多孔槽復(fù)合吸液芯制備及毛細(xì)性能研究

聶聰 范東強(qiáng) 段龍華 王志威

摘要：本文通過(guò)采用電化學(xué)沉積方法，在銅溝槽管內(nèi)表面制備得到多孔槽復(fù)合吸液芯。利用SEM對(duì)復(fù)合吸液芯進(jìn)行微觀形貌分析，并搭建吸液芯毛細(xì)性能測(cè)試平臺(tái)，探究了電解液溶度對(duì)復(fù)合吸液芯毛細(xì)性能的影響。結(jié)果表明，電化學(xué)沉積制備的復(fù)合吸液芯毛細(xì)性能均優(yōu)于溝槽吸液芯，其中電解液溶度為0.03mol/L時(shí)，復(fù)合吸液芯的毛細(xì)性能最好，毛細(xì)上升高度為46.5 mm，與溝槽吸液芯相比，毛細(xì)上升高度提升了52.3%。

Abstract： In this paper， a porous groove composite wick is fabricated on the inner surface of a copper grooved tube by using an electrochemical deposition method. SEM was used to analyze the morphology of the composite wick， and a test platform for the capillary performance of the wick was built， to explore the influence of electrolyte solubility on the capillary performance of the composite wick. The results show that the capillary performance of the composite wick fabricated by electrochemical deposition is better than that of the groove wick. When the electrolyte solubility is 0.03mol/L， the capillary performance of the composite wick is the best， and the capillary rise height is 46.5 mm， compared with the grooved wick， the capillary rise height is increased by 52.3%.

關(guān)鍵詞：電化學(xué)沉積;多孔槽復(fù)合吸液芯;毛細(xì)性能

Key words： electrochemical deposition;porous groove composite wick;capillary performance

中圖分類號(hào)：TK124 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0025-03

0 ?引言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步，各種電子元器件逐漸朝著微型化、高性能和集成化的方向發(fā)展。電子元器件長(zhǎng)期處于高功耗和狹小的熱散空間中，會(huì)導(dǎo)致電子元器件臨界熱流密度大幅增加，從而降低電子元器件的可靠性和使用壽命。熱管作為一種相變傳熱元件，以其高導(dǎo)熱系數(shù)、均溫性好和熱響應(yīng)速度塊等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于智能手機(jī)、手提電腦、余熱回收和航空航天等領(lǐng)域[1-4]。熱管主要是由吸液芯、管殼和工質(zhì)組成。其中，吸液芯的毛細(xì)性能對(duì)熱管傳熱性能有重要影響[5-6]。常見(jiàn)的熱管吸液芯有溝槽吸液芯、絲網(wǎng)吸液芯和金屬粉末燒結(jié)吸液芯三類。其中，溝槽吸液芯具有較高的滲透率，工質(zhì)流動(dòng)阻力小，但毛細(xì)壓力低，抗重力性能差;絲網(wǎng)吸液芯由于絲網(wǎng)不能與管殼緊密貼合，造成徑向熱阻過(guò)大;金屬粉末吸液芯毛細(xì)壓力大，抗重力性能好，但是工質(zhì)流動(dòng)阻力大[7-8]。因此，為了提高吸液芯的毛細(xì)性能，電化學(xué)加工、激光加工、微金屬粉末燒結(jié)和化學(xué)改性等先進(jìn)加工方法開(kāi)始應(yīng)用于吸液芯的制備[9-10]。但以上加工方法制備的吸液芯存在結(jié)構(gòu)單一、制備成本高等缺點(diǎn)。并且上述加工方法主要用于平板表面的吸液芯制備，對(duì)管內(nèi)微尺度吸液芯的制備研究較少。因此，本文采用電化學(xué)沉積方法在銅溝槽管內(nèi)壁制備得到多孔槽復(fù)合吸液芯，該復(fù)合吸液芯是由多孔銅微納涂層和微溝槽組成，解決了單一吸液芯毛細(xì)性能差的問(wèn)題;并探究了電解液溶度對(duì)復(fù)合吸液芯毛細(xì)性能的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)部分

1.1 多孔槽復(fù)合吸液芯制備

本文多孔槽復(fù)合吸液芯的制備是根據(jù)電化學(xué)沉積反應(yīng)原理，將含有Cu2+的酸性溶液作為電解液，銅溝槽管作為陰極，紫銅棒作為陽(yáng)極，在反應(yīng)過(guò)程中，Cu2+在電場(chǎng)力的作用下移動(dòng)到陰極（銅溝槽管內(nèi)壁）得到電子被還原成Cu單質(zhì)，同時(shí)H+得到電子生成H2（氫氣），導(dǎo)致陰極附近會(huì)不斷的有氣泡形成。因此，在Cu2+向銅溝槽管內(nèi)壁沉積的過(guò)程中，會(huì)不斷的受到氫氣氣泡的干擾，一部分氣泡會(huì)阻礙Cu2+直接沉積在銅溝槽管內(nèi)表面上，另一部分會(huì)破壞已經(jīng)形成的多孔銅微納涂層，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，在銅溝槽管內(nèi)壁形成多孔銅微納涂層和微溝槽組成的（多孔槽）復(fù)合吸液芯。銅溝槽管參數(shù)如表1所示。

本文設(shè)計(jì)搭建的多孔槽復(fù)合吸液芯制備實(shí)驗(yàn)裝置，包括以下部分：直流電源（MS3010D，0-10A，300 W）、銅棒（材質(zhì)為紫銅，規(guī)格為Φ2×400mm）、銅溝槽管（參數(shù)祥見(jiàn)表1）、水管（材質(zhì)為硅膠，規(guī)格為Φ10mm）、蠕動(dòng)泵（Kamor UIP）以及PU管接頭等配件。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

電化學(xué)沉積反應(yīng)式如下：

陰極反應(yīng)：

Cu+2e=Cu

2H+2e=H↑

陽(yáng)極反應(yīng)：

Cu-2e=Cu

4OH-4e=2HO+O↑

實(shí)驗(yàn)具體步驟：①將銅溝槽管放入到超聲波清洗機(jī)中，分別用去離子水和無(wú)水乙醇清洗8min后，烘干;②將烘干后的樣品放入到真空爐中，進(jìn)行還原，以除去銅溝槽管表面的氧化層;③使用HCl（36-38wt%）和CuCl2·2H2O（99.0wt%）分別制備溶度為0.01mol/L、0.02mol/L和0.03mol/L的酸性電解液;④打開(kāi)蠕動(dòng)泵，調(diào)節(jié)流量為25ml/min;⑤打開(kāi)直流電源，調(diào)節(jié)電流密度為80mA/cm2，進(jìn)行電化學(xué)沉積，電沉積時(shí)間為30min;⑥將電化學(xué)沉積后的樣品，放入到燒結(jié)爐中，燒結(jié)溫度500℃，目的是使多孔槽復(fù)合吸液芯結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，不容易脫落。

1.2 毛細(xì)上升高度測(cè)試

本文采用紅外毛細(xì)上升高度測(cè)試方法，對(duì)多孔槽復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度進(jìn)行測(cè)量，該方法的原理是利用液體工質(zhì)和樣品吸液芯具有不同的發(fā)射率，當(dāng)液體工質(zhì)與樣品吸液芯相接觸時(shí)，液體工質(zhì)在吸液芯毛細(xì)壓力的作用下會(huì)沿樣品快速上升，通過(guò)紅外熱成像儀能夠觀察到不同的溫度分布，從而準(zhǔn)確的獲取吸液芯的毛細(xì)上升高度。本文搭建的多孔槽復(fù)合吸液芯毛細(xì)上升高度測(cè)試裝置，包括以下部分：紅外熱成像儀（FLIR A600-Series，靈敏度為0.02K）、電腦、鐵架臺(tái)、工質(zhì)容器、升降臺(tái)、樣品夾、玻璃罩及待測(cè)樣品組成。測(cè)試裝置如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)具體步驟：①裁取尺寸為100mm×10mm的待測(cè)樣品，樣品通過(guò)頂部樣品夾豎直固定在鐵架臺(tái)上;②調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使待測(cè)樣品底部浸入到液體工質(zhì)（去離子水）中，浸入深度為3mm;③為了防止環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，在測(cè)試裝置外裝有玻璃罩;④調(diào)整紅外熱成像儀的位置、高度和調(diào)節(jié)對(duì)焦環(huán)，使拍攝圖像清晰;⑤獲取60s內(nèi)復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)诫娔X中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合吸液芯微觀形貌表征

將不同電解液溶度制備的復(fù)合吸液芯，放在掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察，分析其微觀形貌特征，并與溝槽吸液芯相比較。如圖3所示的是電解液溶度為0.01mol/L、0.02mol/L和0.03mol/L制備的復(fù)合吸液芯和溝槽吸液芯的微觀形貌特征圖。如圖3（a）所示，溝槽吸液芯表面較光滑，僅存在由機(jī)械加工造成的表面劃痕。當(dāng)電解液溶度為0.02mol/L和0.03mol/L時(shí)，制備的復(fù)合吸液芯表面為多孔微納結(jié)構(gòu)，但其數(shù)量和尺寸較小，如圖3（b）和圖（c）所示。隨著電解液溶度的增加，復(fù)合吸液芯表面的多孔微納結(jié)構(gòu)數(shù)量和尺寸逐漸增加，當(dāng)電解液溶度為0.03mol/L時(shí)，復(fù)合吸液芯表面為多孔顆粒狀微納涂層結(jié)構(gòu)，如圖3（d）所示。這是因?yàn)殡S著電解液溶度的增加，更多的Cu2+在銅溝槽管內(nèi)壁沉積，形成了一層完整的多孔微納涂層結(jié)構(gòu)。

2.2 毛細(xì)上升高度

如圖4所示為溝槽吸液芯和電解液溶度為0.01mol/L、0.02mol/L、0.03mol/L制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度隨時(shí)間變化曲線。在相同時(shí)間下，電化學(xué)沉積制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度要高于溝槽吸液芯，這說(shuō)明電化學(xué)沉積制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)性能要好于溝槽吸液芯。并且在相同時(shí)間下，比較不同電解液溶度制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度發(fā)現(xiàn)，電解液溶度越高，對(duì)應(yīng)復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度越高，這表明電解液溶度為0.01mol/L制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)性能最差;電解液溶度為0.03mol/L制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)性能最好。電解液溶度為0.03mol/L制備的復(fù)合吸液芯，在60s時(shí)，毛細(xì)上升高度為46.5mm，相比較溝槽吸液芯，毛細(xì)上升高度提高了52.3%，這是因?yàn)閺?fù)合吸液芯表面為多孔顆粒狀微納涂層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致復(fù)合吸液芯有效毛細(xì)半徑減小和液體工質(zhì)流動(dòng)通道增加，進(jìn)而提高了復(fù)合吸液芯的毛細(xì)壓力，從而使復(fù)合吸液芯的毛細(xì)上升高度得到增加。隨著測(cè)試時(shí)間的增大，各條曲線的毛細(xì)上升速率逐漸變慢，最后趨于為0。這是因?yàn)殡S著液體工質(zhì)高度的提升，靜水壓力也逐漸增大，當(dāng)靜水壓力趨于穩(wěn)定并與復(fù)合吸液芯表面提供的毛細(xì)壓力相平衡時(shí)，毛細(xì)上升達(dá)到最大高度。

3 ?結(jié)論

本文通過(guò)采用電化學(xué)沉積方法，在銅溝槽管內(nèi)壁制備得到多孔槽復(fù)合吸液芯，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)電化學(xué)沉積制備的復(fù)合吸液芯的毛細(xì)性能均優(yōu)于溝槽吸液芯，隨著電解液溶度的增加，復(fù)合吸液芯的毛細(xì)性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)電解液溶度為0.03mol/L時(shí)，復(fù)合吸液芯表面為多孔顆粒狀微納涂層結(jié)構(gòu)，毛細(xì)上升高度為46.5mm，相比較溝槽吸液芯，提升了52.3%。

參考文獻(xiàn)：

[1]李健，楊殷創(chuàng)，許傳龍，邱惠和.具有納米結(jié)構(gòu)吸液芯的超薄平面熱管傳熱特性[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2020，41（11）：2762-2766.

[2]高黑兵，高鵬，鄭大亮，鐘毅.Ω型軸向槽道熱管的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2013，42（20）：6-10.

[3]Gong Chen， Dongqiang Fan， Shiwei Zhang， Yalong Sun， Guisheng Zhong， Zhiwei Wang， Zhenpin Wan， Yong Tang. Wicking capability evaluation of multilayer composite micromesh wicks for ultrathin two-phase heat transfer devices[J]. Renewable Energy， 2021， 163： 921-929.

[4]M. Vijayakumar，P. Navaneethakrishnan， G. Kumaresan， R. Kamatchi. A study on heat transfer characteristics of inclined copper sintered wick heat pipe using surfactant free CuO and Al2O3 nanofluids[J]. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2017， 81： 190-198.

[5]Shou-Shing Hsieh， Ya-Ru Yang. Design， fabrication and performance tests for a polymer-based flexible flat heat pipe[J]. Energy Conversion and Management，2013， 70： 10-19.

[6]Chaudhry H N， Hughes B R， Ghani S R. A review of heat pipe systems for heat recovery and renewable energy applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2012， 16： 2249-2259.

[7]黃豆，賈力.燒結(jié)銅粉吸液芯毛細(xì)性能研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2021，42（02）：494-503.

[8]鄭麗，王愛(ài)明，李菊香.熱管吸液芯的研究進(jìn)展[J].低溫與超導(dǎo)，2011，39（04）：43-7.

[9]Shwin-Chung Wong， Wei-Siang Liao. Visualization experiments on flat-plate heat pipes with composite mesh-groove wick at different tilt angles[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2018， 123：839-847.

[10]J. Esarte， J.M. Blanco， A. Bernardini， J.T. San-José. Optimizing the design of a two-phase cooling system loop heat pipe： Wick manufacturing with the 3D selective laser melting printing technique and prototype testing[J]. Applied Thermal Engineering，2017， 111： 407-419.

作者簡(jiǎn)介：聶聰（1995-），男，江西豐城人，碩士，主要研究方向?yàn)楸砻嫖⒓{結(jié)構(gòu)制造。