強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜及其制備方法
【專利摘要】一種強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜及其制備方法，根據(jù)實(shí)際功率情況將石墨膜裁剪成所需要的形狀，然后將裁剪好的石墨膜兩端分別與電極固定后置于沸水中通電或者通電升溫后直接在石墨膜上噴射液滴，進(jìn)行沸騰傳熱，得到表面均勻多孔的石墨膜。本發(fā)明通過沸騰方法制得了臨界熱流密度強(qiáng)化的石墨膜，臨界熱流密度值得到大幅提升；無需其他復(fù)雜的物理和化學(xué)表面處理手段，降低了成本，擴(kuò)大了石墨膜的應(yīng)用范圍。
【專利說明】
強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及的是一種強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨膜是在高溫高壓下通過化學(xué)方法制備得到的一種石墨化薄膜，是一種能夠涂覆于固體表面的性能優(yōu)異的導(dǎo)熱散熱材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。
[0003]傳統(tǒng)的強(qiáng)化臨界熱流密度的方法包括以下幾種:I)通過特殊工藝改變金屬加熱面表面的形狀結(jié)構(gòu);2)通過化學(xué)方法處理金屬加熱表面;3)通過在加熱表面鍍納米層來改變加熱面特性。采用上述方法加工石墨膜加熱面存在著操作復(fù)雜、成本高等問題。
[0004]經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN101447466，公開(公告)日2009-06-03，記載了一種芯片的沸騰強(qiáng)化換熱結(jié)構(gòu)及其制作方法，通過在芯片的表面蝕出多個(gè)柱狀結(jié)構(gòu)的凸臺(tái)，然后在有凸臺(tái)的芯片表面濺射S12層，把S12層腐蝕為多孔結(jié)構(gòu)形成的表面，不僅能強(qiáng)化沸騰傳熱，同時(shí)也顯著地提高了臨界熱流密度；
[0005]中國專利文獻(xiàn)號(hào)CN104810068A，公開(公告)日2015-07-29，記載了一種外壁面帶有翅片的壓力容器，通過在壓力容器下封頭外壁上沿周向均勻布置有N個(gè)翅片，可以使流體流動(dòng)過程中產(chǎn)生漩渦或是引導(dǎo)流體改變單一的流動(dòng)方向，從而增強(qiáng)流體流動(dòng)過程中的攪渾，使流體受熱更加均勻，增強(qiáng)流體的換熱能力，提高流體在壓力容器外壁面相應(yīng)位置處的臨界熱流密度。然而，上述通過在表面上增加鍍層或增加其他結(jié)構(gòu)使得臨界熱流密度得到增強(qiáng)的方法在實(shí)際應(yīng)用中操作復(fù)雜、成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出了一種強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜及其制備方法，能夠提尚石墨I(xiàn)旲的臨界熱流密度。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，
[0008]本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜的制備方法，根據(jù)實(shí)際功率情況將石墨膜裁剪成所需要的形狀，然后將裁剪好的石墨膜兩端分別與電極固定后置于沸水中通電或者通電升溫后直接在石墨膜上噴射液滴，進(jìn)行沸騰傳熱，得到表面均勻多孔的石墨膜。
[0009]所述的裁剪成所需要的形狀是指:長寬比大于等于5的矩形石墨薄膜，厚度為
0.05mmo
[0010]所述的沸騰傳熱采用以下任一一種方式實(shí)現(xiàn):
[0011]第一種方式:以0.1MW/m2的步長每隔3分鐘增加一次功率，至熱流密度達(dá)到lMW/m2后石墨膜表面逐漸出現(xiàn)多孔形貌;然后在石墨膜表面開始出現(xiàn)多孔形貌后以0.05MW/m2的步長每隔10分鐘增加一次功率，直到石墨膜表面全部形成均勻多孔形態(tài)。
[0012]第二種方式:將與電極連接好的石墨膜通電加功率，用熱電偶測量石墨膜表面的溫度，待溫度升高到180 0C后，在石墨膜上噴射少量液滴，使液滴在石墨膜上沸騰并蒸干，蒸干后噴射液滴位置的石墨膜將會(huì)膨脹破裂而產(chǎn)生多孔形貌，通過控制噴射液滴的位置，就能控制強(qiáng)化換熱和臨界熱流密度的位置已適應(yīng)不同的用途。
[0013]本發(fā)明涉及使用上述方法制備得到的均勻多孔的石墨膜，其表面分布有均勻微孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙度為1wn < Ra < ΙΟΟμπι，對(duì)于孔隙分布均勾的石墨膜，其臨界熱流密度值大于等于2.5Mff/m2。
技術(shù)效果
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過簡單的沸騰傳熱方法制得了臨界熱流密度經(jīng)強(qiáng)化的石墨膜，強(qiáng)化前臨界熱流密度值不到1.25MW/m2，強(qiáng)化后有了大幅提升;該方法無需其他復(fù)雜的物理和化學(xué)表面處理手段，降低了成本，擴(kuò)大了石墨膜作為換熱元件的應(yīng)用范圍，除了在散熱器以及電子產(chǎn)品上應(yīng)用外，還可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)換熱領(lǐng)域，如大型高熱流密度沸騰換熱設(shè)備以及核能領(lǐng)域的高能量換熱設(shè)備。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明中實(shí)施方式一強(qiáng)化石墨膜表面臨界熱流密度的裝置圖；
[0016]圖2為本發(fā)明中實(shí)施方式二強(qiáng)化石墨膜表面臨界熱流密度的裝置圖；
[0017]圖3為本發(fā)明中石墨膜在不同熱流密度下表面形貌的變化對(duì)比圖；
[0018]圖中:(a)熱流密度為OMW/m2,(b)熱流密度為1.7麗/m2,(c)熱流密度為1.MWzV，(d)熱流密度為2.2MW/WS石墨膜換熱元件1、導(dǎo)電銀膠2、紫銅箔電極3、沸騰池4、紫銅導(dǎo)線
5、去離子水6、直流加熱電源7、液滴8、熱電偶9。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1
[0020]本實(shí)施例涉及一種臨界熱流密度在2.5Mff/m2以上的石墨加熱膜的制備方法，采用前面所述的方式一進(jìn)行操作。首先將石墨膜裁剪成所需要的形狀，然后在150°C下通過導(dǎo)電銀膠2將石墨膜換熱元件I的兩端分別與電極固定后置于沸水中通電，進(jìn)行沸騰傳熱，得到表面均勻多孔的石墨膜。
[0021]所述的石墨膜長寬比優(yōu)選為5:1。
[0022]如圖2所示，所述的沸騰傳熱包括以下兩個(gè)階段，以25_X 5_石墨膜換熱元件I為例:
[0023]第一階段，以12.5W左右的功率步長每隔3分鐘增加一次功率，至熱流密度達(dá)到125W后石墨膜換熱元件I的表面逐漸出現(xiàn)多孔形貌；
[0024]第二階段，在石墨膜換熱元件I的表面形成多孔形貌后以6.2W的步長每隔10分鐘增加一次功率，直到石墨膜換熱元件I的表面全部形成均勻多孔形態(tài)。
[0025]所述的石墨膜換熱元件I其石墨含量大于等于99%，橫向?qū)嵯禂?shù)為1200W/m.K，厚度為0.01-0.3mm;—方面，其電阻率適中，適合作為換熱元件；另一方面，其柔軟度適中，可以較好地與其他換熱元件復(fù)合。
[0026]所述的電極優(yōu)選為紫銅箔電極3，較小的電阻率可以提高強(qiáng)化效果。
[0027]所述的導(dǎo)電銀膠2其表面導(dǎo)電率大于0.5Q/cm，導(dǎo)熱系數(shù)大于等于20W/m.K。
[0028]所述的沸水優(yōu)選為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下溫度為100°C的去離子水6;也可采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下其它沸點(diǎn)高于100°C的沸騰工質(zhì)。
[0029]如圖1所示，為實(shí)施上述方法采用的裝置，包括:石墨膜1、導(dǎo)電銀膠2、紫銅箔電極3、沸騰池4、紫銅導(dǎo)線5、去離子水6和直流加熱電源7，其中:石墨膜換熱元件I的兩端通過導(dǎo)電銀膠2分別安裝有紫銅箔電極3，兩個(gè)紫銅箔電極3通過紫銅導(dǎo)線5分別連接直流加熱電源7的正極和負(fù)極，石墨膜換熱元件I及兩端紫銅箔電極3浸入沸騰池4的去離子水6中。
[0030]本實(shí)施例采用上述方法制備得到的石墨膜，其表面臨界熱流密度值可大于等于2.5Mff/m2o
實(shí)施例2
[0031]本實(shí)施例涉及一種臨界熱流密度強(qiáng)化區(qū)域可控的石墨加熱膜的制備方法，采用前面所述的方式二進(jìn)行操作。首先將石墨膜裁剪成所需要的形狀，然后在150°C下通過導(dǎo)電銀膠2將石墨膜換熱元件I的兩端分別與電極固定通電加熱，并在石墨膜上噴射液滴進(jìn)行沸騰傳熱，得到多孔表面的石墨膜。
[0032]所述的石墨膜長寬比優(yōu)選為10:1。
[0033]如圖2所示，將加熱裝置連接完成，以的50mmX 5mm石墨膜I為例:
[0034]對(duì)石墨膜進(jìn)行通電加熱，用熱電偶9測量石墨膜表面的溫度，待溫度升高到180°C后，在石墨膜上噴射少量液滴8，使液滴在石墨膜上沸騰并蒸干，蒸干后噴射液滴位置的石墨膜將會(huì)膨脹破裂而產(chǎn)生多孔形貌，通過控制噴射液滴的位置，就能控制強(qiáng)化換熱和臨界熱流密度的位置已適應(yīng)不同的用途。
[0035]所述的石墨膜換熱元件I其石墨含量大于等于99%，橫向?qū)嵯禂?shù)為1200W/m.K，厚度為0.01-0.3mm;—方面，其電阻率適中，適合作為換熱元件；另一方面，其柔軟度適中，可以較好地與其他換熱元件復(fù)合。
[0036]所述的電極優(yōu)選為紫銅箔電極3，較小的電阻率可以提高強(qiáng)化效果。
[0037]所述的導(dǎo)電銀膠2其表面導(dǎo)電率大于0.5Q/cm，導(dǎo)熱系數(shù)大于等于20W/m.K。
[0038]所述的噴射液滴的水源優(yōu)選去離子水，以確保制作表面的潔凈度。
[0039]如圖3所示，為實(shí)施上述方法采用的裝置，包括:石墨膜1、導(dǎo)電銀膠2、紫銅箔電極
3、沸騰池4、紫銅導(dǎo)線5、液滴8和熱電偶9，其中:石墨膜換熱元件I的兩端通過導(dǎo)電銀膠2分別安裝有紫銅箔電極3，兩個(gè)紫銅箔電極3通過紫銅導(dǎo)線5分別連接直流加熱電源4的正極和負(fù)極，通過熱電偶9測量石墨膜表面溫度并噴射液滴8進(jìn)行沸騰。
本實(shí)施例采用上述方法制備得到的石墨膜，其表面臨界熱流密度強(qiáng)化效果可控，可滿足不同用用需求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜的制備方法，其特征在于，根據(jù)實(shí)際功率情況將石墨膜裁剪成所需要的形狀，然后將裁剪好的石墨膜兩端分別與電極固定后置于沸水中通電或者通電升溫后直接在石墨膜上噴射液滴，進(jìn)行沸騰傳熱，得到表面均勻多孔的石墨膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜的制備方法，其特征是，所述的沸騰傳熱采用以下任一一種方式實(shí)現(xiàn): 第一種方式:以0.mw/m2的步長每隔3分鐘增加一次功率，至熱流密度達(dá)到mw/m2后石墨膜表面逐漸出現(xiàn)多孔形貌;然后在石墨膜表面開始出現(xiàn)多孔形貌后以0.05MW/m2的步長每隔10分鐘增加一次功率，直到石墨膜表面全部形成均勻多孔形態(tài)； 第二種方式:將與電極連接好的石墨膜通電加功率，用熱電偶測量石墨膜表面的溫度，待溫度升高到180 0C后，在石墨膜上噴射少量液滴，使液滴在石墨膜上沸騰并蒸干。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜的制備方法，其特征是，裁剪成所需要的形狀是指:長寬比大于等于5的矩形石墨薄膜，厚度為0.05_。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜的制備方法，其特征是，所述的沸騰傳熱的第一種方式，通過以下裝置實(shí)現(xiàn)，該裝置包括:石墨膜、導(dǎo)電銀膠、紫銅箔電極、沸騰池、紫銅導(dǎo)線、去離子水和直流加熱電源，其中:石墨膜換熱元件的兩端通過導(dǎo)電銀膠分別安裝有紫銅箔電極，兩個(gè)紫銅箔電極通過紫銅導(dǎo)線分別連接直流加熱電源的正極和負(fù)極，石墨膜換熱元件及兩端紫銅箔電極浸入沸騰池的去離子水中。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的強(qiáng)化臨界熱流密度的石墨膜的制備方法，其特征是，所述的沸騰傳熱的第二種方式，通過以下裝置實(shí)現(xiàn)，包括:石墨膜、導(dǎo)電銀膠、紫銅箔電極、沸騰池、紫銅導(dǎo)線、液滴和熱電偶，其中:石墨膜換熱元件的兩端通過導(dǎo)電銀膠分別安裝有紫銅箔電極，兩個(gè)紫銅箔電極通過紫銅導(dǎo)線分別連接直流加熱電源的正極和負(fù)極，通過熱電偶測量石墨膜表面溫度并噴射液滴進(jìn)行沸騰。6.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到的均勻多孔的石墨膜，其特征在于，所述石墨膜其表面分布有均勻微孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙度為ΙΟμ?? <Ra< ΙΟΟμπι，臨界熱流密度值大于等于 2.5Mff/m2。
【文檔編號(hào)】C09K5/14GK105860938SQ201610182134
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月28日
【發(fā)明人】龔圣捷, 梅勇, 張波濤, 陳師偉, 楊敏, 王馳, 李呼昂, 馬衛(wèi)民
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)