专利名称：一种强化冷凝传热的金属表面处理方法
技术领域：
本发明属于强化传热与节能技术领域，具体涉及一种金属表面处理方法。
背景技术：
蒸气冷凝现象广泛存在于工业领域和自然界中，它是石油化工、发电、能源动力、 制冷空调和节能等领域中重要的换热过程之一。蒸气的冷凝方式根据冷凝液与冷凝表面的 润湿程度可分为膜状冷凝和滴状冷凝。目前强化冷凝的方法主要有两种，一种是强化膜状 冷凝，主要是降低表面冷凝液膜的厚度，另一种是通过表面处理将膜状冷凝改为滴状或滴 膜共存的冷凝模式。滴状冷凝是利用表面张力作用强化冷凝传热的最理想途径，其冷凝传 热系数比膜状冷凝要高一个数量级以上。自20世纪30年代Schmidt等发现这种现象以来， 国内外众多的研究者进行了广泛深入地研究。表面能是材料表面现象的主要推动力，是决定蒸气在表面上冷凝呈滴状或膜状的 最重要参数。液体在固体表面上冷凝成滴状，而不是铺展成膜状的必要条件是固体表面要 有较低的表面能。对于金属材料，由于表面原子受到来自内部原子强金属键的作用力，具有 很高的表面能，蒸气难以在其表面形成滴状冷凝。因此，早期实现滴状冷凝的方法主要集中 于在金属表面外加一层低表面能材料，依靠物理或化学吸附与基体结合，如表面镀贵金属 如金、银、钼等；复合沉积聚四氟乙烯等有机高分子涂层；表面涂覆有机促进剂等。然而，上 述表面涂覆方法均不同程度地存在成本高、附加热阻大、涂层与基体结合强度差、涂层表面 化学稳定性差等方面的问题，从而不能形成稳定持久的滴状冷凝。上世纪九十年代，赵起等 人提出了离子注入技术，通过在金属表层注入N、Ar、He、H等元素，制备低表面能合金材料， 实现了水蒸气在其上的滴状冷凝，但是成本高、稳定性差仍是该技术存在的主要问题。近年来，疏水性纳米涂层表面的冷凝特性成为一个新的研究热点。宋永吉等在紫 铜基底上制备了疏水性碳纳米管膜，发现水蒸气在其上能形成较好的滴状冷凝(宋永吉， 任晓光，任绍梅，王虹.水蒸气在超疏水表面上的冷凝传热，工程热物理学报，2007，28(1) 95-97)。Manas Ojha等研究了 SiO2纳米棒沉积表面的冷凝特性，认为纳米尺度的涂层表面 形貌对气-液-固界面分子间的力场有显著地影响，从而影响相变传热效率(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)。目前为止,对于 纳米结构表面冷凝特性的研究均是基于疏水性纳米表面涂层，涂层与基体的结合强度、寿 命、成本等仍是不可回避的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服了现有的为了实现良好的冷凝效果而在金 属表面制备疏水性涂覆层技术所存在的涂覆层与金属基体结合强度低、寿命短的缺陷，以 及通过改变金属表面化学成分的离子注入技术所存在的成本高等缺陷，提供了一种完全不相同的能够使金属实现强化冷凝传热效果的金属表面处理方法，该方法通过改变金属表面 的显微组织结构及应力状态，降低表面自由能，从而将金属表面的冷凝模式由完全的膜状 冷凝转变为滴膜共存或完全的滴状冷凝模式，显著强化了蒸气在金属表面的冷凝传热过 程，提高了传热效果。本发明提供了一种金属表面处理方法，其包括下述步骤用轧辊重复轧制金属 的表面，使所述金属的表面形成纳米孪晶；其中，所述纳米孪晶的片层厚度小于200nm;在 进行所述轧制时，所述轧辊在绕一公转轴公转的同时与所述金属之间进行速度为0. 1 50mm/分钟的水平相对运动，所述轧辊的公转速度为100 300rpm，所述公转轴为一水平方 向上的公转轴，所述水平相对运动的运动方向垂直于所述轧辊的公转平面。本发明的金属表面处理方法能够使蒸汽在金属表面形成完全的滴状冷凝或滴膜 共存的冷凝模式，从而显著提高了金属的冷凝传热效果。本发明中，所述的重复轧制指对所述金属的同一区域进行反复的轧制，所述轧制 的重复次数较佳的使所述金属表面形成纳米孪晶结构，且纳米孪晶的片层厚度小于200nm。 所述的重复次数较佳的为30 300次，更佳的为100 150次。本发明中，每次轧制都要使轧制痕迹完全覆盖金属表面，使得金属表面的纳米孪 晶结构能够均勻分布。为此，当所述水平相对运动的速度与所述轧辊的公转速度在本发明 的范围内时，这两个速度能够相匹配，使相邻轧制痕迹的重合度控制在5 10%之间，保证 轧制痕迹全部覆盖金属表面，并且保证纳米孪晶结构的均勻分布。本发明中，所述的孪晶指两个晶体或一个晶体的两部分沿一个公共晶面(即特定 取向关系)构成镜面对称的位向关系。在本发明的方法处理过的金属中，纳米孪晶的晶粒 尺寸自金属表面开始，沿金属厚度方向呈逐渐变大的梯度分布，纳米孪晶组织与金属基体 之间不存在明显的界面。处理前后，金属的外形尺寸基本保持不变。本发明中，在整个轧制过程中，较佳地保持所述金属的温度为50K 80K，更佳的 为77K。所述金属的温度可通过本领域常规的冷却介质实现，较佳的为液氮或液氦等。本发明中，所述金属为冷凝传热领域中常用的金属，较佳的为铜或碳钢。本发明中，所述的水平相对运动可采用本领域常规方法实现，较佳的采用下述方 式中的任一种进行方式一、所述轧辊仅在公转平面内转动，所述金属在垂直于公转平面的水平方向 上移动；方式二、固定所述金属，所述轧辊在公转的同时沿公转轴在水平方向上移动。在本发明一较佳的实施方式中，当所述金属为铜时，所述轧制的重复次数为 100 120次，得到的纳米孪晶的片层厚度为50 lOOnm，保持所述金属的温度为75 80K， 所述轧辊的公转速度为180rpm，所述水平相对运动的速度为10 15mm/分钟。本发明所用的原料和试剂均市售可得。本发明中，上述优选条件在符合本领域常识的基础上可任意组合，即得本发明各 较佳实例。本发明的积极进步效果在于(1)本发明的金属表面处理方法工艺简单、处理成本低，蒸汽在该处理后的金属表 面可实现滴状冷凝或滴膜共存冷凝，具有显著的冷凝传热过程。
(2)由本发明方法处理过的金属表面与金属基体之间不存在明显的界面，因此不 存在表面层与金属基体之间的结合强度问题，也不会产生由于引入表面涂覆层而带来的附 加热阻，具有稳定性好、寿命长的优点。
图1是实施例1中经表面处理的铜板表面的TEM形貌图，右上角为选区电子衍射 花样。图2是蒸汽在实施例1中经表面处理的铜板表面的冷凝照片。图3是未经表面处理和实施例1中经表面处理的铜板的强化冷凝效果图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明并不受其限制。实施例1一、对无氧铜进行金属表面处理用一轧辊轧制一无氧纯铜T2平板(50mmX 50mm)至轧辊的痕迹覆盖整个无氧纯铜 板，重复上述轧制120次。每次轧制的方法为将金属固定在轧机装置上，以液氮为冷却介 质，当金属表面的温度达到77K时开始轧制；轧辊在绕一水平方向的公转轴公转的同时沿 公转轴轴向进行水平移动，移动速度为12mm/min，公转速度为ISOrpm，在轧制过程中保持 金属表面的温度为77K。轧制结束后铜板表面的透射电镜照片见图1，从图中可以看出其表 面主要为纳米孪晶束组织，选区电子衍射花样表明纳米晶粒具有随机取向。根据晶粒尺寸 的统计测量结果，纳米孪晶的片层厚度平均约为60nm。二、对经表面处理的铜板进行检测1、采用德国Dataphysics公司生产的0CA20型接触角测量仪测量水在未经表面 处理的以及经表面处理的铜板表面的接触角，处理前后铜板表面的接触角分别为40. 3°和 108.9°。由此可知，经本发明的表面处理方法处理后，金属表面的接触角有大幅上升，从而 使表面疏水性能明显提高。2、采用垂直平板蒸汽冷凝传热实验对未经表面处理的纯铜板和实施例1中经表 面处理的铜板的传热性能进行比较。经表面处理后，铜板表面的蒸汽冷凝形貌见图2，由图 2可以看出该铜板表面的冷凝模式为滴膜共存模式。两种表面的冷凝传热效果见图3。该垂直平板蒸汽冷凝传热实验的装置主要由蒸汽产生系统、冷却系统和数据采集 监控系统三部分组成。实验方法为将铜板固定在一基板上；蒸汽由蒸汽发生器产生，经过热器进入冷 凝室，在铜板表面冷凝，冷凝液经铜板下方的漏斗进入烧杯，进行计量并将其换算成冷凝传 热量，冷凝室中多余的蒸汽则经冷凝室下方出口进入辅助冷凝器进行冷凝并排出；用水泵 输送冷却水，冷却水经转子流量计进入喷头，均勻地喷洒到基板上对铜板进行冷却；通过改 变冷却水的流量来调节过冷度大小，并通过压力表和蒸汽阀门调节控制冷凝室内的压力， 同时实验过程中冷凝室内压力始终保持在latm。综合冷凝传热量和过冷度的大小绘制出冷 凝传热特性曲线，见图3。由图3可以看出经本发明方法处理过的铜板表面的传热效果比纯铜板表面的传
5热效果好出很多，这是因为在本发明方法处理过的铜板表面上的冷凝液滴的脱落一方面减 少了冷凝表面存在的冷凝液膜热阻，另一方面液滴的脱落使得气相边界层的速度场发生了 改变，边界层的湍动作用促进了蒸汽分子的宏观运动，减少了相际传质阻力，使得蒸汽冷凝 传热特性得到明显改善。
权利要求
一种金属表面处理方法，其特征在于其包括下述步骤用轧辊重复轧制金属的表面，使所述金属的表面形成纳米孪晶；其中，所述纳米孪晶的片层厚度小于200nm；在进行所述轧制时，所述轧辊在绕一公转轴公转的同时与所述金属之间进行速度为0.1～50mm/分钟的水平相对运动，所述轧辊的公转速度为100～300rpm，所述公转轴为一水平方向上的公转轴，所述水平相对运动的运动方向垂直于所述轧辊的公转平面。
2.如权利要求1所述的金属表面处理方法，其特征在于在所述轧制过程中，保持所述 金属的温度为50K 80K。
3.如权利要求2所述的金属表面处理方法，其特征在于通过冷却介质保持所述金属 的温度。
4.如权利要求3所述的金属表面处理方法，其特征在于所述冷却介质为液氮或液氦。
5.如权利要求1 4中任一项所述的金属表面处理方法，其特征在于所述轧制的重 复次数为30 300次。
6.如权利要求5所述的金属表面处理方法，其特征在于所述的重复次数为100 150次。
7.如权利要求1 6中任一项所述的金属表面处理方法，其特征在于所述金属为铜 或碳钢。
8.如权利要求1 7中任一项所述的金属表面处理方法，其特征在于所述水平相对 运动采用下述方式中的任一种进行方式一、所述轧辊仅在公转平面内转动，所述金属在垂直于公转平面的水平方向上移动；方式二、固定所述金属，所述轧辊在公转的同时沿公转轴在水平方向上移动。
9.如权利要求1 8中任一项所述的金属表面处理方法，其特征在于当所述金属为 铜时，所述轧制的重复次数为100 120次，得到的纳米孪晶的片层厚度为50 lOOnm，保 持所述金属的温度为75 80K，所述轧辊的公转速度为ISOrpm，所述水平相对运动的速度 为10 15mm/分钟。
全文摘要
本发明公开了一种金属表面处理方法，其包括下述步骤用轧辊重复轧制金属的表面，使所述金属的表面形成纳米孪晶；所述纳米孪晶的片层厚度小于200nm；在进行所述轧制时，所述轧辊在绕一公转轴公转的同时与所述金属之间进行速度为0.1～50mm/分钟的水平相对运动，所述轧辊的公转速度为100～300rpm。本发明克服了现有的在金属表面制备疏水性涂覆层技术所存在的涂覆层与金属基体结合强度低、寿命短的缺陷，以及通过改变金属表面化学成分的离子注入技术所存在的成本高等缺陷，通过改变金属表面的显微组织结构及应力状态，降低表面自由能，实现金属表面的滴膜共存或滴状冷凝模式，显著强化了蒸气在金属表面的冷凝传热过程，提高了传热效果。
文档编号C21D8/00GK101914664SQ20101024064
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者廖礼宝, 张莉, 徐宏, 徐鹏, 李 东, 阮艺平, 齐宝金 申请人:华东理工大学