[发明专利]具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于加热器的具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜及其制备方法，特别涉及一种基于金属或金属合金表面的具有特殊浸润性的膜及其制备方法。

背景技术

目前热转换技术正处在一个关键的发展时期，对具有超高热流量冷却设备的需求不断增长。随着激光、超导磁铁、高能量的X-射线和超速计算机芯片处理技术的广泛应用，以及对基于该技术的设备不断小型化的需求，要求这些设备不仅具有高的精度，而且占用最小的空间，因此核心器件的设计和热处理都面临新的挑战。普遍应用的基于空气的冷却体系虽然有效，但是不断增长的热通量最终会使冷却体系失效。因而，在大多数具有很高热流量的应用领域，液体冷却更为有效。通常使用的冷却液是水/冷冻水，该冷却液常用的致冷剂为氨，氟利昂等，或者是类似的用于特定场合的致冷剂，如液氮。水作为传统且安全的冷却液，主要不足在于其相对较弱的热转换性质。常用致冷剂如氨或氟利昂不仅对环境具有很大的危害，而且需要复杂的生产工艺以及昂贵的生产设备。100年前，人们就知道泥浆可以用来提高热传导率，但是由于泥浆的沉降以及它所引起的腐蚀、污垢和压降的增加，一直没有被用于热转换。随着材料加工技术的不断进步，将亲水纳米粒子引入常规流体即所谓的纳米流体作为冷却剂受到越来越多的关注。纳米流体作为冷却剂不仅可以克服泥浆引入所带来的大多问题，还可以显著的提高热转换效率和临界热流量(J.A.Eastman，S.U.S.Choi，S.Li，W.Yu，L.J.Thompson.Appl.Phys.Lett.2001，78，718～720.)。研究发现，纳米流体在加热过程中由于纳米粒子的沉积，可以使热转换装置即加热金属表面产生多孔的纳米粒子层。这种多孔结构使得加热金属的表面亲水性进一步提高，降低了加热金属表面的活性空穴，减少了气泡在加热金属表面的成核即气泡在金属表面的富集，从而提高了临界热通量。然而纳米粒子的引入增加了热转换装置的成本。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种能提高热转换装置(如加热器)的热传导效率和抗垢性能的具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜。

本发明的另一目的是提供一种基于金属或金属合金表面具有特殊浸润性和结构的具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜。

本发明的还一目的是提供一种具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜的制备方法。

本发明是用电化学方法、水热反应的方法、化学气相沉积法、溶胶凝胶法、激光刻蚀法和化学气相沉积相结合的方法或激光刻蚀和溶胶凝胶相结合的方法在用于热转换的金属或金属合金表面成膜，通过对其抗垢性、在水中沸腾过程和热转换效率的评价，证实已获得的含有本发明膜的金属或金属合金加热器较单纯的没有本发明膜的金属或金属合金加热器在各项性能上都有显著提高。

本发明的具有高热传导效率和抗垢能力的非金属膜，是基于金属或金属合金基底表面由亲水金属氧化物或表面生长有亲水官能团的(如羟基或羧基等)非金属构成，该亲水金属氧化物膜或表面生长有亲水官能团的非金属膜是由粒径为100～300nm的亲水金属氧化物的球形或仙人球形粒子，或者由直径为100～300nm的亲水金属氧化物棒形或方块形粒子堆积形成粗糙结构；或

由直径为100～300nm的表面生长有亲水官能团的非金属棒形、管状形或方块形粒子堆积形成粗糙结构。

本发明膜的厚度为50～500nm，膜与水的接触角小于20°(如果亲水金属氧化物的表面为平滑表面，水与亲水金属氧化物的表面接触角在30～60°)。该膜的热转换率较传统的热转换器的热转换率提高20～200％，且在该膜厚度范围内热转换效率随膜厚度的增加而增加，抗垢性能明显提高。

所述的基底金属是Ag、Cu、Fe或Al等。

所述的基底金属合金是不锈钢、镍铬合金或铁铬合金等。

所述的金属氧化物是Al₂O₃、TiO₂、ZnO₂、SnO₂、GeO₂或ZrO₂等。

所述的非金属是石墨、金刚石或碳纳米管。

本发明的基于金属或金属合金表面的具有特殊浸润性且具有高热转换效率和抗垢能力的非金属膜的制备方法包括：