納米仿生皮膚傳熱傳質特性研究

【摘要】：移動通訊設備的迅速發展,使得高性能手機有可能代替計算機成為下一代通用移動電子設備,然而其實現仍有一道技術瓶頸,那就是散熱。本文在傳統散熱技術基礎上,結合最新納米技術的發展,提出了一種新的用于手機表面溫度控制的發汗冷卻(Transpiration Cooling)技術—納米仿生皮膚。其基本思路是模仿生物體體溫調節的機理,當設備發熱較多或者設備所處環境溫度較高時,從納米多孔表面(即“皮膚”)釋放出水分(即“汗”),利用水分的蒸發相變和質傳遞帶走大量的熱量。蒸發(即“發汗”)過程中散失的水分,可以在電子設備充電的時候,從空氣中冷凝在微納米結構壁面上,繼而輸運到貯水介質納米級溫度敏感型水凝膠中?；谠擁椉夹g,本文重點研究冷凝取水過程中微納米拓撲結構對取水效率的影響以尋找高效的冷凝壁面,以及發汗冷卻過程中納米多孔介質內的蒸發問題,最后對整個納米仿生皮膚進行測試。 本文具體的研究內容和結論包括： (1)納米仿生皮膚冷凝取水,其本質上為含不凝結氣體的蒸汽冷凝問題。本部分提出了兩種可以直接在金屬銅基底上合成的微納米拓撲結構-潤濕性梯度結構和微納米二級穹頂結構,冷凝實驗結果表明前者冷凝效率為光滑銅表面的1.3倍,而后者表面上可以形成持續穩定的珠狀凝結,其冷凝效率可以達到光滑銅表面的1.8倍和普通疏水表面的2倍。通過對冷凝壁面上的液滴行為進一步的理論分析和數值模擬,證明了微納米拓撲結構可以明顯影響冷凝液滴的生長、融合和掃落過程,進而影響含不凝結氣體的蒸汽冷凝效率。 (2)納米仿生皮膚發汗冷卻,其本質上為納米多孔介質內水分蒸發問題。通過光學實驗方法研究了納米仿生皮膚釋水及蒸發性能,證明了其發汗冷卻功能的可行性；為了進一步強化納米仿生皮膚的發汗冷卻性能,本部分提出了兩種可以明顯強化液體蒸發的納米多孔結構—親水及疏水的規則納米通道,在相對濕度RH=91%時,兩者單位面積水分蒸發速率可以分別達到宏觀水面的30倍和40倍；同時,發現納米顆粒堆積體系可以降低液體的蒸發速率。在整個過程中分析討論了納米結構內液體的蒸發機理,并得出了通過改變納米結構,被動的控制液體蒸發速率的方法。 (3)納米仿生皮膚性能測試。建立了一套高效穩定的納米仿生皮膚凝水和發汗冷卻系統并進行了不同環境情形下的測試。結果表明該冷凝系統在30%-100%相對濕度范圍內均能滿足高性能電子設備的冷卻需水量(10g)；在不同溫度和環境相對濕度下,納米仿生皮膚發汗冷卻的換熱系數均可達到自然冷卻(包括自然對流和輻射)的兩倍以上。 本文不僅提出了一種可行的無風扇高性能手機散熱技術,而且對其內部的基礎的氣液相變問題進行了研究。這些不僅能為新型的電子設備散熱技術提供指導,而且可以為納米結構內的傳熱傳質提供新的啟示。