第57卷第12期 2020年12月
撳纳电子技术
Micronanoelectronic Technology
Vol.57 No. 12
艾灸的功效与作用
December 2020
微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展
曹泷1，杨辉S吴学红\周振华2
(1.郑州轻工业大学能源与动力工程学院，郑州 450002;
2.郑州地铁集团有限公司，郑州 450016)
摘要：综述了微纳结构沸腾表面的构建方法及强化性能最新研究进展，根据表面结构形式，将其 分为纳米结构表面、微米结构表面、多孔表面和微/纳复合表面。纳米结构表面主要采用化学方法构建，可有效增强表面气泡成核及脱离频率。微米结构表面多采用刻蚀法和沉积法进行构建，增加了表面有效传热面积。多孔表面一般采用烧结成型，增加了表面有效传热面积以及核化点密 度。微/纳复合表面在沸腾过程不同尺度下强化了传热性能，可实现稳定核态沸腾，是今后沸腾 表面研究的发展方向。工作经验简历
关键词：沸腾表面；微纳结构；烧结；蚀刻；自组装；强化传热
中图分类号：T K124 文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2020) 12-(>982-10
Rearch Progress of the Construction and Heat Transfer
Characteristics of Boiling Surfaces with Micro-Nano Structures
Cao Shuang1 ,Yang Hui1 ,Wu Xuehong1 ,Zhou Zhenhua2
(1. School o f E nergy and Puzver E ngineering, Zhengzhou U niversity o f L ig h t Industry Zhengzhou
450002, C hina；2. Zhengzhou M etro Group Co., Ltd., Zhengzhou450016, China)
Abstract：The latest rearch progress of the construction method and heat transfer enhancement characteristics of the boiling surfaces with micro-nano structures are reviewed.
According to the forms of the surface structure,the boiling surfaces are classified into nanostructure surfaces,micro-structure surfaces,porous surfaces and micro-nano composite surfaces.
The nano-structure surfaces are mainly constructed by chemical m ethods,which can effectively increa the surface bubbles nucleation and paration frequencies.Etching and deposition methods are often ud to construct the micro-structure surfaces,which can increa the surface effective heat transfer area.The porous surfaces are usually sintered to increa the surface effective heat transfer area and nucleating point density.The micro-nano composite surfaces can enhance the heat transfer performance at different scales in the boiling process and realize stable nucleate boiling,which is a development trend of the boiling surface rearch in the future.
Key words：boiling surface；micro-nano structure；sintering；etching；lf-asmbly；heat transfer enhancement
收稿日期：2020-05-26
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51(川6231)；河南省髙等学校重点科研项目（2()A47()(n2)；郑州轻工业大学众创空间孵化项目(2019ZCK J106)
E-mail ：caos@zzuli.edu
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曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展DOI：10. 13250/jki.wndz.2020. 12. 005 PACC：4430
()引百
沸腾传热作为一种伴随着气液相变的高效能量 传递方式，具有传热温差小和热流密度大等特点，由于微电子器件小型化及集成度高的发展特点，其 对高效散热方式也提出了较高的要求，相应地沸腾 传热的应用将具有巨大的优势。表面结构对于沸腾 传热性能有很大的影响，根据经典沸腾理论，好的 沸腾表面需要有如下特征：较大的比表面积、稳定 的气化核心及与功能匹配的浸润性等，其中较大的 比表面积可以增大有效传热面积；稳定的气化核心 可以促进核化沸腾，核化点尺寸、密度、布局及形 状对沸腾传热性能具有重要的影响；而浸润性对于 沸腾传热具有多重作用，一方面亲水表面有利于气 泡的脱离和壁面的再浸润，另一方面疏水表面则由 于形成了气泡膜层，阻止了液体的流动，从而降低
了临界热流密度^。在沸腾表面上构建一定形式的 微纳结构可有效增加有效传热面积、提供稳定的气 化核心以及增强表面浸润性，是一种有效强化沸腾 传热的技术手段。由于沸腾传热是一个多尺度的过 程，不同尺度的沸腾表面，其强化传热机理也不同，微米表面主要是通过增加有效传热面积来强化 沸腾传热；而纳米表面则主要是由于毛细力的存在 延缓了表面气膜形成，降低了壁面过热度，同时增 强气泡成核及脱离频率[2]。但在目前国内外众多学 者关于沸腾传热的研究中，沸腾表面的构建形式及 处理方式多种多样，有必要对沸腾表面的构建方法 及其传热性能进行探究。
1纳米结构表面
在沸腾表面构建一层纳米结构可有效增加核化 点密度、增强表面浸润性以及毛细力，提高了沸腾 初期气泡的成核以及脱离频率，是目前研究的热点 课题。根据实现形式，纳米结构表面可分为纳米线、纳米管、纳米材料自组装及纳米结构涂覆等几种。1.1纳米线
构建纳米线表面常用的方法是电化学模板辅助法，该方法是将具有纳米结构的物质（例 如多孔阳极氧化铝PA A)作为模板，通过电化学的方法将相关材料沉积到基体表面上，然后 移去模板得到规范形貌和尺寸的纳米结构表面。2(112 年，A.K.M.M.Morshed 等人[3]以电化学模板辅助法在微通道底部表面构建了铜纳米线，并 进行了水平方向去离子水流动沸腾实验。与裸表面 相比，铜纳米线表面的过热度降低了 4〜12 °C，换 热系数增加了 56%，压降增加了 20%，但在长达144 h的实验中发现纳米线
明显脱落。2018年，G.U.Kum ar等人w通过电化学模板辅助法在铜表面 构建了铜纳米线和银纳米线（如图1(a)和（b)所 示），氧化铝模板扫描电子显微镜（SEM)图如图1 (c)所示。实验表明：与裸铜表面相比，铜纳米线表面和银纳米线表面的沸腾起始过热度最大分別可降低52. 63%和49. 12%，临界热流密度（CHF)分 别可提高37. 13%和34. 73%，沸腾换热系数(HTC)分别提高了 156. 52%和 145.57%。
U)铜纳米线（b)银纳米线
(C)氧化铝模板
图1铜表面纳米线S E M图W
Fig. 1SEM images of Cu surface nanowires^4^赶紧网
金属辅助刻蚀法也是构建纳米线表面的一种有 效方法，一般是对硅基进行蚀刻处理，以形成硅纳 米线。首先将硅基浸人硝酸银和氢氟酸溶液中进行 刻蚀，在硅表面银离子还原成银纳米粒子后被氢氟 酸腐蚀，纳米粒子定义了刻蚀空间区域，经过连续 的氧化和刻蚀，未刻蚀区域形成了硅纳米线。2(117 年，D.II S him等人⑴在硅表面上构建了定向硅纳米线以及随机硅纳米线两种微结构（图2)。水池
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微纳电子技术
沸腾实验结果表明，定向硅纳米线表面的C H F最 大为245.6 W/cm2，相比裸硅表面提高了178%，比金属辅助化学刻蚀法构建的随机硅纳米线表面提 高了 26%。且C H F随着纳米线高度的增加而增加，与随机硅纳米线表面的变化趋势相反。2018 年，D.L ee等人[6]先将硅表面分别用体积比为3: 1的H2S
04和H202混合液清洗4() m in、甲醇清洗 5 m in和丙酮清洗5 m in后放人刻蚀液（5 m ol/L 的H F和（).02 mol/L的AgN()3)中，在室温条件 下刻蚀硅纳米线。池沸腾实验表明，在饱和温度下，纳米线表面的C H F比普通表面提高了 115%, 同时该表面可以提高剧烈沸腾条件下的热稳定性。
(a)定向硅纳米线（b)随机硅纳米线
图2硅纳米线表面S E M图W
Fig. 2 SEM images of the silicon nanow ire surface^5^
掠角沉积（GLAD)法也常被用于构建纳米线表面。GLAD法实际上是一种物理气相沉积过程，可以利用各种材料通过控制入射角度和基底旋转速 度获得各种形状的纳米结构[7]。2008年，C.L i等 人^通过GLAD法在抛光铜基上构建了倾斜铜纳米结构，并进行了池沸腾实验.发现纳米表面的沸腾起始过热度变小，C H F有所提高，但是稳定性较差。2010年，M.§e5e n等人w通过GLAD法在硅基 表面沉积一层铜薄膜作为对照实验样品，随后在该 表面上沉积了一层铜纳米线结构（图3)，池沸腾实 验表明铜纳米线表面的H T C最大可提高400%。
U)顶部形貌（b)侧面形貌
图3 铜纳米线的S E M图™
Fig. 3 SEM im ages of Cu nanow iresL';1.2纳米管
纳米管是另一种纳米表面的表现形式，其具有 典型中空结构的特征。阳极氧化法可以在表面构建 纳米管，其工艺主要将预氧化表面作为阳极，在特 定电解液中利用电化学阳极氧化在其表面形成氧化 物。该方法构建沸腾表面较为简单，结构可控（纳 米管直径和长度），但是影响参数众多。
2(112年，邓鹏等人[U I]采用阳极氧化法在T i金 属表面构建了 Ti〇2纳米管（如图4 (a)所示），并以水为工质进行了池沸腾实验研究。结果表明，该表面可以降低沸腾起始点，且H T C最大可增加 136%。同年，J.X u等人["]构建了多种尺度Ti()2纳米管阵列沸腾表面（如图4 (b)所示）。结果表 明：与T i裸表面相比，其初始沸腾过热度最大减少了 11K,CHF增加了近 58 W/cm2，HTC是裸 表面的1.86倍。但是稳定较差，经长时间实验后表面会发生严重变形，沸腾性能降低。
(a) T i02纳米管表面™ (b) TiCMft米管阵列表面間
图4纳米管表面S E M图
Fig. 4 SEM images of the nanotube surface^10'
另一种常用的方法是采用化学气相沉积法在基 体表面构建纳米管，主要集中于碳纳米管（C N T)的构建，但是单纯C N T与基体之间的附着力较差n2]，通常通过增加中间层来提高基体与C N T之 间的附
着力。2016年，M.Dharm endra等人Ll3]对 比了裸表面、喷砂铜表面以及喷砂铜基体C N T表 面的沸腾传热性能。实验结果表明，C N T表面和 喷砂表面的C H F比裸铜表面提高了 38%和8. 5%，H T C分别提高了 8(1%和13%。此外，采用化学气 相沉积法构建的硅基多壁碳纳米管（MWCNT)表 面在低速和高速流动沸腾实验中对热流密度也有增 强作用[14〜。
1.3纳米材料自组装
近年来，纳米流体作为一种新型的传热流体引
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曹泷等：微纳结构沸腾表面构建及传热性能的研究进展
起了广泛的关注〜〜3，当纳米颗粒浓度较低((>.001%〜0.01%)时，C H F会显著增加，一些 实验研究和观察结果发现在沸腾过程中纳米颗粒会 沉积在加热表面上，从而引起传热性能的改善[^9]。因此，一些学者对纳米流体自沉积表面的沸腾效果进行了探究。
2017 年，M. 1.Pryazhnikov 等人[2°]以蒸馏水和硅纳米颗粒为基础，经机械搅拌、超声处理30 min后
制备了纳米流体，不添加表面活性剂，体 积分数为2%。将Si()2 -水纳米流体预热至沸点，在热流密度为1MW/m2下沸腾25 m in，纳米SiC)2自沉积在金属丝表面上，然后进行了水池沸腾实验，发现Si02沉积表面的C H F可达到裸线表 面的2. 7倍。此外，纳米片沸腾自组装也可用来构 建纳米表面。2(119年，毛兰等人利用氧化石墨烯（GO)纳米片沸腾自组装法构建了G O纳米表 面，发现该表面显著降低了换热壁面的过热度，其
C H F和H T C相比于光滑铜表面分别提高了
66. 4%和 86. 9%。
1.4纳米结构涂覆
纳米结构涂覆是指将已经制备好的一些纳米结 构，如纳米线和纳米管等通过另外的方法将其涂覆 到基体表面上，以提高沸腾性能。2016年，H.S e o等人％构建了石墨烯/单壁碳纳米管(SW CNT)混合涂覆表面，如图5 (a)所示。
F C-72池沸腾实验表明：相比光表面，石墨烯/ SW CN T混合涂覆表面的H T C和C H F分别提高了 55%和 18%。2017 年，G.H.Seo 等人[23]通过 浸人式逐层沉积法在不锈钢表面涂覆了聚乙烯亚胺 (PEI)和M W CNT，表面结构如图5 (b)所示，C H F最大增强了 94%。
夹克的英语
(a)石墨烯/SW CNT (b)聚乙烯亚胺和多壁
混合涂覆表面1331碳纳米管表面M
图5纳米结构涂覆表面S E M图
Fig. 5 SEM images of the coating surfaces of nanostructures^22 ~ 23^
超音速喷涂法也可用来构建纳米结构涂覆表面。超音速喷涂时的高速冲击会引起银纳米线自烧结现象，增强纳米线与基底的粘结强度[24]。2018 年，H.S.J o等人[〜通过超音速喷涂法在铜表面涂覆银纳米线，并进行了水池沸腾实验，超音速喷涂 过程如图6 (a)所示。银纳米线前驱体通过注射泵以1.2 mL/m in的流速注人到喷嘴中，在4 bar (1 b a r= 105Pa)和220 °C条件下加速到超音速从喷嘴喷出，经超声雾化器雾化，异丙醇（IPA)溶 剂在飞行中完全蒸发，只有A g纳米线沉积到铜表面上，最终得到表面结构如图6 (b)所示。结果 表明，涂覆表面的过冷沸腾起始点（ONB)出现 较早，传热系数显著提高，且C H F最高可达到().65 MW/m2。
(a)超音速喷涂（b)银纳米线涂覆
过程示意图表面形貌
图6超音速喷涂过程示意图及银纳米线涂覆
表面形貌[25]
Fig. 6 Schem atic diagram of the supersonic spraying process and surface m orphology of silver nanow ire coating[25]
掏心图片
2微米结构表面
微米结构表面是一种比较经典的强化沸腾表面 结构，一般采用物理成型的方法在沸腾面上构建相对均匀稳定的亚微米以及微米尺度（1(K)n m〜 1(>pm)的表面结构形式，常用的构建方法可分为刻蚀法、沉积法以及复合法等。
2. 1刻蚀法
反应离子刻蚀可以在基底上构建出具有几何形 状的图案，有助于提高表面沸腾性能。2016年，Y.Y.Z h u等人[〜通过深度反应离子刻蚀法在硅微通道底部表面构建了微柱阵列结构（图7)，发现 微柱表面提高了流动稳定性，C H F最大提高了57%，且压降增加可忽略不计。
纳米织构涂层构建过程
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徽鈉电子技术
Cu2+
h 2o
,
Cu2+,SO42-电解液
W
M M 图7
微通道的S E M 图及放大后的微柱和 底部角落的侧壁[26]
Fig. 7 SEM images of the m icrochannel, the enlarged microco- lumn and the side wall in the bottom corner [26」
激光刻蚀比反应离子刻蚀要节省成本，并且可 以构建复杂的表面几何图案。2U 17年，
M . Zupan 6i 纟等人[27]通过纳秒激光刻蚀的方法构建
了均勻和非均匀两种形貌的微结构不锈钢表面。池 沸腾实验表明：与未处理表面相比，均匀微结构表 面H T C 可提高40%，而非均匀微结构表面HTC 可提高110%。2020年，D . M ani 等人[28]通过皮秒 激光刻蚀法构建了微结构铜表面，并进行了池沸腾 实验。与裸铜表面相比，微结构铜表面沸腾起始的 过热度最大降低了 52.2%，且随着结构深度的增 加，C H F 和H T C 增大。
2. 2
沉积法
沉积法可以通过控制电流密度、电解液浓度和 沉积时间等参数，构建出优良的微米结构表面。图 8 (a )[&所示为电沉积装置示意图。在直流电源作 用下，沸腾表面作为阴极垂直浸人电解液中，电解 液一般采用硫酸铜和硫酸的混合液，铜离子在阴极 上还原为铜，从而沉积到沸腾表面上。2U 14年，
C . M . P a til 等人％通过两步电沉积法构建了微结
构铜表面，其表面结构形貌如图8 (b )[2‘)]所示。在
计算机 ^直流电源
电解槽
(a )电沉积装置示意图 （h )电沉积法制备的微结构
铜表面形貌
图8
电沉积装置示意图和电沉积法制备的微结构铜表面形貌CM
Fig. 8宫崎骏图片
Schem atic diagram of the electrodeposition device and the surface m orphology of the m icrostructure copper prepared by the electrodeposition m ethod[2<,]
实验工况下，与普通表面相比，微结构表面的
C H F 提高了 50%〜90%, H T C 最高提高了
275%。2018年，S . K . G u p ta 等人[31|]通过单步电
沉积法构建了多孔涂层铜表面。沸腾实验发现：与 裸表面相比，多孔涂层铜表面的C H F 和H T C 分 别增大了 72. 5%与273%。
2.3复合法
复合法是采用刻蚀法和沉积法两种或多种复合 方法来构建微结构表面，在一定程度上能够实现功 能互补。2014年，C . M . P a til 等人M 在铜表面上 首先加工了开孔微通道结构，并通过两步电沉积法 在微结构的顶部沉积了微孔涂层。在所有实验工况 下，与普通铜表面相比，采用复合法构建的微结构 铜表面C H F 最大提高了 175%。
3多孔表面
多孔表面具有较高的比表面积、较强的渗透性
及表面润湿性，其内部的孔隙结构不仅能扩展传热 面积，同时也为沸腾提供大量的核化穴，是一种常 见的强化沸腾传热表面。同时其表面构建过程相比 纳米结构表面和微米结构表面更为简单，是相变传 热领域常采用的一种技术手段。根据表面成型过 程，多孔表面制备方法可分为粉末烧结、调制烧结 以及火焰喷涂成型等。
3. 1
粉末烧结
粉末烧结法一般是将筛选过的铜粉烧结到铜基 上。首先去除基体表面的锈和油污，然后涂上一层 粘结剂溶液，将金属粉末均匀地粘在基体表面上， 当粘结剂溶液风干后放人烧结炉内，在惰性气体保 护下加热至金属粉末表面有融化趋势，然后恒温冷 却一定时间使粘结剂分解挥发，金属粉末联结成一 体并烧结在基体上，或者是将松散的铜粉倒人石墨 模具中，然后将铜基放在粉末之上进行烧结。这两
种不同的烧结形式并未改变铜粉烧结形状，有别于 下文将要提到的调制烧结。
烧结工艺参数会对表面沸腾传热效果产生显著 的影响。2013年，赵紫薇等人[32]以粉末烧结方法 构建了多尺度多孔结构铜表面，实验表明：该表面 沸腾起始点的过热度仅为光滑表面的1/3，且能够 有效缩短气泡的生成发展周期，提高气泡脱离频
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