摘 要

泡沫金属作为一种具有孔径分布均匀和孔隙率高的功能材料，在相变传热领域受到广泛的关注。本文针为强化有芯热管传质传热性能，制备了一种新型吸液芯。该吸液芯是通过磁控溅射的方法，在PPI为150的泡沫铜表面生长出纳米氧化锌，将纳米氧化锌的亲水性与泡沫金属的优点结合起来，来达到强化有芯热管的传质传热性能的目的。具体研究内容和结论如下：

（1）设计并搭建沸腾试验平台，用于测试泡沫金属的沸腾传热性能。沸腾试验平台包含试验腔体、加热系统、数据采集系统、温度控制系统四个部分。

（2）对使用磁控溅射方法制备的泡沫金属吸液芯孔径、丝径、毛细性能、表面润湿性能进行测试。在泡沫铜表面射频磁控溅射生长纳米氧化锌可以明显提高泡沫铜的毛细性能。

（3）在实验范围内，不同润湿性能的表面中，溅射48h的泡沫金属试样的传热性能优于其他试样。此外，磁控溅射泡沫铜表面的热流密度、换热系数以及临界热流密度均小于光滑铜表面，即光滑铜表面的换热性能强于泡沫铜表面。

关键词：泡沫金属 池沸腾 强化传热

Method and Experimental Study

on Heat and Mass Transfer Performance of Metal Foam

Abstract

As a functional material with a large aperture and a high porosity, foam metal has received extensive attention in the field of phase change heat transfer. In this paper, magnetron sputtering technology has been used to prepare foam metal which can be used as wick of heat pipe directly.The wick is formed by sputtering nano-zinc oxide on the surface of a foam copper with a PPI of 150. This method combines the hydrophilicity of nano zinc oxide with the advantages of foam metal The specific research contents and conclusions are as follows:

(1) A pool boiling test system is designed and builded to test the heat transfer performance of the foam metals.

(2) Mass transfer performance of the wick has been tested, including aperture, wire diameter contact angle and capillary. The capillary property of the wick is significantly stronger than the foam copper.

(3) In terms of heat transfer performance, the foam metal after magnetron sputtering is lower than that of the smooth surface, but compared with the original foam mental, after 48h magnetron sputtering, both the critical heat flux and the maximum heat transfer coefficient increased.

Key Words: Foam Metal; pool boiling; Heat transfer enhancement

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2热管吸液芯的现状 2

1.2.1简单结构吸液芯的现状 2

1.2.2复合结构吸液芯的现状 3

1.3泡沫金属的现状及传热进展 4

1.3.1泡沫金属的特性与用途 4

1.3.2泡沫金属强化相变传热进展 5

1.4本文研究内容 6

第二章 强化沸腾换热试验平台及实验方法 8

2.1不同润湿性能泡沫金属的制备 8

2.2强化沸腾换热试验平台的设计与搭建 9

2.2.1.加热系统 9

2.2.2.数据采集系统 10

2.2.3.试验腔体 10

2.2.4.温度控制系统 11

2.3实验方法及步骤 11

2.4实验数据处理方法 11

2.5实验结果误差分析 12

2.5.1.直接测量误差 12

2.5.2.间接测量误差 12

2.6本章小结 14

第三章 不同润湿性能泡沫金属的性能研究 15

3.1泡沫金属传质性能研究 15

3.1.1孔径和丝径 15

3.1.2接触角 15

3.1.3毛细性能 16

3.2泡沫金属传热性能研究 17

3.2.1沸腾换热曲线 17

3.2.2光滑表面及泡沫铜表面沸腾换热性能分析 18

3.2.3不同润湿性表面沸腾换热性能分析 20

3.3本章小结 21

第四章 结论与展望 22

4.1结论 22

4.2本文的不足及展望 22

参考文献 23

致谢 26

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

目前，随着航空航天、能源、电子等领域的技术进步，各领域的设备呈现出高度集成化，散热问题成为了他们进一步发展的阻碍。开发高效散热技术和制造新型散热元件已成为这些领域技术进步的关键，也是国内外研究者关注的热点^[1,2]。这些设备通常具有较高热流密度，而他们高度集成的特点无法满足安装足够多的散热装置，这就需要设计出更高要求的散热器。热管作为一种高效传热元件，其散热能力强、传热温差小、结构紧凑、环境适应性好、无需额外维护等优点决定了它广泛的应用前景^[3]。

自20世纪60年代以来，热管由于极高的导热能力、优异的等温性能、可异形制作等特点广泛应用于工程中。按照工作液体回流动力不同，热管可分为有芯热管、两相闭式热虹吸管（又称重力热管）、旋转热管、电流体动力热管、磁流体动力热管、渗透热管等^[4-6]。无管芯热管需要在外力环境下工作，因此其应用场景也受到约束，如重力热管必须在重力辅助条件下使用。有芯热管因其对放置位置没有特殊要求，更多的应用于各个领域。有芯热管和无管芯热管最大的差别在于有无吸液芯，作为有芯热管独有的结构，其与热管性能密切相关。根据热管吸液芯结构的复杂程度不同，吸液芯有简单结构和复合结构两种^[7]。简单结构吸液芯很难同时满足高渗透率、高毛细力以及低导热热阻，因此设计出新的吸液芯结构或复合各种简单结构吸液芯来强化热管传热性能已成为一种发展趋势。

泡沫金属作为众多研究者关注的新型材料，其特点主要有独特的孔隙结构、大比表面积、较小的密度、高孔隙率等。不同孔隙率的多孔泡沫金属显微结构如图1-1所示。相比于传统简单结构吸液芯，泡沫金属吸液芯的优势在于更大的毛细极限、更低的液体流动阻力和更低的传热热阻。这些优势使得泡沫金属吸液芯能更好地增加工作液体的流量、减小冷凝液回流压力以及更快的传递热量，能够同时提高热管在传质传热两方面的性能。此外，用密度较低的泡沫金属制成的设备质量较轻^[8]。因此，为更好的使用泡沫金属以及优化热管传热传质性能，研究泡沫金属吸液芯就显得至关重要。

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