[发明专利]一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法

说明书

本发明涉及一种基于飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法，属于强化换热技术领域。经济的高速发展使得高热流下的稳定散热成为了亟需解决的问题，沸腾换热作为高效稳定的换热方式已经得到了越来越多的研究。对换热表面进行微纳改良已经成为了强化换热的应用技术。但是换热性能的不能同步提升(CHF和HTC)的问题还没有得到解决。本发明提出的飞秒激光拼接加工技术提升表面池沸腾换热性能的方法能够同步提升表面的换热性能。

技术领域

本发明涉及强化换热技术领域，具体说是通过飞秒激光拼接技术制备拼接表面实现表面换热性能提升的方法。

背景技术

随着社会的发展与工业化水平的逐步提升。大到工程用的设备仪器，小到电子器件，都在向高集成化及微尺寸方向发展，这就意味着材料本身单位尺寸所承受的能量负载越来越高，高热流状态下的稳定高效散热成为了亟需解决的问题。传统的散热方式强化对流已经不能满足如此巨大的散热需求。相比较之下，沸腾换热利用了相变过程存在的大量汽化或液化潜热来传递热量，可以产生较高的换热效率，具有极其广泛的应用前景。

对换热表面进行表面改良从而提高表面换热性能已经成为了强化换热的应用技术，越来越多技术手段被应用于改良换热表面，如：火焰喷涂、粉末烧结、热喷涂技术等。研究表明，改良表面的粗糙度、微纳结构、润湿性等都能够相应的干预表面沸腾换热的气泡动力过程从而强化表面的换热性能。

但是目前的表面改良技术还不能使得换热表面的换热性能得到同步大幅提升，例如亲水表面能够大幅度提升CHF(临界热流密度)，但同时表面的亲水性使得表面的换热系数降低。疏水表面能够大幅度的提升HTC(换热系数)，但是表面的疏水性使得表面更容易进入膜态沸腾，这使得疏水表面的CHF较低。在实际应用中，CHF和HTC都是评估表面换热性能的关键特征量，单方面的性能提升很大程度上限制了改良表面的实际应用。我们提出的飞秒激光拼接技术制备拼接表面能够同步大幅提升CHF和HTC,这为改良表面的实际应用提供了新的方法。

发明内容

本发明的目的是为强化沸腾传热提供新方法，进而提出应用飞秒激光拼接加工技术制备拼接表面来强化沸腾传热

本发明中应用飞秒激光拼接技术制备的拼接表面的制备方法便捷，流程简单、低能耗、原料易得，总体成本低廉，最终取得的强化沸腾传热的效果明显。本发明是这样实现的，应用飞秒激光加工技术，通过平台控制实现不同结构之间的拼接，通过控制加工区域的占比、扫描方向、扫描次数等实现对拼接表面的设计。本发明中制备得到的拼接表面体现出了优异的沸腾换热性能。

本发明中飞秒激光拼接表面的制备方法具体步骤如下：

步骤一：对金属表面进行预处理：对金属表面进行打磨抛光和超声清洗；

步骤二：结构摸索：通过控制加工参数制备得到不同的微纳结构；

步骤三：区域设计：通过控制激光扫描区域的面积占比、激光扫描区域的空间分布、激光扫描区域的微纳结构类型、激光扫描区域的形状、区域拼接界面类型等实现对拼接表面的设计，区域类型分为两类：激光扫描区域和无激光扫描区域(原表面)；

步骤四：区域拼接的实现：通过平台控制或聚焦激光控制实现区域边界与边界之间的拼接制备得到拼接表面；

步骤五：对拼接表面进行池沸腾实验评估表面的换热性能。根据沸腾实验结果继续优化拼接表面的设计。

所述的对表面打磨抛光及清洗的具体方法为：首先对粗糙的金属进行砂纸水浴打磨，然后利用抛光机抛光，最后进行超声波清洗。

所述的控制加工参数制备得到不同的微纳结构指的是：通过调节加工参数：激光能量、聚焦位置、激光频率、扫描速度、扫描次数、加工方式(光栅式扫描、点阵加工、横纵扫描)等，在表面加工出柱状、孔状、沟槽、波纹、阵列、等微纳结构。