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利用飞秒激光在铝材料表面制备具有润湿和蒸发功能的微纳结构研究

利用飞秒激光在铝材料表面制备具有润湿和蒸发功能的微纳结构研究

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作者：张先航重庆邮电大学

学位级别：硕士

传统的冷却系统不仅会消耗巨额电量,其使用的氟利昂等冷却剂还会造成臭氧空洞,加速全球变暖,在全世界都在向绿色转型的过程中,这种冷却方式已经不再适用。因此,节能环保的蒸发冷却技术逐渐成为当今社会绿色低碳制冷的新方向。然而目前... 详细信息

传统的冷却系统不仅会消耗巨额电量,其使用的氟利昂等冷却剂还会造成臭氧空洞,加速全球变暖,在全世界都在向绿色转型的过程中,这种冷却方式已经不再适用。因此,节能环保的蒸发冷却技术逐渐成为当今社会绿色低碳制冷的新方向。然而目前用于蒸发冷却系统中的润湿材料吸水性和稳定性不能兼得,从而阻碍了蒸发冷却技术的应用。本文使用飞秒激光微纳制造技术在铝材料表面加工具有超润湿性能和强蒸发功能的微纳结构,进而提升铝材料的表面性能。制得样品具有优良的稳定性,弥补了现有材料的不足,能够有效提高蒸发冷却系统效率。主要研究内容如下:1.使用飞秒激光微纳制造技术在Al材料表面制备微纳V形毛细管结构,通过控制激光能量、样品与透镜之间的距离、扫描速度等加工参数,改变V形槽道的深宽比,分析加工参数、微纳结构与材料性能的关系。结果表明,烧蚀深度与激光能量呈正相关关系,与扫描速度呈负相关关系,并且深度越深的毛细结构具有更优良的润湿性能,与Wenzel方程相符。实验对比分析了样品在热水中浸泡15分钟对于润湿性能的影响,发现经过沸水处理的样品具有更好的稳定性,对实现长期稳定的润湿材料具有重要意义。2.通过接触角测量仪和高速相机录制平台分析了样品的润湿性能,结果表明,制得样品具有优良的润湿性能和稳定性。水滴在接触样品后,接触角能瞬间降至为～0°(大约200 ms),最大润湿速度≥400 mm/s,并且随着温度升高,液体扩散速度越快。将超润湿Al材料置于风道实验装置中,分析其不同温度、风速下液体的蒸发速率,与并风道中自由水面的蒸发速率进行对比。结果表明,液体在样品表面的蒸发速率是自由水面的3-5倍,并且随着温度和风速的增大,蒸发速率直线上升,这充分验证了该材料的强蒸发功能。3.使用高速相机录制平台记录了液体在不同温度样品表面的扩散行为,并重点关注了只与惯性力与毛细作用力相关的惯性阶段,以及只与界面张力、液体粘力相关的Washburn阶段。结果表明,液滴在接触样品边缘0-70 ms内中具有非常高的扩散速度,但由于液面受针管作用力、重力以及液体表面轮廓等多重影响,与Quéré方程中惯性阶段的线性关系并不相符,呈现为二段线性关系。在液滴接触样品边缘400 ms后,液体扩散距离与扩散时间的二分之一次方呈线性关系,验证了Washburn阶段的存在。随着温度上升到120℃,由于强烈沸腾的影响,液体前沿开始出现溅射、倒退等现象,因此无法使用目前的模型进行研究。样品温度在达到180℃时,液体不再润湿,从而限制其在高温场景下的应用。

关键词：润湿性飞秒激光微纳制造技术蒸发冷却铝材料

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