本發(fā)明特別涉及一種鋁材表面的納米多孔結(jié)構(gòu)及其制備工藝，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著電子信息、新型能源等工業(yè)和前沿科學(xué)技術(shù)（如超級(jí)電子計(jì)算機(jī)、核電、大型化學(xué)反應(yīng)器、激光器、雷達(dá)）的飛速發(fā)展，器件的集成度和產(chǎn)熱量急劇增加，因此能夠在有限狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱能高效傳遞以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的泡核沸騰傳熱技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注。泡核沸騰傳熱是一種高效傳熱方式，該技術(shù)是基于過(guò)熱界面處液相向氣相轉(zhuǎn)變過(guò)程中吸收大量的潛熱而實(shí)現(xiàn)熱量的高效傳遞。研究表明利用特殊浸潤(rùn)性的納米結(jié)構(gòu)可以極大地增強(qiáng)材料表面的沸騰傳熱性能，例如申請(qǐng)公布號(hào)為CN102618905A的專利通過(guò)在金屬鈦表面構(gòu)建垂直導(dǎo)向三維立體納米管陣列結(jié)構(gòu)，提供了優(yōu)異的浸潤(rùn)性和納米級(jí)別的汽化核心，實(shí)現(xiàn)了鈦表面的提高傳熱效果（50%以上）和降低換熱溫差（可達(dá)10-15%）的效果；申請(qǐng)公布號(hào)為CN102994793A的專利中在金屬基體表面構(gòu)建了雙連續(xù)的納米多孔結(jié)構(gòu)，該表面具有良好的浸潤(rùn)性，納米孔隙形成的通道有利于氣體的逃逸，增加汽化核心的數(shù)目，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)化沸騰效果，在一定的熱流密度下可降低過(guò)熱度達(dá)63.3%。鋁及其合金由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、價(jià)格適中、可延展易加工等優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于熱管、散熱翅片、電子元件的散熱器件等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中均涉及了鋁材表面的沸騰傳熱過(guò)程，因此，通過(guò)簡(jiǎn)便的方法得到具有強(qiáng)化泡核沸騰性能的納米多孔結(jié)構(gòu)鋁表面，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。然而，由于加工技術(shù)的限制，目前通常采用壓焊（申請(qǐng)?zhí)?3112898.6）、漆刷涂層（公開號(hào)CN101505892A，公開號(hào)CN1730204A）、粉粒燒結(jié)（公開號(hào)CN101315927A）、火焰噴射（申請(qǐng)?zhí)?0109615.6）等方法在鋁材表面構(gòu)建宏觀和微米級(jí)的多孔、溝槽等結(jié)構(gòu)，用以提高鋁材表面的沸騰傳熱性能，然而在鋁材表面構(gòu)建納米多孔結(jié)構(gòu)用于強(qiáng)化鋁材表面的沸騰傳熱性能的研究還未見報(bào)道。可以預(yù)計(jì)，在鋁材表面構(gòu)建納米多孔表面能夠提供優(yōu)異的親水性能，同時(shí)為泡核沸騰提供更多更密集的成核位點(diǎn)以及更快的氣泡脫離速度，最終實(shí)現(xiàn)鋁材表面的高效泡核沸騰傳熱性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
強(qiáng)化泡核沸騰傳熱性能的關(guān)鍵是：如何控制表面的結(jié)構(gòu)和浸潤(rùn)性，一方面，增加有效氣泡成核點(diǎn)使氣泡大量、快速的產(chǎn)生，從而提高熱傳遞效率；另一方面，同時(shí)降低氣泡與表面的黏附性使產(chǎn)生的氣泡迅速脫離，阻止界面干燒，提升界面可承受的最高熱流密度。本發(fā)明的目的之一在于提供一種具有強(qiáng)化泡核沸騰傳熱功能的新型鋁材，其表面具有眾多的有效氣泡成核位點(diǎn)，使氣泡快速生成；并且表面與氣泡無(wú)黏附，使生成的氣泡與表面迅速脫離。本發(fā)明的另一目的在于提供一種制備前述鋁材表面納米結(jié)構(gòu)的制備方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種具有強(qiáng)化泡核沸騰傳熱功能的鋁材，表面分布有復(fù)數(shù)個(gè)納米孔，任一納米孔頂部環(huán)繞分布有復(fù)數(shù)個(gè)納米突起結(jié)構(gòu)，并且，所述納米孔在所述納米突起結(jié)構(gòu)處相互連通。作為較為優(yōu)選的實(shí)施方式之一，所述納米孔的平均深度在50nm以上，納米孔直徑為20-300nm。作為較為優(yōu)選的實(shí)施方式之一，所述納米突起結(jié)構(gòu)的直徑為20-200nm，相鄰納米突起結(jié)構(gòu)的間距為20-300nm。一種具有強(qiáng)化泡核沸騰傳熱功能的鋁材的制備方法，包括如下步驟：（1）取陰極和主要由鋁材構(gòu)成的陽(yáng)極置于體積分?jǐn)?shù)為0.1-40%的常溫酸性電解液中，并在陰極和陽(yáng)極之間施加電壓，進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)，所述的酸性電解液包括：硫酸、草酸、磷酸、丙二酸或檸檬酸與水和/或能夠溶解所述酸的醇形成的混合溶液；（2）在電化學(xué)反應(yīng)的初始階段，氧化體系內(nèi)的電流密度控制在2-40mA/cm2，反應(yīng)時(shí)間控制在大于0s；（3）以0.005-0.5V/s的速率升高氧化電壓，直至氧化體系中的電流強(qiáng)度為0.4-5A，維持該電流強(qiáng)度反應(yīng)大于0s，獲得目標(biāo)產(chǎn)物。進(jìn)一步的，所述酸性電解液包括酸與水和/或能夠溶解所述酸的醇形成的混合溶液，所述酸可選自但不限于硫酸、草酸、磷酸、丙二酸、檸檬酸等。前述陰極材料可以是鉑、石墨、鎳、鋁等，且不限于此。進(jìn)一步地，所述的步驟還包括，將所述的目標(biāo)產(chǎn)物咋400-1000℃下，在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行高溫褪火，使非晶態(tài)的氧化鋁多孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)多孔結(jié)構(gòu)。本申請(qǐng)還公開了上述具有強(qiáng)化泡核沸騰傳熱功能的鋁材在熱管、換熱器翅片、電子元件的冷卻裝置中的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）提供了一種簡(jiǎn)易的低成本大面積制造具有強(qiáng)化泡核沸騰傳熱功能新型鋁材的方法，適合對(duì)任何形狀的鋁材進(jìn)行處理，且無(wú)需任何昂貴的設(shè)備，低耗環(huán)保，重現(xiàn)性好，周期短，能夠根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模的需求而調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。（2）本發(fā)明利用一步非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)陽(yáng)極氧化技術(shù)使氧化鋁孔的形成和腐蝕程度隨時(shí)間、電壓和電流的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)孔道的形成和孔頂部孔壁部分局部過(guò)腐蝕，形成了納米孔頂部帶有納米突出的復(fù)合陣列結(jié)構(gòu)。一方面該納米結(jié)構(gòu)頂部的圓形突起和內(nèi)凹納米孔大大增加了換熱面積；另一方面納米孔極大增加了鋁表面有效氣泡成核點(diǎn)并降低了液體汽化的能壘使氣泡能夠在鋁表面快速穩(wěn)定的形成；進(jìn)一步納米突起使鋁材表面具有優(yōu)異的超親水性，可以使液體十分均勻的分布在整個(gè)傳熱傳質(zhì)界面，保證表面充分潤(rùn)濕，并與氣泡無(wú)黏附力促使氣泡迅速脫離表面，從而有效的防止干壁現(xiàn)象，提高了臨界熱負(fù)荷。（3）本發(fā)明的鋁材表面納米結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于蒸發(fā)器、換熱器、散熱器等多種器件中，可大大提高其沸騰傳熱性能。附圖說(shuō)明圖1分別為本發(fā)明一較佳實(shí)施方案中一種鋁材表面納米結(jié)構(gòu)制備工藝的流程圖；圖2為本發(fā)明一較佳實(shí)施方案中一種鋁材表面納米結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖3為普通鋁材表面和本發(fā)明實(shí)施例1所獲強(qiáng)化泡核沸騰傳熱鋁材表面（a）與普通鋁表面（b）氣泡黏附性能的對(duì)比圖；圖4為普通鋁材表面（上）和本發(fā)明實(shí)施例1所獲強(qiáng)化泡核沸騰傳熱鋁材表面（下）在同等熱流密度情況下氣泡分布的對(duì)比圖。具體實(shí)施方式如前所述，鑒于現(xiàn)有技術(shù)的諸多缺陷，本發(fā)明一方面旨在提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，且能大面積制造的具有強(qiáng)化泡核沸騰功能的鋁或鋁合金表面的方法，其主要是基于非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)氧化而實(shí)現(xiàn)的。概括地講，本發(fā)明的方法是利用一步非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)陽(yáng)極氧化技術(shù)使氧化鋁孔的形成和腐蝕程度隨時(shí)間、電壓和電流的變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使孔頂部孔壁部分局部過(guò)腐蝕，使孔頂端孔壁區(qū)域被完全打斷，在相鄰三個(gè)孔連接處（孔壁較厚的接點(diǎn)處）留下納米突起，形成了納米孔頂部帶有納米突起的復(fù)合陣列結(jié)構(gòu)，即鋁材表面納米結(jié)構(gòu)。作為較為優(yōu)選的實(shí)施方案之一，該方法可以包括：鋁材在常溫（如0-80°C）的電解液中，在低電壓下開始氧化，此時(shí)反應(yīng)體系的電流相對(duì)較?。s為2-40mA/cm2），該步反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短可變（可在0-長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)），緊接著開始改變氧化電壓，即，電壓以0.05V/s左右的速率上升（該速率可變，范圍為0.005~5V/s），在升電壓的過(guò)程中，電流也會(huì)升高，反應(yīng)會(huì)越來(lái)越劇烈，電解液溫度也在上升（此過(guò)程可適當(dāng)采取降溫措施），直到電流強(qiáng)度升至0.4-5A左右，在高電流的情況下，鋁材表面氧化層的生長(zhǎng)速度變快，同時(shí)高溫加速了電解液對(duì)孔壁的腐蝕，最后獲得獨(dú)特的納米孔表面伴隨納米突起陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)，即，前述鋁材表面納米結(jié)構(gòu)，整個(gè)過(guò)程操作簡(jiǎn)單，一步完成，由于最后控制了總電流，因此能夠保證操作過(guò)程的安全性。進(jìn)一步的，在一較佳的具體實(shí)施方案中，前述氧化反應(yīng)過(guò)程中電壓變化范圍可以控制在0V~200V,電壓升壓速率變化范圍可以控制在0.005~5V/s，電流強(qiáng)度變化范圍可以控制在0.4~5A。又及，前述氧化反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)溫度是變化的，其變化范圍為0°C~80°C，可以通過(guò)改變起始反應(yīng)溫度來(lái)控制整個(gè)反應(yīng)過(guò)程所需要的時(shí)間，隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)速率加快，整個(gè)過(guò)程所需的反應(yīng)時(shí)間縮短。此外，優(yōu)選的，反應(yīng)過(guò)程中可通過(guò)磁力攪拌等方式保持電解液溫度的均勻，并使反應(yīng)產(chǎn)生的熱量及時(shí)擴(kuò)散，其中攪拌速率可控制在30轉(zhuǎn)/秒以上。再及，需要說(shuō)明的是，在前述制備方法中，對(duì)于陰極和陽(yáng)極的面積比無(wú)特殊要求，例如，可以是1：1，也可是10：1，或者其它合適的比例值。本案中采用的是一步非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)氧化，其反應(yīng)時(shí)間可控制在半小時(shí)以內(nèi)。參閱圖1所示系前述鋁材表面納米結(jié)構(gòu)制備工藝的流程圖。首先（1）鋁片首先在較低的氧化電壓下形成氧化層并開始形成小孔；（2）隨著電壓的升高，孔快速向下不規(guī)則生長(zhǎng)，同時(shí)電解液對(duì)孔的腐蝕加劇，使孔變大；（3）到達(dá)一定電流密度（溫度）后，電解液對(duì)孔的腐蝕更加劇烈，由于頂部的孔與電解液接觸時(shí)間更長(zhǎng)因此孔壁首先被打斷，在孔頂部形成突起。顯然，隨著氧化時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，突起會(huì)逐漸增高，然后發(fā)生倒伏，最后被電解液完全溶解而消失。參閱圖2系本發(fā)明中一種典型鋁材表面納米結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，可以看到其結(jié)構(gòu)特征為不規(guī)則的納米孔，頂部的球形突起的直徑可以在20-300nm間調(diào)節(jié)，間距可以在20-300nm。納米孔的深度可以任意調(diào)控，納米孔的存在利于氣泡的產(chǎn)生。參閱圖3可見該結(jié)構(gòu)孔頂部的六個(gè)為棒狀和球狀復(fù)合的突起結(jié)構(gòu)，利于氣泡的脫離。參閱圖4可見該強(qiáng)化泡核沸騰傳熱表面氣泡的密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鋁表面。本發(fā)明的鋁材表面納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，納米內(nèi)凹多孔結(jié)構(gòu)及納米突起的存在，大大增加了傳熱面積，同時(shí)增加了沸騰表面汽化核心的數(shù)目，提高沸騰的臨界熱流密度，降低液體沸騰所需的過(guò)熱溫度，起到強(qiáng)化沸騰傳熱的作用。以下結(jié)合附圖及若干較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步地說(shuō)明。實(shí)施例1（1）用清洗或打磨的方法去除鋁箔表面的有機(jī)油脂和無(wú)機(jī)雜質(zhì)或不經(jīng)任何處理直接使用。（2）以鋁箔為陽(yáng)極，鉑電極為陰極，控制兩電極間距離為4cm，以2%體積分?jǐn)?shù)的磷酸水溶液作為電解液在30℃的恒溫水浴中進(jìn)行變電壓氧化（控制適當(dāng)?shù)纳龎核俾适闺妷河?5V上升到110V，如0.05V/s），電流升到1.0A后繼續(xù)氧化100s，即可得到具有沸騰微氣泡自驅(qū)離功能的鋁箔。（3）該結(jié)構(gòu)在800℃下，在馬弗爐中氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行高溫褪火3h，使非晶態(tài)的氧化鋁多孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)多孔結(jié)構(gòu)，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。（4）將氣泡懸浮于水中，利用樣品臺(tái)將具有上述納米結(jié)構(gòu)的樣品向上移動(dòng)，樣品與氣泡接觸后，利用天平測(cè)量其與氣泡的黏附力，樣品與氣泡無(wú)黏附，如圖3所示。（5）將具有上述納米結(jié)構(gòu)的鋁箔集成在容器底部，在其中注入純凈水，然后將水加熱至沸騰后對(duì)底部的納米結(jié)構(gòu)鋁箔進(jìn)行加熱，其表面迅速生成大量密集的小氣泡，并且快速的與鋁箔脫離，如圖4所示。實(shí)施例2（1）用清洗或打磨的方法去除鋁箔表面的有機(jī)油脂和無(wú)機(jī)雜質(zhì)。（2）以鋁箔為陽(yáng)極，鉑電極為陰極，控制兩電極間距離為5cm，以0.3M的草酸水溶液作為電解液在30℃的恒溫水浴中進(jìn)行恒電流氧化30min，電流保持在0.4A左右，氧化500s，即可得到具有沸騰微氣泡自驅(qū)離功能的鋁箔。實(shí)施例3（1）用清洗或打磨的方法去除鋁箔表面的有機(jī)油脂和無(wú)機(jī)雜質(zhì)。（2）以鋁箔為陽(yáng)極，鉑電極為陰極，控制兩電極間距離為4cm，以0.3M的硫酸水溶液作為電解液在30℃的恒溫水浴中進(jìn)行變電壓氧化（控制適當(dāng)?shù)纳龎核俾适闺妷河?5V上升到110V，如0.1V/s），氧化60s，即可得到具有沸騰微氣泡自驅(qū)離功能的鋁箔。需要指出的是，本發(fā)明所揭示的乃較佳實(shí)施例的一種或多種，凡是局部的變更或修飾而源于本發(fā)明的技術(shù)思想而為熟習(xí)該項(xiàng)技術(shù)的人所易于推知的，俱不脫離本發(fā)明的專利權(quán)范圍。