一种高纵深比的亚微米-尊龙凯时官方app下载

文档序号:36336124发布日期:2023-12-13 07:37阅读:26来源:国知局

一种高纵深比的亚微米/微米孔结构的制备方法及其应用
技术领域
1.本发明涉及加工领域,特别涉及一种高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的制备方法及其应用



背景技术:

2.在化工能源

航空航天

电力电子等领域中,如果积聚的热量无法快速散失会严重影响到设备的正常运行,因此,需要开发高效轻便的冷却技术,以对提高快速从具有高功率密度的系统的散热能力有重要意义

目前对于高热通量的散热要求

传统的散热方式如风冷

水冷等仅通过热传导的散热能力是有限的

传统的单相冷却技术逐渐难以满足目前高热通量的散热要求,基于蒸发或沸腾的两相流冷却技术可以利用高潜热的流体短时间内从受热表面带走大量热量到达超高的传热极限而得到了广泛应用

已有研究表明表面结构对于沸腾传热性能有很大的影响,较大的比表面积

稳定的气化核心及与可以增大有效传热面积

促进核化沸腾

有效提高换热系数

多孔表面是有效增强沸腾传热的重要途径之一,具有较高的比表面积

较强的渗透性及表面润湿性,其内部的孔隙结构不仅能扩展传热面积,同时也为沸腾提供大量的核化穴,是一种常见的强化沸腾传热表面

目前多孔表面的制备方法包括火焰喷涂

光刻

模板法

烧结和电镀等

多尺度多孔结构表面可以很好地协同蒸气逸出和液体吸入对孔隙尺度的不同需求,沸腾起始点显著降低,热流密度得到提高,换热系数大大增强

然而火焰喷涂

光刻

模板法

烧结和电镀等多孔表面的制备方法,得到结构的直径尺寸通常大于
10
μm或小于
500nm
,且直径尺寸在1~5μm的高纵深比多孔表面制备方法和传热研究鲜有报道

3.因此,研究低成本大幅面制备直径尺寸在1~5μm的高纵深比多孔表面是具有重要意义



技术实现要素:

4.本发明的目的在于提供一种高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的制备方法及其应用,以解决现有多孔结构在1~
10
μm直径尺寸下的高纵深比问题

5.为了解决上述技术问题,本发明的目的之一在于提供一种高纵深比的亚微米
/
微米孔结构,多个所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体均从所述基板加工而出,多个所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体随机错落布置,所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体顶部周围覆盖有多个纳米结构体,高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的侧壁和底部为覆盖纳米结构体

6.在本发明的一些实施方式中,所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的开孔形状为圆形或椭圆形

7.在本发明的一些实施方式中,所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的直径
≤10
μm,
≥500nm
,更加优选地,微米孔结构体直径
≤5
μm,
≥2
μ
m。
8.在本发明的一些实施方式中,所述相邻高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的间距
≤20
μm,
≥1
μ
m。
9.在本发明的一些实施方式中,所述相邻高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的深度
≥10
μm,所述亚微米
/
微米孔结构体的深度和直径的比值
≥5。
10.在本发明的一些实施方式中,还包括多个纳米结构体;多个所述纳米结构体均位于高纵深比的微米孔结构体的间距直径,纳米结构体可以提供更大比表面积,有效增强液气相变能力

11.在本发明的一些实施方式中,所述纳米结构体的主要为纳米颗粒或纳米波纹结构体

12.在第一方面的一些实施方式中,所述纳米颗粒的宽度
≤100nm
,纳米颗粒的高度
≤100nm。
13.在本发明的一些实施方式中,所述纳米波纹结构体的宽度
≤100nm
,纳米波纹结构体的高度
≤300nm
,纳米波纹结构体的的长度
≥1
μm,相邻两个所述纳米波纹结构体的之间的距离
≤10nm。
14.在本发明的一些实施方式中,所述基板

所述微米孔结构体和所述纳米结构体的材质至少包括铜







碳化硅和金刚石等;
15.在本发明的一些技术方案中,所述微米孔结构体和所述纳米结构体可以被组合到微通道内部

所述的微通道的横截面的形貌为锥形

倒v形

梯形或类似形状

16.在本发明的一些技术方案中,所述的微通道的高度和底部宽度的比值
≥0.25
;所述微通道的底部宽度
≤500
μm;所述微通道构的顶部宽度
≤30
μm;相邻两个微通道之间的间距
≤100
μ
m。
17.本发明的目的之二在于,提供一种高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:采用短脉冲激光在基板上加工出大面积高纵深比的亚微米
/
微米孔结构或者微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构,然后改变短脉冲激光的相关参数在高纵深比的亚微米
/
微米孔结构形成纳米结构体,制得所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构

18.在本发明的一些技术方案中,所述短脉冲激光加工是指利用聚焦的短脉冲激光束按照特定路径扫描,去除扫描路径上的材料,从而形成高纵深比的微米孔结构体或微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构

19.在本发明的一些技术方案中,所述短脉冲激光的脉冲半高宽
≤100ps
,更优选地,所述短脉冲激光的脉冲半高宽
≤10ps
,具备较短的脉冲宽度可确保加工硬脆材料

20.在本发明的一些技术方案中,所述制备高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体或微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的激光能量
≤10
μ
j。
21.在本发明的一些技术方案中,所述制备高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体或微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的扫描次数
≤10


22.在本发明的一些技术方案中,所述制备纳米结构体的激光能量
≤1
μ
j。
23.在本发明的一些技术方案中,所述制备纳米结构体的扫描次数
≤3


24.在本发明的一些技术方案中,所述高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体的尺寸大小由短脉冲激光的衍射极限控制
25.在本发明的一些技术方案中,高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的孔深度极限尺寸
由短脉冲激光扫描次数控制

26.本发明的目的之三在于,提供一种应用了高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体或微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构体进行相变换热

27.在本发明的一些技术方案中,所述相变换热场景包括蒸发或沸腾

28.本发明的有益效果如下:
29.本发明中的高纵深比的亚微米
/
微米孔结构包括微米结构和纳米结构,微米孔错落分布在微通道底部,微结构的顶部覆盖纳米结构,所述的高纵深比的亚微米
/
微米孔结构可以作为气室,提供更多的活性形核点,有效增强液气相变能力;纳米结构可以增强浸润性,提高毛细性能;而高纵深比的亚微米
/
微米孔结构复合在微通道底部时也可以实现高效的毛细流动,使该多孔表面同时兼具高效的毛细流动和高效的气液相变性能

30.本发明中的制备方法利用短脉冲激光在基板上加工形成微通道和高纵深比的亚微米
/
微米孔结构,通过调节短脉冲激光加工的参数可以灵活调控微结构的尺寸特性和形貌,同时,通过二次的激光扫描可以制备大面积的纳米结构,从而实现根据需要进行结构设计

附图说明
31.为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图

32.图1为本发明微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的结构示意图

33.图2为实施例1中的微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的表面形貌

34.图3为实施例1中的高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的表面形貌

35.图4为实施例1中的纳米结构体的表面形貌

36.图5为实施例2中的微通道复合高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的表面形貌

37.图6为对比例1中的微结构的表面形貌结构

38.图7为对比例2中的微结构的表面形貌

39.图8为实施例
1、2
组和对比例
1、2
组的气泡脱离图

40.附图标记如下:
41.1、
微通道;
2、
微米孔;
3、
纳米结构体

具体实施方式
42.下面将结合本发明实施方式中的附图,对本发明实施方式中的技术方案进行清楚

完整地描述

43.实施例144.本技术的一种高纵深比的亚微米
/
微米孔结构复合在微通道底部,如图
1、

2、

3、
图6和图7所示,包括微通道
1、
微米孔2和纳米结构体3,多个微米孔2均位于微通道1底部且错落分布;相邻微米孔覆盖纳米结构体
3。
这种结构制备克服了脉冲激光制备微米孔尺寸不能超过其光斑大小的难题,更深的微米孔与沸腾气室的作用类似,可以提供的形核位点,所以在沸腾上具有更大的优势;并且微通道具备快速运输液体的能力,可以更好的实现气
泡脱离,并且纳米结构体3可以提供更大比表面积,有效增强液气相变能力

45.在本技术的实施例中,有关上述的基板1,如图2和图6所示,基板1的材质优选为碳化硅

46.具体的,基板1的尺寸为
20*20*0.46mm3。
47.需要指出的是,基板1的材质包括但不限于纯铜

铜合金





铁或金刚石,本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择

48.在本技术的实施例1中,有关上述的微通道1和微米孔2,是在空气中通过脉冲激光扫描碳化硅表面,阵列加工的

脉冲激光扫描参数为:激光脉冲半高宽
290fs
,波长
532nm
,重复频率
200khz
,单脉冲能量
12.6
μj,聚焦光斑直径约
16.8
μm,聚焦光斑的扫描速度
400mm/s。
扫描图案为相互垂直的平行线阵列,相邻两个线间距为5μm,重复扫描
10


加工后微通道的主通道宽度为
200
μm,深度约
100
μm,相邻微通道的间距为
30
μm,加工后的特斯拉阀门微通道阵列的结构示意图如图2所示

具体的,碳化硅材质的每个微米孔2直径为3μm,高度为
10
μm,微米孔2的深度和宽度的比值大于5,相邻的微米结构体2的间距为5μ
m。
在基础上再利用脉冲激光扫描碳化硅表面

脉冲激光扫描参数为:激光脉冲半高宽
290fs
,波长
532nm
,重复频率
200khz
,单脉冲能量3μj,聚焦光斑直径约
16.8
μm,聚焦光斑的扫描速度
10mm/s。
加工后纳米结构如图3所示

49.实施例250.本例中的单通道微米深孔结构采用以下制备方法制得,具体包括以下步骤:
51.在本技术的实施例2中,有关上述的微通道1和微米孔2,是在空气中通过脉冲激光扫描碳化硅表面

脉冲激光扫描参数为:激光脉冲半高宽
290fs
,波长
532nm
,重复频率
200khz
,单脉冲能量
12.6
μj,聚焦光斑直径约
16.8
μm,聚焦光斑的扫描速度
400mm/s。
单道划线,重复扫描
20


加工后微通道的主通道宽度为
30
μm,深度约
50
μm,相邻微通道的间距为
10
μm,加工后的单通道微米深孔结构的结构示意图如图5所示

52.对比例153.本例中的微通道不具备有高纵深比的亚微米
/
微米孔结构,采用以下制备方法制得,具体包括以下步骤:
54.在本技术的对比例1中,有关上述的微通道1和微米孔2,是在空气中通过脉冲激光扫描碳化硅表面,阵列加工的

脉冲激光扫描参数为:激光脉冲半高宽
290fs
,波长
532nm
,重复频率
200khz
,单脉冲能量
5.6
μj,聚焦光斑直径约
16.8
μm,聚焦光斑的扫描速度
4000mm/s
,重复扫描
100


加工后微通道的主通道宽度为
200
μm,深度约
100
μm,相邻微通道的间距为
30
μm,加工后的不具备有高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的表面形貌如图5所示

55.对比例256.本例中的微结构为阵列孔结构采用以下制备方法制得,具体包括以下步骤:
57.在本技术的对比例1中,有关上述的微通道1和微米孔2,是在空气中通过脉冲激光扫描碳化硅表面,光斑分离阵列加工的

脉冲激光扫描参数为:激光脉冲半高宽
290fs
,波长
532nm
,重复频率
20khz
,单脉冲能量
12.6
μj,聚焦光斑直径约
16.8
μm,上离焦
1mm,
聚焦光斑的扫描速度
4000mm/s
,重复扫描
100


加工后光斑阵列孔结构的直径为
16.8
μm,深度约
10
μm,相邻孔结构的间距为
25
μm,加工后的阵列孔结构的表面形貌如图6所示

58.性能测试
59.为了表征本发明制备具有高纵深比的亚微米
/
微米孔结构复合在微通道底部进行沸腾传热性能,采用以下测试方法进行测试表征:
60.测试方法为:将制备的样品固定在均热板测试装置上,样品下方放置一个
20*20mm2的加热方柱,该方柱通过
12
根干烧棒来提供
1200w
的加热功率,将缓慢调节变压器逐步增强热通量直至样品表面干涸,通过高速摄影仪记录样品表面气泡脱离情况

61.测试样品为:
62.实施例1:按照实施例中的制备方法在
20*20*0.46mm3(

×

×

)
的碳化硅表面上制备如图
2、
图3和图4所示的表面微结构,然后通过焊接等一系列工艺流程制备出实施例1的样品进行测试

63.实施例2:按照实施例中的制备方法在
20*20*0.46mm3(

×

×

)
的碳化硅表面上制备如图5所示的表面微结构,然后通过焊接等一系列工艺流程制备出实施例1的样品进行测试

64.对比例1:在
20*20*0.46mm3(

×

×

)
的碳化硅表面上制备不具有高纵深比的亚微米
/
微米孔结构的微通道,图6所示,测试与制备流程与实施例的方法相同

65.对比例2:在
20*20*0.46mm3(

×

×

)
的碳化硅表面上制备如图7所示的表面微结构,该微结构为激光光斑分离阵列的孔结构,测试与制备流程与实施例的方法相同
。。
66.按照上述测试方法对实施例
1、
实施例
2、
对比例1和对比例2进行沸腾传热性能测试,四个样品的通过高速摄影仪记录样品表面气泡脱离情况见图8所示

由于对比例
1、
对比例2中的样品不具有高纵深比的亚微米
/
微米孔结构,使得气液协同降低,相比于实施例
1、
实施例2的样品表面,其气泡分离的直径更大

67.以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围

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