熱管內(nèi)燒結(jié)式多孔銅吸液芯的滲透率及毛細(xì)力的測(cè)量

劉雅聰，朱 樂(lè)，劉翔宇，劉榮偉，孫楊鋒，李萬(wàn)東，侯和龍

(承德石油高等專科學(xué)校 工業(yè)技術(shù)中心，河北 承德 067000)

熱管是一種自發(fā)的傳熱裝置，首先發(fā)展于航天方面，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸由航天業(yè)轉(zhuǎn)移到能源、化工、空調(diào)制冷等行業(yè)，應(yīng)用十分廣泛[1]。它是利用了液體的相變?cè)?，蒸發(fā)吸熱、液化放熱，將熱量從一側(cè)傳至另外一側(cè)，達(dá)到熱量傳遞的目的[2]。燒結(jié)式多孔銅由于制作簡(jiǎn)單、具有優(yōu)異的毛細(xì)力和滲透率等傳熱性能被廣泛應(yīng)用于熱管內(nèi)部吸液芯的制作[3]。吸液芯多孔銅負(fù)責(zé)液體回流過(guò)程，毛細(xì)力提供了液體回流所需要的驅(qū)動(dòng)力，滲透率決定了液體回流效率，因此多孔銅的毛細(xì)力和滲透率性能決定了熱管在整個(gè)傳熱工作中的效率[4]。燒結(jié)式多孔銅的毛細(xì)力和滲透率對(duì)于表征熱管吸液芯性能起著至關(guān)重要的作用，對(duì)于研究和改善熱管傳熱性能提供重要依據(jù)[5]。Lago通過(guò)達(dá)西定律，在Washburn模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，得到了多孔介質(zhì)中毛細(xì)上升高度與時(shí)間關(guān)系的表達(dá)式[6]。杜紅普在此基礎(chǔ)上通過(guò)觀測(cè)玻璃管中洗砂的毛細(xì)上升現(xiàn)象，利用改進(jìn)Washburn方程擬合出毛細(xì)平衡高度和滲流速度，從而測(cè)定多孔介質(zhì)滲透率[7]。本文利用燒結(jié)式多孔銅具有的毛細(xì)力原理及液體下降的方法設(shè)計(jì)了毛細(xì)力的測(cè)量裝置；設(shè)計(jì)了滲透率的測(cè)量裝置，通過(guò)達(dá)西公式擬合出滲透率值，簡(jiǎn)化測(cè)量過(guò)程。

1 試樣準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)樣品的制備

首先用目篩將銅粉分成不同的尺寸(120～150 μm、96～120 μm、75～96 μm、48～75 μm、38～48 μm)。將銅管切割成同樣尺寸大小(內(nèi)徑6.8 mm、外徑8 mm、高度為5 mm)，用松裝填粉的方式將銅粉分別裝入銅管內(nèi)部。用管式燒結(jié)爐在氬氣氣氛保護(hù)下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度840 ℃，保溫1 h，隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)后的樣品如圖1所示。

1．2 毛細(xì)力的測(cè)量

毛細(xì)力是指由于表面張力的作用，細(xì)管內(nèi)部的液體能夠自動(dòng)上升一定的高度而高于液面的驅(qū)動(dòng)力[8]。本實(shí)驗(yàn)采用了液體下降的方法來(lái)測(cè)量毛細(xì)力，多孔體的毛細(xì)力與上升一定高度的液體的重力相平衡。測(cè)量裝置如圖2所示。

液體在連通管內(nèi)兩端的液面是水平的，當(dāng)一端連接上多孔體后由于毛細(xì)力作用會(huì)使連通管內(nèi)兩端的液面出現(xiàn)高度差，液體的高度差所具有的壓力等于多孔體的毛細(xì)力。因此毛細(xì)力的測(cè)量公式如下：

ΔΡ=ρgΔΗ

(1)

測(cè)量裝置由連通的U型管構(gòu)成，在U型管的下端裝有閥門。將樣品用橡膠管連接在U型管的左端，固定后保持密封狀態(tài)。在U型管中充滿液體，然后打開(kāi)下端的閥門，使液體緩慢的流出，右端的液面下降，左端由于樣品毛細(xì)力作用使液體保持不變，出現(xiàn)如圖2所示現(xiàn)象。當(dāng)兩端液面到達(dá)一定的高度差時(shí)，左端實(shí)驗(yàn)樣品的毛細(xì)力處于極限狀態(tài)，毛細(xì)力不能支撐液面壓差，左端液體向下流動(dòng)出現(xiàn)液面。

在平衡的情況下測(cè)量出右端液面距離樣品下端的最大的距離ΔH，代入公式(1)中，計(jì)算出毛細(xì)力的測(cè)量值。

1.3 滲透率的測(cè)量

滲透率是指在一定的壓力下液體流過(guò)多孔體的能力。本實(shí)驗(yàn)是利用了液體在重力的作用下流過(guò)多孔體，通過(guò)液體通過(guò)速率擬合出滲透率值。滲透率的測(cè)量裝置如圖3所示：

將樣品用橡膠管連接到堿式滴定管下端并保持密封，將液體注入堿式滴定管中，液體在自身的重力作用下會(huì)流過(guò)多孔銅。液體自由下落，記錄下液面經(jīng)過(guò)每個(gè)刻度線的時(shí)間。

滲透率的測(cè)量是用達(dá)西公式來(lái)計(jì)算的，達(dá)西公式表達(dá)如下[9]：

(2)

(3)

初始條件為t=0，H=a，a為初始時(shí)液面距離樣品的垂直高度。代入初始條件，微分方程求解后為下式：

(4)

g為重力加速度；ρ為液體的密度，本實(shí)驗(yàn)所用工質(zhì)為0.1 Mol鹽酸。

H=0.6e(-nt)

(5)

帶入數(shù)據(jù)參數(shù):ρ=9.974*103kg/m3；g=9.8 m/s2；μ=1.205*10-3Pa·s；δ=0.005 m；初始條件為t=0，H=a=0.6 m。

2 結(jié)果與討論

2.1 毛細(xì)力結(jié)果

如圖5所示，從毛細(xì)力測(cè)量結(jié)果可以看出燒結(jié)銅粉末尺寸對(duì)于燒結(jié)式多孔銅的毛細(xì)力有著很大的影響，隨著粉末粒度的減小，毛細(xì)力值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。從圖4中燒結(jié)式多孔銅內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)可以看出，120～150 μm粉末燒結(jié)后的多孔銅內(nèi)部具有聯(lián)通的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)的有效半徑尺寸較大，而且銅粉末表面比較光滑規(guī)則，與液體表面的接觸角較大。48～75 μm銅粉末燒結(jié)后的多孔銅內(nèi)部同樣具有聯(lián)通的孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)的有效半徑尺寸明顯較小，銅粉末表面為不規(guī)則狀態(tài)，粉末表面與液體的接觸角較小。38～48 μm銅粉末表面也是聯(lián)通的孔結(jié)構(gòu)，銅粉末尺寸變小，粉末表面為不規(guī)則狀，粉末表面與液體的接觸角最小。

銅粉末的尺寸越小，燒結(jié)粉末之間形成的聯(lián)通孔也越小，因此多孔銅的有效毛細(xì)半徑Reff越小。毛細(xì)力是由液體的表面張力σ、接觸角α以及多孔銅的有效毛細(xì)半徑Reff決定的，其理論計(jì)算公式為[10]：

在本實(shí)驗(yàn)中所使用液體相同，毛細(xì)力是由接觸角α與Reff決定的。因此液固面的接觸角α越小，有效毛細(xì)半徑Reff越小，其毛細(xì)力ΔP越大。

從圖5中還可以看出粉末尺寸相同的情況下燒結(jié)溫度對(duì)毛細(xì)力有一定影響，整體有溫度越高，毛細(xì)力值越小的趨勢(shì)。燒結(jié)過(guò)程的原動(dòng)力是表面能，溫度越高，燒結(jié)粉末表面的能量越高，銅原子會(huì)擴(kuò)散遷移，粉末表面會(huì)變球化、均勻化，液固面的接觸角變大，因此毛細(xì)力變小。

2.2 滲透率結(jié)果

圖6為根據(jù)H=0.6e(-nt)擬合后的曲線與實(shí)際測(cè)量的H(t)離散點(diǎn)的曲線圖。從圖6中可以看出離散點(diǎn)與擬合曲線的契合度非常高，說(shuō)明試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際理論公式比較貼合，具有很大的可信度。將n值代入公式計(jì)算出滲透率值。

圖7為擬合后的滲透率值，從圖7可以明顯的觀察到粉末尺寸對(duì)滲透率值的影響趨勢(shì)：粉末的尺寸越大，燒結(jié)后多孔銅的滲透率越高，當(dāng)粉末尺寸在38～48 μm之間時(shí)滲透率下降趨勢(shì)變緩。燒結(jié)溫度對(duì)滲透率也有一定影響，溫度越高，燒結(jié)式多孔銅的滲透率越高。

從圖4中可以看出120～150 μm粉末燒結(jié)后的多孔銅內(nèi)部具有連通的孔可供液體順利通過(guò)，因此多孔銅具有一定的滲透率，當(dāng)粉末尺寸變小后內(nèi)部連通孔明顯變小，可供通過(guò)的液體也會(huì)隨之減??；此外，粉末尺寸越小，粉末的表面積越大，切粉末表面越粗糙，與液體的摩擦力增大，摩擦面積增多，阻礙了液流的通行，因此滲透率值隨之降低。燒結(jié)溫度越高，相同尺寸粉末燒結(jié)后的多孔銅滲透率越高。燒結(jié)溫度越高，粉末表面能越高，銅原子表面在高能量下擴(kuò)散、球化，多孔銅表面逐漸光滑，表面與液體的摩擦力會(huì)減少，有利于液體順利通過(guò)多孔體。

從圖5擬合曲線可以看出，38～48 μm粉末尺寸的擬合曲線與實(shí)際離散點(diǎn)在最后出現(xiàn)了微小偏差，實(shí)測(cè)液面高度稍高于理論曲線。這是由于當(dāng)粉末尺寸較小時(shí)，空氣容易吸附在燒結(jié)多孔銅內(nèi)孔的表面，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中內(nèi)部連通孔由部分空氣所占據(jù)，在最后壓差降低的情況下水流率比理論偏小，液面高度偏高，因此所測(cè)量的離散點(diǎn)與理論曲線有所偏差。整體來(lái)說(shuō)理論曲線與實(shí)際測(cè)量的離散點(diǎn)曲線比較吻合。

表1為與其他測(cè)量方法滲透率值的比較，22.09 μm球形銅粉燒結(jié)后的滲透率值為4.5*10-12m2，本次實(shí)驗(yàn)38～48 μm不規(guī)則狀銅粉燒結(jié)后的滲透率值為21.4*10-12m2，根據(jù)粉末尺寸對(duì)滲透率的影響關(guān)系，粉末尺寸越大，滲透率值越小，對(duì)比結(jié)果滿足本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。

表1 不同形狀銅粉燒結(jié)后滲透率值的比較[11]

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了燒結(jié)式多孔銅的毛細(xì)力和滲透率的測(cè)量裝置，快速并有效地測(cè)量出毛細(xì)力與滲透率值，并比較了不同尺寸粉末燒結(jié)后多孔銅的毛細(xì)力及滲透率值。

1)利用液體下降的方法設(shè)計(jì)了毛細(xì)力的測(cè)量裝置，根據(jù)毛細(xì)力等于所支撐液柱的重力計(jì)算出毛細(xì)力值；測(cè)量了不同尺寸粉末燒結(jié)多孔銅的毛細(xì)力變化，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)粉末尺寸越小，形成的毛細(xì)孔越小，毛細(xì)力越大。

2)通過(guò)達(dá)西公式原理設(shè)計(jì)了燒結(jié)式多孔金屬滲透率的測(cè)量裝置，結(jié)合達(dá)西公式擬合出滲透率值。比較了不同燒結(jié)銅粉末尺寸對(duì)滲透率的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著粉末尺寸的減小，滲透率減小。