鋁基Al2O3納米多孔表面大容積池沸騰實(shí)驗(yàn)

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(xué)化工學(xué)院，天津 300130；2西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；3天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備溫度每升高5℃，其性能會(huì)降低一倍，一旦溫度超過電子設(shè)備的極限，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不可復(fù)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(qiáng)化研究引起眾多學(xué)者的關(guān)注。Vemuri等[2]對(duì)納米多孔表面進(jìn)行池沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。Furberg[3]利用氫氣泡溢出和電化學(xué)沉積的方法制備了納米樹狀微孔結(jié)構(gòu)，并對(duì)這種表面進(jìn)行了沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)，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(duì)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(diǎn)出現(xiàn)在水的靜態(tài)接觸角接近0°或90°時(shí)。陳粵[6]、鄧鵬[7]等對(duì)TiO2納米管陣列表面?zhèn)鳠嵝阅苓M(jìn)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(dǎo)熱性能好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(duì)其進(jìn)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(shí)驗(yàn)裝置

大容積池沸騰實(shí)驗(yàn)裝置主要由測(cè)試元件、加熱系統(tǒng)、溫度檢測(cè)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(cè)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(dǎo)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(gè)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(jì)算熱流密度及傳熱表面溫度Tw）。同時(shí)，在沸騰室內(nèi)距離加熱表面1mm處垂直放置一個(gè)相同型號(hào)熱電偶 （用以測(cè)量液體沸騰溫度Ts）。熱電偶測(cè)得溫度通過XSLE高精度巡檢儀（精度為0.05%）采集。整個(gè)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(shí)驗(yàn)過程通過高速攝像機(jī)采集汽泡的生成、生長(zhǎng)和脫離加熱表面的情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)方法及過程

2.1 納米多孔傳熱表面的制備與表征

本實(shí)驗(yàn)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(cè)試

實(shí)驗(yàn)步驟如下：首先，按圖1所示連接好實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(duì)比實(shí)驗(yàn)，以相同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)光滑表面進(jìn)行測(cè)試，并作相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dǎo)熱，通過測(cè)量沿軸向的溫度分布，根據(jù)傅里葉定律即可計(jì)算出傳熱熱通量及傳熱面溫度，結(jié)合沸騰池水溫即可計(jì)算出池沸騰傳熱溫差和池沸騰傳熱系數(shù)，具體計(jì)算過程如下。

對(duì)加熱器的導(dǎo)熱段，根據(jù)傅里葉定律得到式（1）。

式中，Ti為第i個(gè)測(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的溫度，K；Xi為第i個(gè)測(cè)溫點(diǎn)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(cè)溫點(diǎn)測(cè)得的熱通量，W/m2。

本試驗(yàn)在加熱器的導(dǎo)熱段上測(cè)定三點(diǎn)溫度，由式（1）計(jì)算測(cè)得的平均熱通量為式（2）。

對(duì)被測(cè)試傳熱元件鋁板，通過傅里葉定律導(dǎo)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(cè)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(shí)驗(yàn)誤差分析

本實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過標(biāo)定的K型熱電偶測(cè)量加熱器導(dǎo)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(dǎo)熱硅脂的熱阻以及通過T3推導(dǎo)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(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置的熱量損失在5%～10%。

3 結(jié)果與討論

3.1 加熱時(shí)間與介質(zhì)溫度關(guān)系曲線

圖3為加熱時(shí)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(qiáng)化。其他實(shí)驗(yàn)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(dāng)加熱時(shí)間為30min時(shí)，光滑表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水的溫度為51℃，此時(shí)納米多孔表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水的溫度已經(jīng)達(dá)到56.3℃。當(dāng)加熱到86min時(shí)，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(shí)，光滑表面沸騰室內(nèi)工質(zhì)水的才開始沸騰，時(shí)間要比納米多孔表面慢20%。

3.2 不同表面結(jié)構(gòu)對(duì)沸騰曲線的影響

圖3 工質(zhì)水溫度與加熱時(shí)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(diǎn)之前為表面蒸發(fā)段，達(dá)到B點(diǎn)液體出現(xiàn)第一個(gè)汽泡，這時(shí)液體進(jìn)入核態(tài)沸騰。C點(diǎn)為傳熱系數(shù)一個(gè)拐點(diǎn)，可以認(rèn)為加熱介質(zhì)進(jìn)入 不穩(wěn)定膜狀沸騰，傳熱系數(shù)逐漸開始下降，到達(dá)D點(diǎn)時(shí)，傳熱系數(shù)達(dá)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(shí)有利于促進(jìn)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(shí)汽泡

隨著傳熱溫差的逐漸增大，加熱介質(zhì)進(jìn)入BC段（核態(tài)沸騰）。圖6展示了不同表面工質(zhì)沸騰時(shí)汽 泡的狀態(tài)。從圖6可以看出，納米多孔表面液體沸騰時(shí)，汽泡具有直徑小、密度大的特點(diǎn)，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(qiáng)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(dá)最高點(diǎn)后，很快便進(jìn)入到不穩(wěn)定膜狀沸騰。這可能是因?yàn)椴煌睆降钠诵?，其活化能?duì)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(shí)間較長(zhǎng)（52～90℃），而光滑表面為（52～70℃）。當(dāng)?shù)竭_(dá)D點(diǎn)，此時(shí)汽膜熱阻成為影響傳熱的主要因素，兩者傳熱系數(shù)均達(dá)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(shí)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(shí)，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(shí)要低。熱流密度較低時(shí)（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(dāng)熱流密度等于26.78×104W/m2時(shí)（C點(diǎn)），光滑表面?zhèn)鳠嵩砻鏈囟冗_(dá)到155℃，而此時(shí)納米多孔表傳熱元件的溫度僅為123℃，兩者之間溫差達(dá)到最大值32℃。但是隨著熱流密度的繼續(xù)增大，工質(zhì)進(jìn)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(qiáng)化傳熱特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子元件的有效冷卻散熱。本文通過對(duì)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(diǎn)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(zhǎng)時(shí)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(qiáng)化傳熱性能，但是由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到兩種傳熱表面出現(xiàn)最大溫差時(shí)，電子元件表面溫度在125℃左右，這對(duì)實(shí)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(diǎn)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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