中國工程熱物理學 學科類別傳熱傳學術會議 編號：183310仿生樹林狀微納結構表面的毛細特性羅佳利a,b,a,b,a,b,衡益a,b,b,c,傳a,b*,a,a.中山大學化學與化學，廣州 c.中山大學公共實驗教學中心( , ：本文通過一種簡單高效的電化學沉積的方法在銅箔上出6種不同厚度的仿生樹林狀微納K，K/Reff，K·ΔPc等進行計算。結果表明，隨著仿生樹林狀結構厚度的增加，其接觸角減小，表面1廣州市珠江科技項目（No.201710010043)2高校基本科研業務費項目（17lgzd15、GF本文通過電化學沉積的方法在銅箔上出不同厚度的具有仿生樹林狀的微納雙管的提供條件。另外，電化學方法一步法就可以得到結構豐富的微納結構，相對CuSO4體系中通過電沉積在陰極得到不同厚度的仿生樹林狀結構，詳細方法如Wang[7]所述，實驗裝置圖如下圖1所示。陰極采用0.1mm厚的紫銅箔(2х

Cu2eCu22e2H2eH2表1所示。

1對拍攝的圖像采用高速機自帶的軟件（PCC2.6）進行吸液高度及時間的統計。同樣采用高速對樣品表面的接觸角進試，測試后的圖像采用ImageJ軟件2吸液測試裝置示1樣品樣品 沉積時厚度孔隙率 1．3采用掃描電鏡(EVOMA10)對樣品表面進行形貌表征。圖343μm，68μm，99μm,139μm，210μm，235μm的沉積層的俯視圖和截面圖。可以看出銅箔表面?A-C可知，隨著厚度的增大，晶F，圖3樣品表面及側面SEM圖A-F分別Y1-Y5；對應厚度分別43μm，68μm，99μm，139μm，8μl的去離子水進行接觸角的測增大[8]，根據Wenzel模型[9]cosw 4A43μm的時候，接觸角為210μm,235μm時，如圖4E,F所示，液體在樣0°，樣品表面具有很426°；E)50°；F)60°質進行了吸液性能測試，如圖5所示5A可以看出整個吸液過程分為三個階段[11]，啟動階段，即微納結構表面吸 面高度不再發生變化。根據圖5B可知，最終的液面高度隨著樣品厚度的增加而增85mm。Tang[12]采用銅顆粒燒結與鋸齒狀槽道結合的多孔吸液芯在120s70mm 液面上升高度液面上升高度 0

0 時間 樣品厚度5A)；B)式（2）Laplace–Youngequation，

2

K

其中θ為接觸角，σ為液體表面張力，????????????????為結構的有效半徑，K為滲透率，μ為液體黏Darcy定律式（3），滲透率與毛細壓力成反比即與有效毛細半徑????????????????成正比，單獨的滲

)(Aw)(

1

y24cosK 面面積，Reff為有效毛細半徑,hfg為蒸發焓。K/Reff度y∝（K/Reff）1/2，所以可以通過吸液高度來求得K/Reff，從而得到Qmax，capillary。A

B 0 101214161820

樣品厚度6A）樣品最大吸液高度及B）K/Reff圖6y2tA可知，y2t存在良好的線性關如6B235μmK/Reff1.04х10-6m，也就以且液面能夠自動潤濕并上升，故計算時接觸角視為0?。溝將仿生樹林狀晶枝與銅顆粒燒結的樣品[412-16]7較大，但是其K/Reff均高于金屬球燒結結構以及簡單的機械復合結構，是矩形溝槽與110-150μm1.34倍。因此仿生樹林狀晶枝結構相較于傳統的燒結金屬顆粒多孔結構來說可以大幅度提升其K/Reff溝K/Reff*10K/Reff*10 7K/Reff2e

e

σ為表面張力；θ為接觸角；ρe對應的工質為乙醇。根據上式可ΔPc?K作為毛細性能參數，在本實驗中結果如下圖8所示。由圖8235μm1.52х10-7N，是粒徑為110-150μm4.313(A-C)可知，隨著沉積時間的增長，晶枝FK/Reff的計算結果一致。ΔPc*K*10-ΔPc*K*10- 10012014016082，可以對仿生狀樹林結構在熱管中可以提供的驅動力進行計算；另外，根據243μm1010Pa，對應的毛細極限為1.8W；在厚度為235μm時，毛2184Pa，對應的毛細極限為18.8W。減小熱管的厚度，為超薄熱管的提供條件。表2毛細壓力P本文通過電化學沉積的方法在銅箔上出6種厚度分別為43μm，68μm，吸液芯對其毛細特性進行研究。實驗過程中對其毛細特性相關的參數K，K/Reff，面由親水變成超親水；其K/Reff值隨著厚度的增加先增加后基本保持不變，在235μm235μm1.50х10-7N110-150μm燒結金屬顆粒的18.8W。另外，接觸角是影響毛細芯的毛細特性一項Juxiang,Z.L.W.A.L.,Researchprogressofwickinheatpipe.Refrigeration2011,39(4),Li,H.,StudyonHeatTransferPropertiesofFlatHeatPipewithConicalCapillaryJournalofMechanicalEngineering2015,51(24),Lv,L.C.;Li,J.,Managinghighheatfluxupto500W/cm(2)throughanultra-thinflatheatpipewithsuperhydrophilicwick.ApplThermEng2017,122,593-600.Lu,L.;Sun,J.;Liu,Q.;Liu,X.;Tang,Y.,Influenceofelectrochemicaldepositionparametersoncapillaryperformanceofarectangulargroovedwickwithaporouslayer.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2017,109,737-745.Chen,Q.C.C.-L.,DesignandTestofCarbonNanotubeBiwickStructureforHigh-Heat-FluxPhaseChangeHeatTransfer.JournalofHeatTransfer2010,132(052403-1).Yang,K.-S.;Lin,C.-C.;Shyu,J.-C.;g,C.-Y.;Wang,C.-C.,Performanceandtwo-phaseflowpatternformicroflatheatpipes.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2014,77,CopperverticalmicrodendritefinarraysandtheirsuperiorboilingheattransferAppliedSurfaceScience2017,422,388-LIUChangquan,S.W.,ZHAOJugui,JIXianbing,WUXinming,XUJinliang,Heattransfercharacteristicsofultra-thinflatheatpipewithnano-modifiedporouswick.CIESCJournal2017,68(12),4508-4516.N,W.R., ofsolidsurfacestowettingbywater.Industrial&EngineeringChemistryResearch1936,28(8),988-994.yonghua,C.q.H.,CharacteristicsofevaporativesurfaceofmicrostructuresinheatpipeCIESCIJournal2014,65Lin,L.J.Z.Y.Z.L.C.,CapillarypumcharacteristicofporouswickforloopheatJournalofengineeringthermophyscis2010,31(5),839-compositewicksfortwo-phaseheattransferdevices.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2013,56(1-2),283-293.Byon,C.;Kim,S.J.,Capillaryperformanceofbi-poroussinteredmetalwicks.InternationalJournalofHeatandMassTransfer2012,55(15-16),4096-4103.JournalofHeatTransfer2008,130R.Singh,A.A.,M.Mochizuki,ExperimentaldeterminationofwickpropertiesforloopheatpipeapplicationsJ.Por.Media2009,12,759–776.DominguezEspinosa,F.A.