鋁基Al2O3納米多孔表面大容積池沸騰實驗

左少華，趙曉玥，王杰陽，魏峰，史曉平，陶金亮

（1河北工業(yè)大學化工學院，天津 300130；2西安交通大學化學工程與技術(shù)學院，陜西 西安 710049；3天津科技大學機械工程學院，天津 300222）

隨著電子設(shè)備高集成、微系統(tǒng)的發(fā)展，未來微電子系統(tǒng)的熱量集聚問題日趨嚴重。研究發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備溫度每升高5℃，其性能會降低一倍，一旦溫度超過電子設(shè)備的極限，將會導致設(shè)備不可復原的損壞[1]。因此，近年來基于相變傳熱的大容積池沸騰微納米傳熱強化研究引起眾多學者的關(guān)注。Vemuri等[2]對納米多孔表面進行池沸騰傳熱實驗，實驗結(jié)果表明采用這種多孔表面可以減小沸騰換熱的過熱度，有效降低沸騰的起始點。Furberg[3]利用氫氣泡溢出和電化學沉積的方法制備了納米樹狀微孔結(jié)構(gòu)，并對這種表面進行了沸騰傳熱實驗，結(jié)果表明這種微結(jié)構(gòu)表面能夠在比較低的過熱度下維持沸騰，且傳熱系數(shù)能夠極大地提高。Kim[4]、Phan等[5]采用納米流體核態(tài)沸騰沉積法將納米TiO2沉積在不銹鋼表面，傳熱表面水的靜態(tài)接觸角度大小對沸騰傳熱性能有很大影響，發(fā)現(xiàn)沸騰傳熱系數(shù)的最高點出現(xiàn)在水的靜態(tài)接觸角接近0°或90°時。陳粵[6]、鄧鵬[7]等對TiO2納米管陣列表面?zhèn)鳠嵝阅苓M行了研究，結(jié)果表明在相同加熱條件下納米陣列表面可明顯提高傳熱系數(shù)。

金屬鋁或鋁合金具有導熱性能好、價格低等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)集成設(shè)備的散熱元件中。為提高鋁制傳熱元件的效率，目前人們多采用機械方法，在鋁表面加工成不同尺寸的翅片或微槽，獲得了一定的效果。為適應(yīng)未來電子器件高聚集、微型化的需要，本文利用陽極氧化法，在鋁基上制備出Al2O3納米多孔層，并以此為傳熱元件，在常壓下對其進行了大容積池沸騰傳熱性能研究，以期為解決微電子器件微型化散熱難的問題提供一條新途徑。

1 實驗裝置

大容積池沸騰實驗裝置主要由測試元件、加熱系統(tǒng)、溫度檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、保溫裝置六部分組成，如圖1所示。傳熱測試元件采用表面附有納米多孔結(jié)構(gòu)的鋁板，其厚度為1mm。傳熱元件中心下方設(shè)置有直徑10mm的銅柱，用以模擬電子芯片發(fā)熱。銅柱和傳熱元件間涂有導熱膠。銅柱內(nèi)纏有電加熱絲，通過程控電源調(diào)節(jié)其加熱功率。沿銅柱軸向方向分別在距加熱表面5mm、15mm、25mm處開有3個直徑為1mm的孔，開孔深度至銅棒中心，并內(nèi)設(shè)熱電偶（用以計算熱流密度及傳熱表面溫度Tw）。同時，在沸騰室內(nèi)距離加熱表面1mm處垂直放置一個相同型號熱電偶 （用以測量液體沸騰溫度Ts）。熱電偶測得溫度通過XSLE高精度巡檢儀（精度為0.05%）采集。整個加熱器封裝在玻璃纖維保溫棉內(nèi)以減少熱損失。沸騰池直徑為60mm，池壁采用透明材料制成，在沸騰池上方，設(shè)有冷凝器，以保證沸騰工質(zhì)的液位恒定。實驗過程通過高速攝像機采集汽泡的生成、生長和脫離加熱表面的情況。

圖1 實驗裝置

2 實驗方法及過程

2.1 納米多孔傳熱表面的制備與表征

本實驗在常壓室溫條件下操作，以0.3mol/L的磷酸為電解液，采用兩步陽極氧化[8-9]工藝，得到如圖2所示的具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)的納米孔陣列多孔傳熱表面。從圖2可以看出，該傳熱表面上孔洞直徑在50～200nm，且均垂直金屬表面。大部分孔洞之間相互隔離，少數(shù)較大的孔洞之間存在相互交聯(lián)的現(xiàn)象[見放大圖2(b)]。

2.2 傳熱性能測試

實驗步驟如下：首先，按圖1所示連接好實驗裝置線路；其次，將適量去離子水注入沸騰室內(nèi)（約占沸騰室的50%）；第三，開啟冷卻系統(tǒng)；第四，打開控制電源，設(shè)置電壓為5V，待熱電偶溫度變化范圍不超過0.2℃時，繼續(xù)調(diào)高電壓5V，直至加熱工質(zhì)出現(xiàn)膜狀沸騰；第五，記錄熱電偶的溫度以及工質(zhì)的溫度變化情況。作為對比實驗，以相同的實驗方法對光滑表面進行測試，并作相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)記錄。

圖2 納米多孔表面的形貌

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于導熱段采用玻璃纖維保溫棉封裝絕熱，其傳熱可視為一維穩(wěn)態(tài)導熱，通過測量沿軸向的溫度分布，根據(jù)傅里葉定律即可計算出傳熱熱通量及傳熱面溫度，結(jié)合沸騰池水溫即可計算出池沸騰傳熱溫差和池沸騰傳熱系數(shù)，具體計算過程如下。

對加熱器的導熱段，根據(jù)傅里葉定律得到式（1）。

式中，Ti為第i個測溫點測得的溫度，K；Xi為第i個測溫點到加熱器上表面之間的距離，m；λl為銅的傳熱系數(shù)，W/(m·K)；qi為通過第i+1和i測溫點測得的熱通量，W/m2。

本試驗在加熱器的導熱段上測定三點溫度，由式（1）計算測得的平均熱通量為式（2）。

對被測試傳熱元件鋁板，通過傅里葉定律導出其沸騰表面的平均溫度（Tw），即式（3）。

式中，Ta為銅柱上表面溫度；λt為鋁材的傳熱系數(shù)；δ為被測試傳熱元件鋁板的厚度。

池沸騰傳熱溫差見式（4）。

池沸騰傳熱系數(shù)見式（5）。

2.4 實驗誤差分析

本實驗采用經(jīng)過標定的K型熱電偶測量加熱器導熱段以及沸騰工質(zhì)的溫度，誤差在±0.5℃。在數(shù)據(jù)處理中，考慮到導熱硅脂的熱阻以及通過T3推導出Ta（模擬電子器件表面溫度）和Tw（傳熱元件上表面溫度），其誤差在5%之內(nèi)。本實驗實驗裝置的熱量損失在5%～10%。

3 結(jié)果與討論

3.1 加熱時間與介質(zhì)溫度關(guān)系曲線

圖3為加熱時間與介質(zhì)溫度之間的關(guān)系曲線圖。從圖3中可以看出，納米多孔表面的傳熱效果明顯強化。其他實驗條件一致的情況下，納米多孔傳熱表面沸騰池內(nèi)加熱介質(zhì)的升溫速率明顯得以提高。例如，當加熱時間為30min時，光滑表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水的溫度為51℃，此時納米多孔表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水的溫度已經(jīng)達到56.3℃。當加熱到86min時，納米多孔表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水已經(jīng)開始沸騰；加熱到104min時，光滑表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水的才開始沸騰，時間要比納米多孔表面慢20%。

3.2 不同表面結(jié)構(gòu)對沸騰曲線的影響

圖3 工質(zhì)水溫度與加熱時間之間的關(guān)系

圖4 不同加熱表面的池沸騰曲線

圖4給出了常壓條件下光滑表面與納米多孔表面的沸騰曲線。其中B點之前為表面蒸發(fā)段，達到B點液體出現(xiàn)第一個汽泡，這時液體進入核態(tài)沸騰。C點為傳熱系數(shù)一個拐點，可以認為加熱介質(zhì)進入 不穩(wěn)定膜狀沸騰，傳熱系數(shù)逐漸開始下降，到達D點時，傳熱系數(shù)達到最低值。從圖4中可以看出，在表面汽化階段，傳熱溫差與傳熱系數(shù)大約呈線性關(guān)系。與光滑表面相比，多孔表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較高。這是由于納米多孔的存在，增大了液固兩相的接觸面積，提高了換熱面積。圖5分別給出了兩種表面與液滴（水）的靜態(tài)接觸角。由此可見，納米多孔的存在確實有利于促進液相和固相的接觸。

圖5 納米多孔表面與光滑表面的靜態(tài)接觸角

圖6 納米多孔表面與光滑表面沸騰時汽泡

隨著傳熱溫差的逐漸增大，加熱介質(zhì)進入BC段（核態(tài)沸騰）。圖6展示了不同表面工質(zhì)沸騰時汽 泡的狀態(tài)。從圖6可以看出，納米多孔表面液體沸騰時，汽泡具有直徑小、密度大的特點，即體現(xiàn)出納米多孔表面具有汽化核心多、汽泡脫離頻率快等典型強化傳熱的特征。不僅如此，從圖4中還可以看出，傳熱溫差在28～42℃之間傳熱系數(shù)始終維持在一定高位，這里稱之為沸騰穩(wěn)定區(qū)，而光滑表面則不存在這一區(qū)域，傳熱系數(shù)到達最高點后，很快便進入到不穩(wěn)定膜狀沸騰。這可能是因為不同直徑的汽化核心，其活化能對應(yīng)不同。納米多孔表面的孔徑大小不一，因而在一定傳熱溫差范圍內(nèi)，都能提供足夠多的活化核心。

CD段為不穩(wěn)定膜狀沸騰階段。同樣由于多孔結(jié)構(gòu)的存在，納米多孔表面在這一階段傳熱溫差維持時間較長（52～90℃），而光滑表面為（52～70℃）。當?shù)竭_D點，此時汽膜熱阻成為影響傳熱的主要因素，兩者傳熱系數(shù)均達到最低值。

3.3 熱流密度與傳熱元件表面溫度之間的關(guān)系

電子器件的性能直接受其工作時的溫度控制。研究表明，在較高溫度下傳熱元件溫度升高1℃，則其性能降低5%[10]。為此，本文給出了熱流密度與電子元件表面溫度（即加熱器上表面溫度）及兩種元件表面溫差（同一熱流密度條件下，用光滑表面以及納米多孔表面作為傳熱表面時，加熱器上表面的溫差）之間的關(guān)系，如圖7所示。由圖7可以看出，在相同熱流密度條件下，納米多孔表面作為傳熱表面的電子元件表面溫度均較光滑表面時要低。熱流密度較低時（表面蒸發(fā)和核態(tài)沸騰初期），兩種傳熱元件的表面溫度相差3～6℃，而當熱流密度等于26.78×104W/m2時（C點），光滑表面?zhèn)鳠嵩砻鏈囟冗_到155℃，而此時納米多孔表傳熱元件的溫度僅為123℃，兩者之間溫差達到最大值32℃。但是隨著熱流密度的繼續(xù)增大，工質(zhì)進入不穩(wěn)定的膜狀沸騰階段，兩者之間的溫差逐漸降低。

圖7 熱流密度與電子元件表面溫度及在兩種元件表面溫差之間的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文以集成化、微型化的芯片熱量集聚問題為研究背景，利用納米多孔表面的強化傳熱特點實現(xiàn)對電子元件的有效冷卻散熱。本文通過對鋁基Al2O3納米多孔傳熱表面大容積池沸騰的研究，得出以下幾點結(jié)論。

（1）與光滑表面相比，Al2O3納米多孔薄膜能提高鋁基傳熱表面的傳熱系數(shù)，且能夠在長時間內(nèi)維持其較高的傳熱系數(shù)。

（2）以納米多孔表面作為傳熱表面，在表面蒸 發(fā)以及核態(tài)沸騰階段能較好地起到降低電子元件表面溫度的作用。

以上說明納米多孔表面具有優(yōu)良的強化傳熱性能，但是由實驗結(jié)果可以看到兩種傳熱表面出現(xiàn)最大溫差時，電子元件表面溫度在125℃左右，這對實際應(yīng)用的電子芯片而言是不允許的。后續(xù)研究可以通過使用更低沸點的工質(zhì)，以降低電子元件表面的溫度，以促使這種表面在電子芯片散熱上的應(yīng)用。

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