[发明专利]一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法，该方法采用铜合金作为基底材料，通过清洗吹干除杂等前处理后，通过气相沉积方法在低温条件（600℃~900℃）下在铜合金表面沉积石墨烯，制备形成具有表面疏水性的石墨烯/铜合金复合材料。本发明制备得到的材料在表面实现了疏水性，石墨烯薄膜附着力好，覆盖率高，不易脱落，而且该复合材料性能稳定，疏水性持久，与其它形式的疏水涂层相比，附加热阻极小。石墨烯在材料表面自行沉积；采用铜合金，成本低廉，应用广泛，具有实际工业应用价值。

技术领域

本发明涉及基于铜合金和石墨烯的复合材料制备工艺，具体涉及一种具有表面疏水性的铜合金复合材料的制备方法。

背景技术

蒸气冷凝传热过程在化工、制冷、电子、发电、动力和航天热控技术等领域具有广泛的应用背景。蒸气冷凝传热过程及换热性能的强化对节约能源、原材料以及工程费用具有重要的实用价值。工业中很多场合，要求冷凝过程在低压或真空条件下实现，比如水蒸气汽轮机凝汽器、分子精馏、材料加工、低温多效海水淡化、吸收式热泵和制冷、真空热管、石油化工等等。

目前火电厂凝汽器的冷凝管主要由铜合金管和不锈钢管，船用的凝汽器冷凝管是铜合金管，如BFe10-1-1（10％镍与铜的铜镍合金）和BFe30-1-1（30％镍与铜的铜镍合金），海水淡化领域大量使用白铜和铝黄铜合金作为冷凝部件。如果能够提升冷凝管及整个冷凝系统的换热系数，就可以降低换热面积，即降低换热管的长度，从而减小冷凝设备的体积和冷凝管的用量。

水蒸汽在凝结过程中可以呈现两种冷凝形态即膜状冷凝和滴状冷凝。水蒸汽在固体表面的冷凝形态取决于固体表面的润湿性，如果冷凝壁亲水性强，则蒸汽冷凝后会在冷凝壁表面形成液膜附着在冷凝壁表面，液膜层厚度决定了膜状凝结传热性能的好坏。如果冷凝壁疏水性强，则凝结液在壁面不易铺展成膜，而是形成许多随机分布，大小不一的液滴，这时凝结呈滴状冷凝形态。在这种情况下，冷凝放出的汽化潜热能够直接传递给壁面，因此，同样条件下，滴状冷凝的传热系数是相应膜状冷凝传热系数的几倍至十几倍。

世界上许多传热研究单位为滴状冷凝研究及工业化应用做了大量工作。以往研究实现滴状冷凝主要有以下几种方法：镀贵金属、添加有机促进剂、在金属表面涂覆有机涂层、分子自组装单层膜、离子束动态混合注入、化学气相沉积等。比如公开日为1992年8月12日公开号为CN1063548和公开日为1992年8月26日公开号为CN1063907的中国专利文献公开了在铜管上通过磁控溅射镀铬，但其工艺操作复杂，成本高昂，镀层持久性差；公开日为2015年12月2日，公开号为CN105121036A的中国专利文献利用iCVD在金属基材上沉积极薄聚合膜，需要额外加入引发剂，成本较高，且有机聚合物膜本身有较大的热阻；公开日为2017年5月17日公开号为CN106676675A的中国专利文献公开了在紫铜表面通过静电吸引涂覆离子液体，涂层的结合力较差，离子液体的价格比较高；公开日为2013年10月23日公开号为CN103359684A的专利通过在金属表面电解刻蚀微纳栅线实现滴状冷凝，刻蚀的栅线容易被污垢覆盖，持久性差，制备方法较为复杂，可控性差；公开日为1988年1月6日公开号为CN86104466的中国专利文献通过在铜合金表面离子镀自钝化元素，然后离子注入N、F、H等离子的方法实现了滴状冷凝，其制备工艺条件苛刻，不易实现工业化生产。

上述方法各有优缺点，目前都还未实现大规模应用，在现今的工业应用中，主要还是以膜状冷凝为主。寻找经济的、能在工业条件下长期维持滴状冷凝的表面材料及有效的表面处理技术变得至关重要。石墨烯具有许多优异的性能，比如高强度、高热导率及疏水性，利用石墨烯薄膜的疏水、超薄及高热导特性，可将石墨烯包覆在铜合金表面，显著提高铜合金管疏水性，推进表面实现蒸气滴状冷凝，同时因石墨烯薄膜厚度仅为几个原子层的厚度且热导率高，包覆在铜合金表面带来的额外附加热阻极小，因而结合疏水性可大幅提升冷凝效果。因此需要研发一种能实现表面疏水性的石墨烯和铜合金的复合结构，进而提升蒸气冷凝换热效果，同时解决了铜合金冷凝器件上低温沉积石墨烯的技术难题。

发明内容