林状微纳结构表面的毛细特性罗佳利a,b,a,b,a,b,衡益a,b,b,c,传a,b*,a,a.中山大学化学与化学，广州 c.中山大学公共实验教学中心( , ：本文通过一种简单高效的电化学沉积的方法在铜箔上出6种不同厚度的仿生树林状微纳K，K/Reff，K·ΔPc等进行计算。结果表明，随着仿生树林状结构厚度的增加，其接触角减小，表面1广州市珠江科技项目（No.201710010043)2高校基本科研业务费项目（17lgzd15、GF本文通过电化学沉积的方法在铜箔上出不同厚度的具有仿生树林状的微纳双管的提供条件。另外，电化学方法一步法就可以得到结构丰富的微纳结构，相对CuSO4体系中通过电沉积在阴极得到不同厚度的仿生树林状结构，详细方法如Wang[7]所述，实验装置图如下图1所示。阴极采用0.1mm厚的紫铜箔(2х

Cu2eCu22e2H2eH2表1所示。

1对拍摄的图像采用高速机自带的软件（PCC2.6）进行吸液高度及时间的统计。同样采用高速对样品表面的接触角进试，测试后的图像采用ImageJ软件2吸液测试装置示1样品样品 沉积时厚度孔隙率 1．3采用扫描电镜(EVOMA10)对样品表面进行形貌表征。图343μm，68μm，99μm,139μm，210μm，235μm的沉积层的俯视图和截面图。可以看出铜箔表面ΩA-C可知，随着厚度的增大，晶F，图3样品表面及侧面SEM图A-F分别Y1-Y5；对应厚度分别43μm，68μm，99μm，139μm，8μl的去离子水进行接触角的测增大[8]，根据Wenzel模型[9]cosw 4A43μm的时候，接触角为210μm,235μm时，如图4E,F所示，液体在样0°，样品表面具有很426°；E)50°；F)60°质进行了吸液性能测试，如图5所示5A可以看出整个吸液过程分为三个阶段[11]，启动阶段，即微纳结构表面吸 面高度不再发生变化。根据图5B可知，最终的液面高度随着样品厚度的增加而增85mm。Tang[12]采用铜颗粒烧结与锯齿状槽道结合的多孔吸液芯在120s70mm 液面上升高度液面上升高度 0

0 时间 样品厚度5A)；B)式（2）Laplace–Youngequation，

2

K

其中θ为接触角，σ为液体表面张力，𝑅𝑅𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒为结构的有效半径，K为渗透率，μ为液体黏Darcy定律式（3），渗透率与毛细压力成反比即与有效毛细半径𝑅𝑅𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒成正比，单独的渗

)(Aw)(

1

y24cosK 面面积，Reff为有效毛细半径,hfg为蒸发焓。K/Reff度y∝（K/Reff）1/2，所以可以通过吸液高度来求得K/Reff，从而得到Qmax，capillary。A

B 0 101214161820

样品厚度6A）样品最大吸液高度及B）K/Reff图6y2tA可知，y2t存在良好的线性关如6B235μmK/Reff1.04х10-6m，也就以且液面能够自动润湿并上升，故计算时接触角视为0︒。沟将仿生树林状晶枝与铜颗粒烧结的样品[412-16]7较大，但是其K/Reff均高于金属球烧结结构以及简单的机械复合结构，是矩形沟槽与110-150μm1.34倍。因此仿生树林状晶枝结构相较于传统的烧结金属颗粒多孔结构来说可以大幅度提升其K/Reff沟K/Reff*10K/Reff*10 7K/Reff2e

e

σ为表面张力；θ为接触角；ρe对应的工质为乙醇。根据上式可ΔPc•K作为毛细性能参数，在本实验中结果如下图8所示。由图8235μm1.52х10-7N，是粒径为110-150μm4.313(A-C)可知，随着沉积时间的增长，晶枝FK/Reff的计算结果一致。ΔPc*K*10-ΔPc*K*10- 10012014016082，可以对仿生状树林结构在热管中可以提供的驱动力进行计算；另外，根据243μm1010Pa，对应的毛细极限为1.8W；在厚度为235μm时，毛2184Pa，对应的毛细极限为18.8W。减小热管的厚度，为超薄热管的提供条件。表2毛细压力P本文通过电化学沉积的方法在铜箔上出6种厚度分别为43μm，68μm，吸液芯对其毛细特性进行研究。实验过程中对其毛细特性相关的参数K，K/Reff，面由亲水变成超亲水；其K/Reff值随着厚度的增加先增加后基本保持不变，在235μm235μm1.50х10-7N110-150μm烧结金属颗粒的18.8W。另外，接触角是影响毛细芯的毛细特性一项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.