專利名稱：一種強化冷凝傳熱的金屬表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于強化傳熱與節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬表面處理方法。
背景技術(shù)：
蒸氣冷凝現(xiàn)象廣泛存在于工業(yè)領(lǐng)域和自然界中，它是石油化工、發(fā)電、能源動力、 制冷空調(diào)和節(jié)能等領(lǐng)域中重要的換熱過程之一。蒸氣的冷凝方式根據(jù)冷凝液與冷凝表面的 潤濕程度可分為膜狀冷凝和滴狀冷凝。目前強化冷凝的方法主要有兩種，一種是強化膜狀 冷凝，主要是降低表面冷凝液膜的厚度，另一種是通過表面處理將膜狀冷凝改為滴狀或滴 膜共存的冷凝模式。滴狀冷凝是利用表面張力作用強化冷凝傳熱的最理想途徑，其冷凝傳 熱系數(shù)比膜狀冷凝要高一個數(shù)量級以上。自20世紀(jì)30年代Schmidt等發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象以來， 國內(nèi)外眾多的研究者進行了廣泛深入地研究。表面能是材料表面現(xiàn)象的主要推動力，是決定蒸氣在表面上冷凝呈滴狀或膜狀的 最重要參數(shù)。液體在固體表面上冷凝成滴狀，而不是鋪展成膜狀的必要條件是固體表面要 有較低的表面能。對于金屬材料，由于表面原子受到來自內(nèi)部原子強金屬鍵的作用力，具有 很高的表面能，蒸氣難以在其表面形成滴狀冷凝。因此，早期實現(xiàn)滴狀冷凝的方法主要集中 于在金屬表面外加一層低表面能材料，依靠物理或化學(xué)吸附與基體結(jié)合，如表面鍍貴金屬 如金、銀、鉬等；復(fù)合沉積聚四氟乙烯等有機高分子涂層；表面涂覆有機促進劑等。然而，上 述表面涂覆方法均不同程度地存在成本高、附加熱阻大、涂層與基體結(jié)合強度差、涂層表面 化學(xué)穩(wěn)定性差等方面的問題，從而不能形成穩(wěn)定持久的滴狀冷凝。上世紀(jì)九十年代，趙起等 人提出了離子注入技術(shù)，通過在金屬表層注入N、Ar、He、H等元素，制備低表面能合金材料， 實現(xiàn)了水蒸氣在其上的滴狀冷凝，但是成本高、穩(wěn)定性差仍是該技術(shù)存在的主要問題。近年來，疏水性納米涂層表面的冷凝特性成為一個新的研究熱點。宋永吉等在紫 銅基底上制備了疏水性碳納米管膜，發(fā)現(xiàn)水蒸氣在其上能形成較好的滴狀冷凝(宋永吉， 任曉光，任紹梅，王虹.水蒸氣在超疏水表面上的冷凝傳熱，工程熱物理學(xué)報，2007，28(1) 95-97)。Manas Ojha等研究了 SiO2納米棒沉積表面的冷凝特性，認(rèn)為納米尺度的涂層表面 形貌對氣-液-固界面分子間的力場有顯著地影響，從而影響相變傳熱效率(Manas Ojha, AryaChatterjee, Frank Mont, Ε.F. Schubert, Peter C. Wayner Jr. , Joel L. Plawsky.. Therole of sol id surface structure on dropwise phase change processes. InternationalJournal ofHeat and Mass Transfer，2010，53 :910_922)。目前為止,對于 納米結(jié)構(gòu)表面冷凝特性的研究均是基于疏水性納米表面涂層，涂層與基體的結(jié)合強度、壽 命、成本等仍是不可回避的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服了現(xiàn)有的為了實現(xiàn)良好的冷凝效果而在金 屬表面制備疏水性涂覆層技術(shù)所存在的涂覆層與金屬基體結(jié)合強度低、壽命短的缺陷，以 及通過改變金屬表面化學(xué)成分的離子注入技術(shù)所存在的成本高等缺陷，提供了一種完全不相同的能夠使金屬實現(xiàn)強化冷凝傳熱效果的金屬表面處理方法，該方法通過改變金屬表面 的顯微組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)，降低表面自由能，從而將金屬表面的冷凝模式由完全的膜狀 冷凝轉(zhuǎn)變?yōu)榈文す泊婊蛲耆牡螤罾淠Ｊ?，顯著強化了蒸氣在金屬表面的冷凝傳熱過 程，提高了傳熱效果。本發(fā)明提供了一種金屬表面處理方法，其包括下述步驟用軋輥重復(fù)軋制金屬 的表面，使所述金屬的表面形成納米孿晶；其中，所述納米孿晶的片層厚度小于200nm;在 進行所述軋制時，所述軋輥在繞一公轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)的同時與所述金屬之間進行速度為0. 1 50mm/分鐘的水平相對運動，所述軋輥的公轉(zhuǎn)速度為100 300rpm，所述公轉(zhuǎn)軸為一水平方 向上的公轉(zhuǎn)軸，所述水平相對運動的運動方向垂直于所述軋輥的公轉(zhuǎn)平面。本發(fā)明的金屬表面處理方法能夠使蒸汽在金屬表面形成完全的滴狀冷凝或滴膜 共存的冷凝模式，從而顯著提高了金屬的冷凝傳熱效果。本發(fā)明中，所述的重復(fù)軋制指對所述金屬的同一區(qū)域進行反復(fù)的軋制，所述軋制 的重復(fù)次數(shù)較佳的使所述金屬表面形成納米孿晶結(jié)構(gòu)，且納米孿晶的片層厚度小于200nm。 所述的重復(fù)次數(shù)較佳的為30 300次，更佳的為100 150次。本發(fā)明中，每次軋制都要使軋制痕跡完全覆蓋金屬表面，使得金屬表面的納米孿 晶結(jié)構(gòu)能夠均勻分布。為此，當(dāng)所述水平相對運動的速度與所述軋輥的公轉(zhuǎn)速度在本發(fā)明 的范圍內(nèi)時，這兩個速度能夠相匹配，使相鄰軋制痕跡的重合度控制在5 10%之間，保證 軋制痕跡全部覆蓋金屬表面，并且保證納米孿晶結(jié)構(gòu)的均勻分布。本發(fā)明中，所述的孿晶指兩個晶體或一個晶體的兩部分沿一個公共晶面(即特定 取向關(guān)系)構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系。在本發(fā)明的方法處理過的金屬中，納米孿晶的晶粒 尺寸自金屬表面開始，沿金屬厚度方向呈逐漸變大的梯度分布，納米孿晶組織與金屬基體 之間不存在明顯的界面。處理前后，金屬的外形尺寸基本保持不變。本發(fā)明中，在整個軋制過程中，較佳地保持所述金屬的溫度為50K 80K，更佳的 為77K。所述金屬的溫度可通過本領(lǐng)域常規(guī)的冷卻介質(zhì)實現(xiàn)，較佳的為液氮或液氦等。本發(fā)明中，所述金屬為冷凝傳熱領(lǐng)域中常用的金屬，較佳的為銅或碳鋼。本發(fā)明中，所述的水平相對運動可采用本領(lǐng)域常規(guī)方法實現(xiàn)，較佳的采用下述方 式中的任一種進行方式一、所述軋輥僅在公轉(zhuǎn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，所述金屬在垂直于公轉(zhuǎn)平面的水平方向 上移動；方式二、固定所述金屬，所述軋輥在公轉(zhuǎn)的同時沿公轉(zhuǎn)軸在水平方向上移動。在本發(fā)明一較佳的實施方式中，當(dāng)所述金屬為銅時，所述軋制的重復(fù)次數(shù)為 100 120次，得到的納米孿晶的片層厚度為50 lOOnm，保持所述金屬的溫度為75 80K， 所述軋輥的公轉(zhuǎn)速度為180rpm，所述水平相對運動的速度為10 15mm/分鐘。本發(fā)明所用的原料和試劑均市售可得。本發(fā)明中，上述優(yōu)選條件在符合本領(lǐng)域常識的基礎(chǔ)上可任意組合，即得本發(fā)明各 較佳實例。本發(fā)明的積極進步效果在于(1)本發(fā)明的金屬表面處理方法工藝簡單、處理成本低，蒸汽在該處理后的金屬表 面可實現(xiàn)滴狀冷凝或滴膜共存冷凝，具有顯著的冷凝傳熱過程。
(2)由本發(fā)明方法處理過的金屬表面與金屬基體之間不存在明顯的界面，因此不 存在表面層與金屬基體之間的結(jié)合強度問題，也不會產(chǎn)生由于引入表面涂覆層而帶來的附 加熱阻，具有穩(wěn)定性好、壽命長的優(yōu)點。


圖1是實施例1中經(jīng)表面處理的銅板表面的TEM形貌圖，右上角為選區(qū)電子衍射 花樣。圖2是蒸汽在實施例1中經(jīng)表面處理的銅板表面的冷凝照片。圖3是未經(jīng)表面處理和實施例1中經(jīng)表面處理的銅板的強化冷凝效果圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明，但本發(fā)明并不受其限制。實施例1一、對無氧銅進行金屬表面處理用一軋輥軋制一無氧純銅T2平板(50mmX 50mm)至軋輥的痕跡覆蓋整個無氧純銅 板，重復(fù)上述軋制120次。每次軋制的方法為將金屬固定在軋機裝置上，以液氮為冷卻介 質(zhì)，當(dāng)金屬表面的溫度達到77K時開始軋制；軋輥在繞一水平方向的公轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)的同時沿 公轉(zhuǎn)軸軸向進行水平移動，移動速度為12mm/min，公轉(zhuǎn)速度為ISOrpm，在軋制過程中保持 金屬表面的溫度為77K。軋制結(jié)束后銅板表面的透射電鏡照片見圖1，從圖中可以看出其表 面主要為納米孿晶束組織，選區(qū)電子衍射花樣表明納米晶粒具有隨機取向。根據(jù)晶粒尺寸 的統(tǒng)計測量結(jié)果，納米孿晶的片層厚度平均約為60nm。二、對經(jīng)表面處理的銅板進行檢測1、采用德國Dataphysics公司生產(chǎn)的0CA20型接觸角測量儀測量水在未經(jīng)表面 處理的以及經(jīng)表面處理的銅板表面的接觸角，處理前后銅板表面的接觸角分別為40. 3°和 108.9°。由此可知，經(jīng)本發(fā)明的表面處理方法處理后，金屬表面的接觸角有大幅上升，從而 使表面疏水性能明顯提高。2、采用垂直平板蒸汽冷凝傳熱實驗對未經(jīng)表面處理的純銅板和實施例1中經(jīng)表 面處理的銅板的傳熱性能進行比較。經(jīng)表面處理后，銅板表面的蒸汽冷凝形貌見圖2，由圖 2可以看出該銅板表面的冷凝模式為滴膜共存模式。兩種表面的冷凝傳熱效果見圖3。該垂直平板蒸汽冷凝傳熱實驗的裝置主要由蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集 監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。實驗方法為將銅板固定在一基板上；蒸汽由蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生，經(jīng)過熱器進入冷 凝室，在銅板表面冷凝，冷凝液經(jīng)銅板下方的漏斗進入燒杯，進行計量并將其換算成冷凝傳 熱量，冷凝室中多余的蒸汽則經(jīng)冷凝室下方出口進入輔助冷凝器進行冷凝并排出；用水泵 輸送冷卻水，冷卻水經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計進入噴頭，均勻地噴灑到基板上對銅板進行冷卻；通過改 變冷卻水的流量來調(diào)節(jié)過冷度大小，并通過壓力表和蒸汽閥門調(diào)節(jié)控制冷凝室內(nèi)的壓力， 同時實驗過程中冷凝室內(nèi)壓力始終保持在latm。綜合冷凝傳熱量和過冷度的大小繪制出冷 凝傳熱特性曲線，見圖3。由圖3可以看出經(jīng)本發(fā)明方法處理過的銅板表面的傳熱效果比純銅板表面的傳
5熱效果好出很多，這是因為在本發(fā)明方法處理過的銅板表面上的冷凝液滴的脫落一方面減 少了冷凝表面存在的冷凝液膜熱阻，另一方面液滴的脫落使得氣相邊界層的速度場發(fā)生了 改變，邊界層的湍動作用促進了蒸汽分子的宏觀運動，減少了相際傳質(zhì)阻力，使得蒸汽冷凝 傳熱特性得到明顯改善。
權(quán)利要求
一種金屬表面處理方法，其特征在于其包括下述步驟用軋輥重復(fù)軋制金屬的表面，使所述金屬的表面形成納米孿晶；其中，所述納米孿晶的片層厚度小于200nm；在進行所述軋制時，所述軋輥在繞一公轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)的同時與所述金屬之間進行速度為0.1～50mm/分鐘的水平相對運動，所述軋輥的公轉(zhuǎn)速度為100～300rpm，所述公轉(zhuǎn)軸為一水平方向上的公轉(zhuǎn)軸，所述水平相對運動的運動方向垂直于所述軋輥的公轉(zhuǎn)平面。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬表面處理方法，其特征在于在所述軋制過程中，保持所述 金屬的溫度為50K 80K。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬表面處理方法，其特征在于通過冷卻介質(zhì)保持所述金屬 的溫度。
4.如權(quán)利要求3所述的金屬表面處理方法，其特征在于所述冷卻介質(zhì)為液氮或液氦。
5.如權(quán)利要求1 4中任一項所述的金屬表面處理方法，其特征在于所述軋制的重 復(fù)次數(shù)為30 300次。
6.如權(quán)利要求5所述的金屬表面處理方法，其特征在于所述的重復(fù)次數(shù)為100 150次。
7.如權(quán)利要求1 6中任一項所述的金屬表面處理方法，其特征在于所述金屬為銅 或碳鋼。
8.如權(quán)利要求1 7中任一項所述的金屬表面處理方法，其特征在于所述水平相對 運動采用下述方式中的任一種進行方式一、所述軋輥僅在公轉(zhuǎn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，所述金屬在垂直于公轉(zhuǎn)平面的水平方向上移動；方式二、固定所述金屬，所述軋輥在公轉(zhuǎn)的同時沿公轉(zhuǎn)軸在水平方向上移動。
9.如權(quán)利要求1 8中任一項所述的金屬表面處理方法，其特征在于當(dāng)所述金屬為 銅時，所述軋制的重復(fù)次數(shù)為100 120次，得到的納米孿晶的片層厚度為50 lOOnm，保 持所述金屬的溫度為75 80K，所述軋輥的公轉(zhuǎn)速度為ISOrpm，所述水平相對運動的速度 為10 15mm/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬表面處理方法，其包括下述步驟用軋輥重復(fù)軋制金屬的表面，使所述金屬的表面形成納米孿晶；所述納米孿晶的片層厚度小于200nm；在進行所述軋制時，所述軋輥在繞一公轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)的同時與所述金屬之間進行速度為0.1～50mm/分鐘的水平相對運動，所述軋輥的公轉(zhuǎn)速度為100～300rpm。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的在金屬表面制備疏水性涂覆層技術(shù)所存在的涂覆層與金屬基體結(jié)合強度低、壽命短的缺陷，以及通過改變金屬表面化學(xué)成分的離子注入技術(shù)所存在的成本高等缺陷，通過改變金屬表面的顯微組織結(jié)構(gòu)及應(yīng)力狀態(tài)，降低表面自由能，實現(xiàn)金屬表面的滴膜共存或滴狀冷凝模式，顯著強化了蒸氣在金屬表面的冷凝傳熱過程，提高了傳熱效果。
文檔編號C21D8/00GK101914664SQ20101024064
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者廖禮寶, 張莉, 徐宏, 徐鵬, 李 東, 阮藝平, 齊寶金 申請人:華東理工大學(xué)