纳秒激光微织构铜超疏水表面的冷凝传热性能研究

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蒸气冷凝在工业领域常运用于能源、化工、制冷、微电子、电池等领域,其中滴状冷凝是传热效率最高的相变传热模式,而制备出超疏水表面是实现滴状冷凝的重要因素。针对一般金属超疏水表面的后处理方法常用有机物修饰,存在环境污染,热阻高、加工效率低、容易脱落等问题,面向铜部件蒸汽冷凝传热的应用要求,提出绿色后处理辅助的激光微纳织构技术。利用纳秒激光对H62黄铜表面进行微纳织构,结合后续热处理工艺,制备出超疏水表面。首先研究激光参数对微织构H62黄铜超疏水组织和性能的影响。通过光学显微镜、表面轮廓仪、扫描电镜(能谱仪/EDS)、X射线光电子能谱分析(XPS)等检测手段分析激光微织构铜板的表面形貌特征,结果发现纳秒激光微织构铜板表面能形成微纳周期结构,激光参数影响铜板表面的显微结构,进而影响润湿性能。而采取“井”字形编织所形成的规则微纳二级结构表面对超疏水性能的产生起到了作用。然后通过搭建的冷凝传热测试平台试验研究发现,在脉宽不变的情况下,随着激光单脉冲能量增大,冷凝传热性能也越好。在此基础上建立冷凝传热模型,分析表面自由能,发现热处理工艺可以有效地降低冷凝面的表面能。经过EDS、XPS分析发现,热处理促使铜表面发生稳定氧化,表面能快速降低,并促进形成饱满的纳米“团簇”结构。由于纳米“团簇”结构对滴状液滴冷凝有促进效果,热处理后的激光微织构铜板表面的冷凝传热系数是原始表面的4.16倍,是激光微织构的传热系数的2.06倍。为铜合金部件的换热应用提供了绿色非化工表面处理方法。
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