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石墨烯自組裝表面強化沸騰傳熱研究取得進展
发稿时间:2019-10-25         作者:文/周文斌          来源:傳熱傳質研究中心     【字号:

  沸騰傳熱是一種極其高效的相變傳熱技術,具有取熱熱流密度高、過熱度低和均溫性好等優勢,因此在熱能的傳遞、轉換和管理系統中起著至關重要的作用,被廣泛應用于發電、海水淡化、冶金、高功率密度電子器件冷卻、大功率激光器熱管理、食品加工等化工、航空航天及軍事等領域。提高沸騰傳熱性能在改善能源系統的效率、安全性及降低系統花費等方面具有重要意義,能夠有效地實現節能減排。 

  石墨烯等碳納米材料有優異的力學、熱學性質及化學穩定性,近些年在強化沸騰傳熱方面引起了學者的極大關注。基于碳納米材料的沸騰強化技術主要可分爲納米流體技術和納米塗層技術。納米流體技術是利用含有碳納米材料的納米流體代替水作爲液體工質來增強沸騰傳熱性能。但納米顆粒會在沸騰過程中持續沈積,難以獲得一個穩定的結構表面,且過量的納米顆粒沈積引起的熱阻增加及孔隙填充等不利因素可能會導致沸騰性能的衰退。因此,利用納米塗層技術在襯底上生成穩定的納米結構表面,從而實現沸騰傳熱的強化是極具前景的。目前,學者大多采用化學氣相沈積、層層沈積、電化學等方法在傳熱基材上構建碳納米結構表面來顯著提高沸騰傳熱性能。但這些制備方法複雜,對設備要求較高,且加工成本和時間較長,擴展性不強,難以實現大規模工程應用。 

  为此,中科院工程热物理研究所傳熱傳質研究中心光电系统热管理团队的研究人员在国家自然科学基金青年科学基金项目(No. 51706225)的支持下深入研究了低成本、易實現的核態沸騰自組裝法,並成功制備出性能優異的氧化石墨烯(GO)沸騰表面,通過精心地選擇和調控自組裝沈積參數,獲得了最優的石墨烯二維層壓結構表面,其臨界熱流密度和換熱系數爲261 W cm-2 9.1 W cm-2 K-1,相比于原始的銅平面提高了104%73%,達到國際先進水平,並且展現了優良的耐用性。通過對不同表面的氣泡動力學行爲可視化研究,並結合微觀結構、潤濕性、粗糙度、熱還原效應和熱活性等的表征及分析,揭示了GO表面強化沸騰傳熱的機理。相關研究成果發表在國際知名學術期刊Carbon(中科院1TOP期刊,IF=7.466)上:“Wenbin Zhou, Lan Mao, Xuegong Hu*, Yu He, An optimized graphene oxide self-assembly surface for significantly enhanced boiling heat transfer. Carbon 2019, 150: 168-178.” 

  該研究結果中的GO自組裝沸騰表面具有高度擴展性,能在多種襯底上形成並拓展到更大面積。此外,這種平面型強化沸騰結構還可以拓展爲三維型強化沸騰結構,會進一步大幅度提高取熱熱流密度和換熱系數。該GO自組裝表面在工程應用中具有較大優勢,有望在實際應用中解決高功率密度電子器件散熱“卡脖子”問題,改善能源系統的效率、花費和安全性。 

 图1 制备得到的氧化石墨烯自组装表面及其微观二维层压结构

 图2 氧化石墨烯自组装表面的强化沸腾传热性能和稳定性

 
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