颗粒成型多孔金属材料物性对强化沸腾换热的影响研究
作者单位：中国矿业大学
学位级别：硕士
导师姓名：黄丛亮
授予年度：2022年
学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 080701[工学-工程热物理] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理]
摘 要：随着通讯电子行业的发展,电子元器件越来越呈现出小型化、高集成化和高功率化。电子元器件的热流密度随功率的增加而增加,并且狭窄的封闭空间会抑制热量散失并限制大型对流换热设备如风机等的使用。聚集的热量会严重影响设备性能的正常运行,甚至会损害设备的使用寿。相关研究表明,温度超额定使用温度10℃,设备的预计使用寿命将缩短50%;降低工作温度对芯片运行的可靠性提升有着重要的影响,芯片工作温度每降低1°C,其失效率会减少大约4%。因此,芯片热害问题是制约电子通讯行业发展的重大瓶颈。沸腾换热作为相变换热的一种,汽化过程需要吸收大量的潜热,可以带走大量的热量,因此被视为高效的散热技术。沸腾换热的换热能力与换热面的结构,表面形貌,自身和工质的物理性质息息相关。换热面的结构和自身的物性如亲水性和导热系数等对气泡的生成、脱离和工质再补充具有调控作用。当前的研究大多聚焦于:通过制备高粗糙度的换热面和调控换热表面微结构以增加核化点位密度和调控气泡逃逸阻力以强化池沸腾换热能力;通过在工质中添加微、纳米颗粒制备微、纳米流体等方式,改变换热面与工质之间的亲水性等参数,以增强池沸腾换热能力。前人的研究大部分针对于通过设计试样表面几何结构而对于换热面自身的物性影响缺乏系统研究。本工作制备了具有不同导热系数和亲水性的多孔铜镍复合堆积床试样,以及添加有改性金刚石颗粒的多孔铜堆积床,并在标准大气压下,以去离子水为工质对样品的池沸腾换热性能和气泡脱离的动力学图像进行了实验研究,探究了热导率和亲水性等对强化池沸腾换热性能的影响。首先,采用冷压成型-粉末烧结工艺制备了多孔微米铜粉堆积床,通过在铜粉中添加氯化钠颗粒造孔剂制备不同孔隙率的试样,通过添加电解镍粉以调控试样的亲水性和导热系数。并对制备试样的亲水性和导热系数进行了测量。通过去离子水滴定观察试样的水接触角和吸收速率等表征了样品的亲水性能参数,并通过电子扫描显微镜对试样的微观形貌进行了观察。其次,本工作自主搭建了池沸腾换热实验台。该实验台由工质容器系统、主辅加热系统、信号采集和图像拍摄系统和冷凝回流保温系统共同组成。通过改变实验台的输入电压,以获取在不同热流密度下的池沸腾换热性能。通过理论分析,结合实验佐证对试验台的稳定性进行了验证,结果表明试验台及测试方法具有可靠性,能够满足本实验的需求。再次,对制备的多孔微米铜粉/镍粉堆积床进行了池沸腾实验,实验结果表明,高导热系数可以为气泡式离子和分离提供更多热量,从而减少样品顶部和底部表面之间的温差。此外,在导热系数较高的样品表面进行亲水性改性可以改善池沸腾性能。最后,对金刚石进行金属化处理以改善与铜粉的润湿性,并制备了金刚石/铜复合多孔堆积床。池沸腾实验结果表明:(1)改性后的金刚石颗粒与铜粉间的润湿性得到了改善,改性金刚石/铜粉复合材料间的界面热阻减小,进而增强了池沸腾换热性能;(2)受界面热阻影响,金属化金刚石/铜复合多孔材料中的金刚石含量一定时,颗粒粒径将存有临界值使得材料具有最佳池沸腾换热性能;(3)随着金刚石体积分数的增加,金刚石/铜复合材料的导热系数也随之增加,池沸腾换热性能也得到强化。
同方学位论文库