一种微通道散热器表面防腐处理的方法

1.本发明属于微通道散热技术领域，具体涉及一种微通道散热器表面防腐处理的方法。


背景技术：

2.微通道散热器的工程背景来源于上世纪80年代高密度电子器件的冷却和90年代出现的微电子机械系统的传热问题。随着微制造技术的发展，人们已经能够制造出水力学直径10～1000μm通道所构成的微尺寸换热器。如果用微压缩冷凝系统替代微冷凝器，可实现主动冷却，支持高密度热量电子器件的高速运行。
3.微通道散热技术广泛应用在汽车空调行业，对于有高效换热需求的应用场景，微通道换热器也发挥着重要作用。微通道的工作过程主要为：微通道换热器与热源紧密接触，热量通过热传导传递至热沉，冷却剂经换热器进入微通道，以对流换热的方式将热量交换带走，由换热器出口流出，如此构成一个循环达到冷却的目的。作为换热设备，为了提升微通道换热器的换热性能，换热器材质主要以导热率较高的金属，尤其是高导热的无氧铜或者钢和不锈钢为主。但金属易于被酸性、碱性或盐溶液腐蚀，从而造成微通道换热器效率下降，达不到很好的换热效果。通过技术手段，对微通道散热器的表面进行处理，增强其对酸碱和盐的抗腐蚀能力，对于长期保持换热效率有着重要的意义。
4.换热器材质主要以导热率较高的金属，尤其是高导热的无氧铜或者钢和不锈钢为主。但未经处理的金属表面，易于腐蚀，换热效率不高，使得微通道换热器效率下降，达不到很好的换热效果。通过技术手段，对微通道散热器的表面进行处理，增强其换热能力，对于长期保持换热效率有着重要的意义。
5.现有的材料中，石墨烯和氮化硼本身的面内热导率很大，能显著提高换热器的面内热均匀性，从而提高换热效率。
6.石墨烯在提升固液换热系数方面也有着明显优势。它具有超高的热传导率，可以将热量迅速传输到液体中。这有助于提高液体的热量蓄积能力，从而提高固体液态相变换热的效率。石墨烯的优势不仅在于它可以将热量迅速传输到液体，而且它可以防止热量的漏失。它可以形成一种隔热层，防止热量从固体向液体的较低温度的方向传递，使液体的温度更快地升高，从而增加固体液态换热的效率。
7.此外，石墨烯在固体液态相变换热时可以有效控制自身热扩散，抵抗高温条件下的热扩散，从而更好的抑制热量的流失，提高热效率，减少能源的浪费。而且，石墨烯表面自带特殊的光学结构，根据入射环境光的不同特性，会诱导立体效应从而改善热器表面结构，提供更多的反射表面，增加热量储存，有效增加换热效率。
8.公开号为cn113446883a，公开日为2021-09-28的中国专利公布了一种基于弹性湍流的双流体回路搓牌波型微通道散热器，公开号为cn217818315u，公开日为2022-11-15的中国专利公布了一种用于散热的多孔折叠微通道扁管。但现有专利对微通道的制作和结构形式进行了描述，对微通道换热器内部的防腐处理关注的较少。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明公开了一种微通道散热器表面防腐处理的方法，以达到提高微通道换热器的防腐蚀能力，延长其使用寿命，维持其换热效率的目的。
10.本说明书实施例提供以下技术方案：一种微通道散热器表面防腐处理的方法，包括以下步骤：
11.步骤一、将铜基底放置于真空腔体内，对真空腔体进行抽真空；
12.步骤二、向真空腔体内通入氩气与氢气的混合气体，并对真空腔体进行加热；
13.步骤三、使真空腔体内保持第一设定温度，停止氩气与氢气的混合气体通入，并向真空腔体内通入甲烷气体，以使铜基底上生长石墨烯；
14.步骤四、待铜基底上的石墨烯生长完成后，停止向真空腔体内通入甲烷气体并进行自然降温；
15.步骤五、待真空腔体降温至第二设定温度时，对真空腔体进行抽真空操作；
16.步骤六、待真空腔体降温至第三设定温度时，停止对真空腔体进行抽真空并取出生长好的样品。
17.进一步地，步骤一中对真空腔体进行抽真空，并使真空腔体中气压小于10pa。
18.进一步地，步骤二中氩气与氢气混合气体的体积流量为90-110sccm，对真空腔的加热时间为4-6min。
19.进一步地，步骤三中，第一设定温度为950℃，甲烷气体的体积流量为4-6sccm，铜基底上生长石墨烯的生长时间为9-11min。
20.进一步地，步骤三还包括：在通入甲烷气体时，可以通过调节真空腔体的真空阀门使真空腔体内的压力升高，且使真空腔体内的压力小于大气压。
21.进一步地，步骤五中第一设定温度降温至第二设定温度的降温时间大于2小时。
22.进一步地，步骤五中第二设定温度为700℃。
23.进一步地，步骤六中第三设定温度为200℃。
24.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：
25.经过生长石墨烯防护层，微通道可显著降低出水水温温差，有效的防止界面热阻增大，提高微通道换热器的使用效率。
26.在微通道内部或表面生长石墨烯保护层，可以显著提高微通道换热器的防腐蚀能力，延长其使用寿命，维持其换热效率。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1是本发明实施例的方法流程图。
29.图2是本发明实施例的热测量系统示意图。
30.图3是本发明实施例的受石墨烯保护的样品(右)和普通样品(左)的对比图。
31.图中附图标记：1、液体流量监测和控制装置；2、微通道换热器；3、恒温加热器；4、
电源和控制电路。
具体实施方式
32.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
33.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
34.本发明采用在微通道内部或表面生长石墨烯，使微通道的换热能力得到提高。采用cvd化学气相沉积技术，其中，使用甲烷(ch4)作为碳源，生长石墨烯。如图1所示，生长石墨烯的工艺如下：
35.连接好真空腔体，放置好铜基底(微通道)，打开真空泵和真空挡板阀对真空腔体抽真空，直到真空腔体中压力小于10pa；
36.开启气体阀门与加热器，通入氩气与氢气的混合气体100sccm，加热时间5分钟升温到第一设定温度(950℃)；
37.温度上升到950℃后保持该温度，关闭氩气与氢气的混合气体，打开甲烷气体阀门，甲烷气体流量设置为5sccm，该过程中可适当关闭真空阀门，升高腔体内压力，但控制在大气压之内，生长时间为10分钟；
38.生长完成后，关闭甲烷气体阀门，开始自然降温，降温至第二设定温度(700℃)时，打开真空阀抽真空。降温过程不宜过快，持续时长一般在2小时以上；
39.降温到第三设定温度(200℃)以下，关闭真空泵，打开真空腔体，取出生长好的样品。
40.石墨烯生长过程中有三个重要工艺参数：
41.1.温度
42.在本系统中，选用甲烷作为生长碳源，在1000℃的温度下进行渗碳，在900～600℃的温度下进行析碳。
43.2.碳源浓度-气体种类和流量
44.在生长前，用氩气作为保护器对石英管腔体进行清洗，用氢气对基底表面进行还原。使用80sccm甲烷作为生长气体。
45.3.真空控制
46.真空度控制用来控制生长基底表面的前驱体浓度和表面分布，并用于配合不同生长工艺控制石墨烯生长厚度。
47.其中，控制石墨烯层的生长厚度，对换热能力的提升有一定的影响，石墨烯层在较薄的情形下，换热效率随弧度增大而增大，在约30nm厚度时达到最大值。
48.本发明的实施例中，微通道选用普通无氧铜加工制作，在其通道表面生长石墨烯形成防护层。利用飞秒激光抽运探测热反射法来测量微通道防护层热导率和换热能量。飞秒激光抽运探测热反射法测试中的物理过程分为两步：第一步是使用一束脉冲激光照射被测量样品的表面，通过将光能转换为热能加热样品，这一步被称为抽运过程，热能逐渐向样品内部传递，受到材料热物性的影响不同样品的热输运过程不同，导致样品内部的温度分布不同，温度会影响样品的光学性质(反射率)；第二步是使用另一束脉冲激光照射样品来观察样品光学性质的变化，这一步被称为探测过程。
49.图2是换热测量系统示意图，其中，液体流量监测和控制装置1通过水流管路与微通道换热器2连接，微通道换热器2下方设置有恒温加热器3，恒温加热器3上设置有电源和控制电路4。且微通道换热器2的入水侧设置入水温度测量模块，微通道换热器2的出水侧设置出水水温测量模块。经测量得到的进出口液体温度及相关换热性能数据见下表：
[0050] 出水水温温度(℃)样品温度(℃)温差(℃)生长防护层27.235.17.9未生长防护层29.451.522.1
[0051]
从上述数据中可以看出，经过生长石墨烯防护层，微通道可显著降低出水水温温差，有效的防止界面热阻增大，提高微通道换热器的使用效率。配置浓度为3.5％的氯化钠溶液，测试生长了防护层的微通道的防腐蚀能力。
[0052]
对有无防护层的两个微通道样品进行盐水腐蚀96小时后，样品表面的腐蚀情况对比如图3所示。可以看出，受石墨烯保护的微通道样品和不受保护的样品表面有着明显差异。可以看到普通样品表面锈蚀痕迹，而经保护后的样品未见明显腐蚀情况。
[0053]
综上表明，在微通道内部或表面生长石墨烯保护层，可以显著提高微通道换热器的防腐蚀能力，延长其使用寿命，维持其换热效率。
[0054]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

技术特征：
1.一种微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将铜基底放置于真空腔体内，对所述真空腔体进行抽真空；步骤二、向所述真空腔体内通入氩气与氢气的混合气体，并对所述真空腔体进行加热；步骤三、使所述真空腔体内保持第一设定温度，停止氩气与氢气的混合气体通入，并向所述真空腔体内通入甲烷气体，以使所述铜基底上生长石墨烯；步骤四、待所述铜基底上的石墨烯生长完成后，停止向所述真空腔体内通入甲烷气体并进行自然降温；步骤五、待所述真空腔体降温至第二设定温度时，对所述真空腔体进行抽真空操作；步骤六、待所述真空腔体降温至第三设定温度时，停止对所述真空腔体进行抽真空并取出生长好的样品。2.根据权利要求1所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤一中对所述真空腔体进行抽真空，并使所述真空腔体中气压小于10pa。3.根据权利要求1所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤二中氩气与氢气混合气体的体积流量为90-110sccm，对所述真空腔的加热时间为4-6min。4.根据权利要求1所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述第一设定温度为950℃，所述甲烷气体的体积流量为4-6sccm，所述铜基底上生长石墨烯的生长时间为9-11min。5.根据权利要求1所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤三还包括：在通入甲烷气体时，可以通过调节所述真空腔体的真空阀门使所述真空腔体内的压力升高，且使所述真空腔体内的压力小于大气压。6.根据权利要求1所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤五中所述第一设定温度降温至所述第二设定温度的降温时间大于2小时。7.根据权利要求6所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤五中所述第二设定温度为700℃。8.根据权利要求1所述的微通道散热器表面防腐处理的方法，其特征在于，所述步骤六中所述第三设定温度为200℃。

技术总结
本发明公开了一种微通道散热器表面防腐处理的方法，该方法包括以下步骤：将铜基底放置于真空腔体内，对腔体进行抽真空；向真空腔体内通入氩气与氢气的混合气体，并对腔体进行加热；使真空腔体内保持第一设定温度，停止氩气与氢气的混合气体通入，并向腔体内通入甲烷气体，以使铜基底上生长石墨烯；待铜基底上的石墨烯生长完成后，停止向真空腔体内通入甲烷气体并进行自然降温；待真空腔体降温至第二设定温度时，对腔体进行抽真空操作；待真空腔体降温至第三设定温度时，停止对腔体进行抽真空并取出生长好的样品。本发明的有益效果为在微通道内部或表面生长石墨烯保护层，可显著提高微通道换热器的防腐蚀能力，延长其使用寿命，维持其换热效率。维持其换热效率。维持其换热效率。


技术研发人员：何泽明 张航 杨明
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/18