采用易揮發(fā)工質(zhì)對超親水泡沫銅的毛細(xì)性能表征

蔣玉婷， 張 鵬， 呂鳳勇

(上海交通大學(xué) 制冷與低溫工程研究所， 上海 200240)

兩相傳熱裝置(如熱管、均溫板)因其高換熱性及使用靈活性而被廣泛地應(yīng)用于電子器件和航空航天等領(lǐng)域.兩相傳熱裝置的核心部件為具有多孔結(jié)構(gòu)的吸液芯，其毛細(xì)極限直接影響兩相傳熱裝置的傳熱極限[1]，而滲透率和毛細(xì)壓力則共同影響毛細(xì)極限.因此，綜合上述兩個(gè)參數(shù)的毛細(xì)性能因子，即滲透率與有效毛細(xì)半徑之比[2]，常被用于表征多孔結(jié)構(gòu)的綜合毛細(xì)性能.該綜合性能參數(shù)僅與吸液芯的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并不依賴于所選取的工質(zhì)[3].

泡沫銅作為一種新型功能材料，其綜合毛細(xì)性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的燒結(jié)粉末吸液芯[4-5]，在傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域有較高的應(yīng)用價(jià)值.此外，多孔介質(zhì)的毛細(xì)壓力與其潤濕性有關(guān)，如具有極佳潤濕性能的超親水表面(固/液界面接觸角小于5°)可提供較高的毛細(xì)壓力[6].若在泡沫銅吸液芯表面構(gòu)造一層超親水結(jié)構(gòu)，將極大地提高吸液芯的綜合毛細(xì)性能.目前，對于超親水泡沫銅毛細(xì)性能的研究較為缺乏，對其毛細(xì)性能的表征有助于為超親水泡沫銅應(yīng)用于吸液芯結(jié)構(gòu)提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持及理論參考依據(jù).

對于材料毛細(xì)性能的研究通常通過液體的毛細(xì)上升過程來實(shí)現(xiàn)[7-8].當(dāng)將含有毛細(xì)多孔結(jié)構(gòu)材料的一端豎直地浸入液體工質(zhì)時(shí)，工質(zhì)將在毛細(xì)壓力的驅(qū)動下上升.通過測量這一過程的毛細(xì)上升高度或毛細(xì)上升質(zhì)量隨時(shí)間的變化過程，分析評價(jià)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的毛細(xì)性能.為得到滲透率和毛細(xì)性能因子等表征參數(shù)，還需將測得的高度或質(zhì)量數(shù)據(jù)與相應(yīng)的理論模型結(jié)合，通過多參數(shù)擬合分析方法獲得需要的毛細(xì)性能表征參數(shù).因此，毛細(xì)性能表征方法的關(guān)鍵在于精確測量毛細(xì)上升高度等參數(shù)以及其理論模型的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性.Lucas和Washburn[9-10]研究了工質(zhì)浸潤毛細(xì)管的毛細(xì)壓力等動力學(xué)影響因素，在忽略重力影響的情況下，建立了著名的Lucas-Washburn理論模型.Fries等[11-12]基于Lucas-Washburn理論模型，提出了考慮工質(zhì)重力和蒸發(fā)影響的理論模型，并通過稱重法證實(shí)了該模型的正確性.Tang等[13]為解決現(xiàn)有的光學(xué)觀察法及稱重法面臨的無法準(zhǔn)確識別彎液面的問題，提出采用紅外熱像法觀測工質(zhì)毛細(xì)上升的彎液面位置，忽略工質(zhì)蒸發(fā)的影響，通過線性擬合得到滲透率、有效毛細(xì)半徑、毛細(xì)性能因子等毛細(xì)性能參數(shù).劉僑鵬[14]采用同樣的方法表征超親水銅表面的毛細(xì)性能參數(shù)，研究表明對于同一吸液芯結(jié)構(gòu)，采用不同工質(zhì)(乙醇、丙酮、水)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的毛細(xì)性能因子差別較大，乙醇和丙酮測試的毛細(xì)性能因子均與水測試的毛細(xì)性能因子偏差超過50%，與毛細(xì)性能因子不依賴于工質(zhì)種類的屬性相矛盾.這意味著在研究材料的毛細(xì)性能時(shí)，工質(zhì)蒸發(fā)的影響不可忽略，文獻(xiàn)[13]提出的忽略蒸發(fā)的關(guān)系式并不適用于易揮發(fā)工質(zhì)的實(shí)際毛細(xì)上升過程.為了得到準(zhǔn)確的毛細(xì)多孔結(jié)構(gòu)的毛細(xì)性能，需根據(jù)工質(zhì)的揮發(fā)性，結(jié)合相應(yīng)的理論關(guān)系式進(jìn)行表征.

本文以乙醇和水為工質(zhì)，采用紅外熱像法，對超親水泡沫銅的毛細(xì)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.分析各個(gè)樣品的毛細(xì)上升曲線圖，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的理論模型，得到乙醇在超親水泡沫銅的毛細(xì)性能參數(shù)，以討論蒸發(fā)對毛細(xì)性能的影響；同時(shí)，根據(jù)毛細(xì)性能因子與工質(zhì)種類無關(guān)的屬性，分析對比不同工質(zhì)在同一樣品的毛細(xì)性能因子，針對易揮發(fā)工質(zhì)提出可準(zhǔn)確獲得材料毛細(xì)性能參數(shù)的方法；根據(jù)此方法，系統(tǒng)地分析了超親水表面的處理方法、工質(zhì)種類及樣品目數(shù)對超親水泡沫銅毛細(xì)性能的影響.

1 材料及制備過程

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用的試劑有2.5 mol/L的 NaOH、0.1 mol/L的(NH4)2S2O8以及C2H6O，均為分析純，且均購買于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司.實(shí)驗(yàn)所用的儀器有接觸角測量儀(Dataphysics-OCA20)、 Zeiss Ultra Plus場發(fā)射掃描電子顯微鏡、紅外熱像儀(FLIR SC325，不確定度±2%)、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DGH-9245A).

1.2 材料制備

實(shí)驗(yàn)材料分別為60、80和100目的泡沫銅以及經(jīng)過表面處理制備而成的相同目數(shù)的超親水泡沫銅.為了減少實(shí)驗(yàn)誤差的影響，每種目數(shù)的超親水泡沫銅與泡沫銅均準(zhǔn)備3個(gè)樣品.超親水泡沫銅表面的制備是以50 mm×20 mm×1 mm的普通泡沫銅為基底，將其置于含2.5 mol/L氫氧化鈉和0.1 mol/L過硫酸銨的混合水溶液中；在70 ℃下氧化1 h，使得多孔結(jié)構(gòu)的骨架上形成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)；用蒸餾水沖洗，得到超親水泡沫銅表面.超親水泡沫銅表面的結(jié)構(gòu)形貌如圖1所示.

通過稱重法計(jì)算得到泡沫銅(CF)的孔隙率εCF，并通過計(jì)算得到超親水泡沫銅(SHCF)的孔隙率εSHCF，

εSHCF=εCF-asfSrrm

(1)

式中：asf為泡沫銅的面體比[15-17]；Sr為超親水泡沫銅表面與普通泡沫銅表面的面積比；rm為超親水泡沫銅的表面粗糙度.泡沫銅與超親水泡沫銅的孔隙率如表1所示.由表1可知，不同樣品的孔隙率有較大的差別.這是由于經(jīng)過超親水表面處理生成的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)減小了泡沫銅表面的原有孔徑，超親水泡沫銅的孔隙率相比于普通泡沫銅有明顯的減小，100目超親水泡沫銅的孔隙率為85.9%，在所有樣品中是最小的.

乙醇、蒸餾水和丙酮等液體是毛細(xì)上升實(shí)驗(yàn)的常用工質(zhì).本實(shí)驗(yàn)采用無水乙醇(分析純，φ>99.5%)和蒸餾水為工質(zhì)；樣品周圍溫度為(20±0.4) ℃.乙醇和水的熱物理性質(zhì)如表2所示.其中：μ為動力黏度；σ為表面張力；ρ為密度.利用接觸角測量儀測量不同樣品的接觸角.對于普通泡沫銅樣品，不同工質(zhì)在其表面的接觸角有極大的差異.水在泡沫銅樣品表面的接觸角大于120°，表現(xiàn)為疏水性，這是因?yàn)槠胀ㄅ菽~在空氣中極易被氧化，其骨架表面存在具有疏水性的氧化亞銅[18-19]；而乙醇在泡沫銅樣品表面的接觸角為9.8°，具有極佳的潤濕性.對于超親水泡沫銅樣品，乙醇與水在超親水泡沫銅樣品表面的接觸角均為0°.這是由于經(jīng)過化學(xué)氧化處理后，泡沫銅的表面形成了黑色的氧化銅，而氧化銅具有親水性，同時(shí)，骨架上的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了其親水性，故水和乙醇液滴均可在超親水泡沫銅的表面完全鋪展開來.

圖1 超親水泡沫銅的表面結(jié)構(gòu)形貌Fig.1 Surface structure of superhydrophilic copper foam

Tab.1 Porosity of copper foam and superhydrophilic copper foam

目數(shù)εCF/%εSHCF/%6091.987.78091.886.810091.585.9

表2 乙醇和水的熱物理性質(zhì)Tab.2 Thermo-physical properties of ethanol and water

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖2所示.該裝置主要由紅外熱像儀(FLIR SC325，不確定度為±2%)、樣品固定架、玻璃罩、培養(yǎng)皿和計(jì)算機(jī)等部件組成.玻璃罩保證了內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受周圍空氣流動的影響；樣品豎直固定；盛放液體工質(zhì)的培養(yǎng)皿置于樣品下方，實(shí)驗(yàn)時(shí)在培養(yǎng)皿中添加液體工質(zhì)直至與樣品底端接觸時(shí)停止；紅外熱像儀通過玻璃罩的觀察窗口記錄工質(zhì)在樣品表面的毛細(xì)上升過程，并將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī).

1—玻璃罩，2—支撐架，3—樣品固定物，4—樣品，5—培養(yǎng)皿，6—觀察窗口，7—紅外熱像儀，8—計(jì)算機(jī)圖2 毛細(xì)上升紅外測試實(shí)驗(yàn)裝置圖[13]Fig.2 Test device of the capillary rise by infrared camera[13]

圖3 毛細(xì)上升高度定位圖Fig.3 Identification of the capillarity height location

由紅外熱像儀記錄的毛細(xì)上升高度定位視頻可以被分解為以幀為單位的熱像圖，如圖3所示.由圖3可知，通過分析高度方向溫度突變點(diǎn)的平均位置(誤差約為0.5 mm)，可以獲得每個(gè)樣品毛細(xì)上升對應(yīng)時(shí)間的高度及毛細(xì)上升的速度.對于相同目數(shù)的樣品，取3個(gè)樣品測試數(shù)據(jù)的平均值作為每個(gè)目數(shù)樣品的最終毛細(xì)上升高度和毛細(xì)上升速度，并在此基礎(chǔ)上獲得不同工質(zhì)在不同目數(shù)樣品條件下的毛細(xì)上升高度隨時(shí)間的變化規(guī)律.結(jié)合不同工質(zhì)在不同樣品條件下的毛細(xì)上升曲線圖，分析工質(zhì)在毛細(xì)上升過程中的動力學(xué)影響因素，并分別對不同目數(shù)樣品的毛細(xì)上升高度與速度通過最小二乘法進(jìn)行擬合，以獲得滲透率、毛細(xì)壓力及毛細(xì)性能因子等與毛細(xì)性能相關(guān)的表征參數(shù).

3 理論分析與數(shù)據(jù)處理

當(dāng)液體工質(zhì)接觸到樣品界面時(shí)，工質(zhì)在毛細(xì)壓力的作用下沿樣品的豎直方向快速上升.根據(jù) Laplace-Young方程[20]可得液-氣界面的毛細(xì)壓力Δpcap為

(2)

式中：θ為固-液界面接觸角；Rs為樣品的孔隙半徑.采用有效毛細(xì)半徑Reff代替樣品的孔隙半徑，則

(3)

在忽略工質(zhì)的蒸發(fā)影響時(shí)，工質(zhì)的毛細(xì)上升過程除受到毛細(xì)壓力的驅(qū)動外，還受到摩擦阻力和重力的影響.該毛細(xì)上升過程根據(jù)動量守恒有以下平衡方程：

(4)

式中：左端項(xiàng)為Laplace-Young方程表示的毛細(xì)壓力Δpcap；右端第一項(xiàng)為Darcy定律表示的黏性摩擦阻力；右端第二項(xiàng)為毛細(xì)上升過程中由于重力引起的靜壓力；K為樣品的滲透率；h為毛細(xì)上升高度；dh/dt為毛細(xì)上升速度；g為重力加速度.Tang等[13]在忽略工質(zhì)蒸發(fā)的條件下，通過改寫式(4)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：

(5)

由式(5)可知，在工質(zhì)穩(wěn)定上升期間，dh/dt與1/h呈線性關(guān)系.當(dāng)已知樣品孔隙率、工質(zhì)動力黏度和表面張力等參數(shù)時(shí)，對穩(wěn)定上升階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，可以獲得滲透率、有效毛細(xì)半徑、毛細(xì)性能因子等毛細(xì)性能的相關(guān)參數(shù).

(6)

令

(7)

(8)

(9)

式(9)可改寫為

(10)

式中：W為樣品寬度；T為樣品厚度；c與蒸發(fā)速率有關(guān)，在工質(zhì)穩(wěn)定上升過程中，蒸發(fā)速率越小，c越小，dh/dt與1/h越接近線性關(guān)系.當(dāng)樣品的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工質(zhì)物性參數(shù)一定時(shí)，結(jié)合式(10)對毛細(xì)上升高度和毛細(xì)上升速度進(jìn)行最小二乘法擬合分析，可以獲得滲透率、有效毛細(xì)半徑和工質(zhì)蒸發(fā)速率.

為研究工質(zhì)蒸發(fā)對樣品毛細(xì)性能參數(shù)的影響，當(dāng)選取工質(zhì)為乙醇時(shí)，需分別結(jié)合式(5)和(10)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，以獲得滲透率等毛細(xì)性能參數(shù)；當(dāng)選取工質(zhì)為水時(shí)，由于水的蒸發(fā)可忽略不計(jì)，只需要結(jié)合式(5)得到樣品的毛細(xì)性能參數(shù)即可.根據(jù)Moffat[21]提出的不確定度分析，該實(shí)驗(yàn)主要的不確定度來源于毛細(xì)上升高度、毛細(xì)上升速度及材料孔隙率的測量，并通過式(5)和(10)傳遞給擬合導(dǎo)出的滲透率、有效毛細(xì)半徑及蒸發(fā)速率.本實(shí)驗(yàn)的不確定度分析結(jié)果如表3所示.

表3 不確定度的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果Tab.3 Experimental analysis results of uucertainty

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1 超親水表面處理對泡沫銅毛細(xì)性能的影響

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，乙醇在泡沫銅和超親水泡沫銅上均有明顯的毛細(xì)上升現(xiàn)象；而水僅在超親水泡沫銅上有明顯的毛細(xì)上升過程，在泡沫銅上無明顯的毛細(xì)上升現(xiàn)象.這是因?yàn)榕菽~具有疏水性，水滴在泡沫銅表面無法鋪展和潤濕.乙醇在泡沫銅與超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升曲線如圖4所示.

圖4 乙醇在泡沫銅與超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升曲線Fig.4 The capillary rise curves of ethanol on copper foam and superhydrophilic copper foam

由圖4可知，乙醇在超親水泡沫銅和普通泡沫銅上的毛細(xì)上升速率(某時(shí)刻的瞬時(shí)速率)和最大上升高度有較大的差別.在毛細(xì)上升的初始階段(t≤10 s)，乙醇在超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升速度和毛細(xì)上升高度高于普通泡沫銅，且隨著時(shí)間的推移，乙醇在普通泡沫銅和超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升曲線逐漸分離；當(dāng)t>10 s時(shí)，乙醇的毛細(xì)上升高度在不同目數(shù)普通泡沫銅上均達(dá)到平衡狀態(tài)，而在超親水泡沫銅上仍繼續(xù)向上爬升，直至達(dá)到毛細(xì)平衡高度或材料高度，最終乙醇在超親水泡沫銅上的最大上升高度均高于普通泡沫銅.乙醇在超親水泡沫銅和普通泡沫銅上的毛細(xì)上升速率和最大上升高度的差異取決于泡沫銅的表面特性.經(jīng)過超親水表面處理后，在泡沫銅骨架上氧化形成了微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致泡沫銅的孔隙率顯著減小，從而使超親水泡沫銅能夠提供較大的毛細(xì)壓力.因此，超親水泡沫銅相比于普通泡沫銅具有更好的毛細(xì)性能，能夠提高乙醇的毛細(xì)上升速度，同時(shí)驅(qū)使乙醇在其表面穩(wěn)定地上升較長一段時(shí)間.

4.2 泡沫銅目數(shù)對其毛細(xì)性能的影響

水在不同超親水泡沫銅樣品上的毛細(xì)上升曲線如圖5所示.結(jié)合圖4和5可以看出，不同目數(shù)對兩種泡沫銅的影響有所不同，目數(shù)對于超親水泡沫銅的影響相比于普通泡沫銅更加明顯.由工質(zhì)在超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升曲線可知，工質(zhì)在不同目數(shù)的超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升速率差異較大，且隨著目數(shù)的增加，毛細(xì)上升速率表現(xiàn)出先增大后減小的變化過程.當(dāng)目數(shù)為80目時(shí)，工質(zhì)具有最大的毛細(xì)上升速率.而對于普通泡沫銅，乙醇的毛細(xì)上升速率則隨著普通泡沫銅目數(shù)的增加呈單調(diào)遞增.這是由于毛細(xì)上升速率隨目數(shù)的變化過程是毛細(xì)壓力及流動阻力的綜合影響結(jié)果，泡沫銅孔徑的差異使得流動阻力對超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升速率的影響更大.

圖5 水在不同超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升曲線Fig.5 The capillary rise curves of water on superhydrophilic copper foam at different mesh sizes

4.3 工質(zhì)種類對超親水泡沫銅上毛細(xì)上升曲線的影響

結(jié)合圖4和5可知，不同工質(zhì)在超親水泡沫銅表面的毛細(xì)上升速度有明顯的差異.與乙醇相比，水的毛細(xì)上升速度較大.這是由物性的差異及工質(zhì)的揮發(fā)性兩方面原因決定的.

(1) 物性的差異.由式(5)和(10)可知，影響毛細(xì)上升速度的主要因素為工質(zhì)的表面張力、動力黏度及樣品的毛細(xì)性能因子.由表2可知，與水相比，乙醇的表面張力較小，黏度較大.由式(4)可知，在毛細(xì)上升過程中，乙醇的毛細(xì)壓力較小，而摩擦阻力則較大，導(dǎo)致乙醇的毛細(xì)上升速度低于水的毛細(xì)上升速度.

(2) 工質(zhì)的揮發(fā)性：相比于水，乙醇在空氣中更容易蒸發(fā)，其在毛細(xì)上升前沿產(chǎn)生的蒸汽也同樣會降低毛細(xì)的上升速度.

4.4 毛細(xì)性能參數(shù)分析

多孔材料的綜合毛細(xì)性能特性通常用K/Reff來衡量，且不依賴于實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，即對于相同的樣品，乙醇和水的毛細(xì)上升過程所對應(yīng)的h-t曲線雖然不同，但所獲得的同一樣品的K/Reff應(yīng)為一致的[3].基于這一屬性，根據(jù)工質(zhì)的揮發(fā)性，結(jié)合不同理論模型擬合獲得不同工質(zhì)測試的毛細(xì)性能參數(shù).超親水泡沫銅毛細(xì)性能相關(guān)表征參數(shù)的擬合圖如圖6所示.由圖6可知：當(dāng)選取水為工質(zhì)時(shí)，基于式(5)的線性擬合的處理效果較好，表明可采取該種處理方法獲得超親水泡沫銅的毛細(xì)性能參數(shù)；而當(dāng)選取乙醇為工質(zhì)時(shí)，基于式(10)的非線性擬合的處理效果明顯優(yōu)于基于式(5)的處理效果.

圖6 不同工質(zhì)的擬合結(jié)果圖Fig.6 The fitting results for the different working fluids

結(jié)合不同理論模型(式(5)和(10))獲得的不同樣品的擬合結(jié)果如表4所示.由表4可知：對于超親水泡沫銅，進(jìn)行不同工質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品目數(shù)越大，滲透率越??；而毛細(xì)壓力越大，毛細(xì)性能因子隨著目數(shù)的增加均表現(xiàn)出先增大后減小的變化過程，且在目數(shù)為80目時(shí)達(dá)到最高值.這與工質(zhì)在超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升曲線變化過程一致.

當(dāng)工質(zhì)為乙醇時(shí)，采用式(5)和(10)獲得的毛細(xì)性能因子等毛細(xì)性能參數(shù)差異較大.基于未考慮蒸發(fā)影響的式(5) 獲得的毛細(xì)性能因子與水測試得到的結(jié)果偏差較大，毛細(xì)性能因子差異均大于13%，說明乙醇的蒸發(fā)對毛細(xì)上升過程有較大的影響，不能忽略.而采用考慮蒸發(fā)影響的式(10)得到的毛細(xì)性能因子與水測試得到的結(jié)果差異較小，毛細(xì)性能因子偏差均不超過7%.考慮到實(shí)驗(yàn)誤差的影響，可以認(rèn)為對同一目數(shù)的超親水泡沫銅采用不同工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)均可得到相同的毛細(xì)性能因子.因此，對于乙醇等易揮發(fā)工質(zhì)，采用考慮工質(zhì)蒸發(fā)影響的理論模型計(jì)算樣品毛細(xì)性能更為合理，既提高了易揮發(fā)工質(zhì)測試毛細(xì)性能參數(shù)的準(zhǔn)確性，又改進(jìn)了現(xiàn)有毛細(xì)性能參數(shù)的表征方法.

與超親水泡沫銅不同的是，采用上述方法獲得的普通泡沫銅的毛細(xì)性能因子均隨著目數(shù)的增加而單調(diào)增加，該結(jié)果與工質(zhì)在普通泡沫銅上的毛細(xì)上升速率變化過程一致.

在通過式(10)獲得泡沫銅以及超親水泡沫銅的毛細(xì)性能參數(shù)的同時(shí)，也獲得了乙醇在毛細(xì)上升過程中的平均蒸發(fā)速率.由表4可知，乙醇在泡沫銅與超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升過程中，其蒸發(fā)速率均在10-4量級.由表2可知，乙醇的表面張力是水的1/3，而黏度是水的1.2倍.結(jié)合式(5)和(10)可知，在毛細(xì)上升過程中，相比于蒸發(fā)帶來的影響，乙醇與水之間的物性差異是導(dǎo)致乙醇在超親水泡沫銅上毛

表4 不同樣品的擬合結(jié)果Tab.4 The fitting results for the different samples

細(xì)上升速度較慢的主要原因.此外，對比乙醇在泡沫銅與超親水泡沫銅上的蒸發(fā)速率可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目數(shù)相同時(shí)，乙醇在超親水泡沫銅上的蒸發(fā)速率小于普通泡沫銅的蒸發(fā)速率.這可能是由于在相同的目數(shù)下，與泡沫銅相比，超親水泡沫銅的孔徑較小.根據(jù)Kelvin定理[20]，孔徑越小，多孔結(jié)構(gòu)中彎液面上的飽和蒸汽壓越低，傳質(zhì)推動力越小，故乙醇的蒸發(fā)速率較慢.

所制備的超親水泡沫銅的毛細(xì)性能與已有的吸液芯文獻(xiàn)研究結(jié)果對比如表5所示.由表5可知，由于超親水泡沫銅兼顧了滲透率和毛細(xì)壓力，其毛細(xì)性能因子較燒結(jié)銅粉有明顯的提升.其中，80目的超親水泡沫銅具有最優(yōu)的綜合毛細(xì)性能，作為一種新的吸液芯結(jié)構(gòu)有著較大的應(yīng)用潛力.此外，超親水泡沫銅易于加工處理成型，在傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景.

5 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究了水和乙醇在普通泡沫銅及超親水泡沫銅上的毛細(xì)上升過程，并結(jié)合不同的理論模型，獲得了超親水泡沫銅的毛細(xì)性能參數(shù).通過比較不同工質(zhì)在同一樣品上的毛細(xì)性能因子，研究了易揮發(fā)工質(zhì)的蒸發(fā)對毛細(xì)性能參數(shù)表征的影響，改進(jìn)了采用易揮發(fā)工質(zhì)測試樣品毛細(xì)性能參數(shù)的方法，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地評價(jià)了超親水泡沫銅的毛細(xì)性能.主要結(jié)論如下：

(1) 當(dāng)工質(zhì)為乙醇時(shí)，不同理論模型獲得的毛細(xì)性能參數(shù)有較大的差異.當(dāng)考慮工質(zhì)蒸發(fā)時(shí)，乙醇與水測試得到的毛細(xì)性能因子更為一致，且可以獲得乙醇在樣品表面的平均蒸發(fā)速率.因此，對于易揮發(fā)工質(zhì)，考慮蒸發(fā)影響的方法可提高現(xiàn)有表征方法的準(zhǔn)確性，也為以后其他易揮發(fā)工質(zhì)的表征提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

(2) 不同目數(shù)對兩種泡沫銅的影響不同.目數(shù)對超親水泡沫銅的影響相較于普通泡沫銅更為明顯，且隨著目數(shù)的增加，超親水泡沫銅的毛細(xì)性能因子表現(xiàn)出先增大后減小的變化過程.80目的超親水泡沫銅的毛細(xì)性能因子最大，與泡沫銅的毛細(xì)性能因子單調(diào)增加的變化過程不同.

(3) 兩種泡沫銅的毛細(xì)性能有較大的差異.當(dāng)目數(shù)相同時(shí)，60目和80目的超親水泡沫銅相比于普通泡沫銅均表現(xiàn)出更佳的綜合毛細(xì)性能，且80目的超親水泡沫銅的毛細(xì)性能因子最高.與文獻(xiàn)結(jié)果相比，超親水泡沫銅兼顧了毛細(xì)壓力與滲透率，比燒結(jié)銅粉吸液芯具有更好的綜合毛細(xì)性能，更適用于兩相傳熱裝置.