本发明涉及一种强化水蒸气冷凝的三维碳纳米管薄膜网状结构及其制备方法，属于水蒸气冷凝传热强化技术领域。
背景技术：
水蒸汽冷凝广泛存在于工业生产、生活中的各个关键环节。水蒸气冷凝传热是核能源动力、空调制冷等领域中十分重要的换热方式。强化水蒸气冷凝传热不仅有利于提高相关设备的工作效率，还能够节约工业生产的能耗与成本。目前，人们已经证实，水蒸气滴状冷凝模式比水蒸气膜状冷凝模式的传热系数高5-7倍。因此，能够实现水蒸气滴状冷凝模式的冷凝表面是较为理想的冷凝换热表面。
近年来，人们已发展了多种不同技术方案用于加工、处理水蒸气冷凝表面，并实现了不同程度的水蒸气冷凝传热强化。这些技术方案主要可分为两类：一是对传统金属表面进行处理形成一层低表面能的冷凝涂层。二是设计并加工特定微纳结构的超疏水冷凝表面。然而，上述这些冷凝表面存在稳定性差、加工工艺复杂、强化传热的过冷度范围小等不足，且大多数技术方案仅能够加工平滑或曲率小的冷凝表面，限制了其在工业生产中的实际应用。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种强化水蒸气冷凝的三维碳纳米管薄膜网状结构的制备方法，具体包括如下步骤：s1、在硅基底上制备碳纳米管垂直阵列；s2、拉拽碳纳米管垂直阵列使其形成单层碳纳米管薄膜；s3、将单层碳纳米管薄膜交叉铺展于基底上，制成多层碳纳米管薄膜网状结构；s4、对多层碳纳米管薄膜网状结构进行水雾化收缩加固贴合。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，包括如下步骤：
s1、在硅基底上制备碳纳米管垂直阵列；
s2、拉拽碳纳米管垂直阵列使其形成单层碳纳米管薄膜；
s3、将单层碳纳米管薄膜交叉铺展于基底上，制成多层碳纳米管薄膜网状结构；
s4、对多层碳纳米管薄膜网状结构进行水雾化收缩加固贴合。
优选的，所述多层碳纳米管薄膜网状结构中单层碳纳米管薄膜的铺展层数为1～5层。
优选的，s3中相邻的两个单层碳纳米管薄膜交叉90°铺展于基底上。
优选的，所述多层碳纳米管薄膜网状结构中最外层铺展的单层碳纳米管薄膜的方向平行于重力方向。
优选的，所述基底采用但不限于铜或银或不锈钢材料制成。
优选的，采用化学气相沉积法制备碳纳米管垂直阵列。
优选的，对多层碳纳米管薄膜网状结构进行水雾化收缩加固的方法包括如下步骤为：
s41、利用微量雾化水对多层碳纳米管薄膜网状结构表面进行均匀喷洒，至其完全润湿；
s42、将多层碳纳米管薄膜网状结构中的水分蒸干，使单根碳纳米管之间相互贴合、使单层碳纳米管薄膜与基底之间相互贴合。
优选的，所述雾化水利用但不限于蒸汽加热器或超声雾化器或喷雾器制成。
优选的，所述雾化水为去离子水。
优选的，s42中水分蒸干的方法包括但不限于自然蒸发、表面加热促进水分蒸发。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明利用简单、低成本工艺发展了一种强化水蒸气冷凝的基于三维碳纳米管薄膜网状结构表面，仅将多层定向碳纳米管薄膜覆盖于基底，然后采用水雾化进行收缩处理，即可制得一种强化水蒸气冷凝的三维碳纳米管薄膜网状结构表面。该方法所制备的三维碳纳米管薄膜网状结构表面具有化学性质稳定、附加热阻小等优点。该三维碳纳米管薄膜网状结构表面能够缩小水蒸气冷凝液滴的脱离直径、提高冷凝液滴的脱离速度，获得较高的冷凝传热热流密度，具有较好的水蒸气冷凝强化效果。
附图说明
图1为碳纳米管垂直阵列及薄膜的制备方法；
图2为多层碳纳米管薄膜网状结构的铺展方法；
图3为多层碳纳米管薄膜网状结构的雾化处理方法；
图4为三维碳纳米管薄膜网状结构的扫描电子显微镜照片；
图5为本发明实施例中三维碳纳米管薄膜网状结构上的水蒸气冷凝现象；
图6为本发明实施例中纯铜表面的水蒸气冷凝现象；
图7为本发明实施例中水蒸气冷凝强化效率对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种强化水蒸气冷凝的三维碳纳米管薄膜网状结构及其制备方法。通过在基底4表面构造三维碳纳米管薄膜网状结构5，以达到强化水蒸气冷凝的目的。该碳纳米管薄膜网状结构5材料可覆盖于各种类型材料基底4，经简单处理后即可起到强化水蒸气冷凝传热的效果。该三维碳纳米管薄膜网状结构5制备步骤如下：
(1)制备单层碳纳米管薄膜3；
(2)将多个单层碳纳米管薄膜3依次铺展到基底4上，制成多层碳纳米管薄膜网状结构(5)；
(3)使用微量水蒸汽对多层碳纳米管薄膜网状结构5进行收缩贴合处理。
其中，单层碳纳米管薄膜3的制备原料为碳纳米管垂直阵列2。利用一套电动平台拉拽碳纳米管垂直阵列2形成单层碳纳米管薄膜3。采用化学气相沉积法进行碳纳米管垂直阵列2的制备，所制备单根碳纳米管的直径为10～20nm。将单层碳纳米管薄膜3铺展至基底4表面，采用高能激光沿基底边缘切割多余的碳纳米管薄膜，如图1所示。重复单层碳纳米管薄膜3的铺展过程，可将多个单层碳纳米管薄膜3依次铺展于基底4表面，如图2所示。
通过拉拽法获得的单层碳纳米管薄膜3中所有单根碳纳米管沿着定向排列，不同层数不同方向的碳纳米管薄膜铺展在基底4上会形成不同结构的碳纳米管薄膜表面。当相邻两层碳纳米管薄膜中碳纳米管的铺展方向相互垂直时，所得到的多层碳纳米管薄膜表面结构5为三维网状结构，如图2所示。
本发明中，所述的多层碳纳米管薄膜表面的铺展层数与方向不限，相互垂直交叉铺展的三层碳纳米管薄膜形成的三维网状结构表面具有最明显的水蒸气冷凝强化效果。利用碳纳米管薄膜遇水收缩效应，对多层碳纳米薄膜水雾化处理，使其紧紧贴合至基底表面，达到强化多层碳纳米管薄膜贴合力的目的，当水分完全蒸发后，最终形成多层碳纳米管薄膜网状结构5表面。优选的，使用超声雾化器对多层碳纳米管薄膜进行喷洒，于室温下自然蒸干。
具体实施案例：
1.以紫铜平板为基底制备三维碳纳米管薄膜网状结构表面
如图1所示，利用化学气相沉积法在硅基底1上制备碳纳米管垂直阵列2，利用电动平台拉拽碳纳米管垂直阵列2形成单层碳纳米管薄膜3。将三层碳纳米管薄膜3铺展至2.5cm×2.5cm的紫铜基底上。先将单层碳纳米管薄膜3覆盖至紫铜基底上，然后用高能激光沿着紫铜基底的边缘切割多余碳纳米管薄膜。然后进行第二层碳纳米管薄膜的铺展，碳纳米管薄膜的铺展方向垂直于第一层碳纳米管薄膜的铺展方向。最后铺展第三层碳纳米管薄膜，使其铺展方向与第二层碳纳米管薄膜的铺展方向垂直，而与第一层碳纳米管薄膜的铺展方向一致。由此完成多层碳纳米管薄膜网状结构5的铺展过程。利用超声雾化器6产生雾化水7对多层碳纳米管薄膜网状结构5进行润湿，至其完全润湿。在室内干燥条件下放置，使其自然蒸干后，就可以在紫铜基底上制备了三维碳纳米管网状结构表面8，如图3和图4所示。
2.三维碳纳米管薄膜网状结构强化水蒸气冷凝性能测试
采用垂直表面水蒸气冷凝传热测试装置分别对未经处理的紫铜表面和实例1中的以紫铜为基底的三维碳纳米管薄膜网状结构8表面进行冷凝性能测试。实验测试装置的组成有：蒸汽腔，带有热电偶插孔的方形铜块，聚氯乙烯绝热块、蒸汽发生器、冷却水循坏系统、测温系统。装置的工作原理，通过蒸汽发生器即加热蒸汽将其通入蒸汽室，冷凝表面的温度通过冷却水降温。实验在大气压力下进行，冷凝表面与蒸汽的过冷度为25℃±3℃。如图5所示，三维碳纳米管薄膜网状结构表面上的水蒸气冷凝明显呈滴状冷凝，冷凝液滴小而密。而铜表面则呈现出大量水膜，大量的水“驻留”在表面显示了铜表面较差的冷凝效果，如图6所示。图7展示了过冷度为25℃的条件下，三维碳纳米管薄膜网状结构表面和铜表面的冷凝传热效率结果对比。三维碳纳米管薄膜网状结构表面冷凝传热效率显著提高了36％。
从冷凝性能测试结果我们可以的出，三维碳纳米管薄膜网状结构表面，由于具有“蜂窝”状的微纳结构，可以有效增加水蒸气冷凝液滴的分布密度、促进冷凝液滴合并脱离过程，使得更多的水蒸汽及时持续冷凝，从而使得强化了水蒸气冷凝传热过程。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
技术特征：
1.一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
s1、在硅基底(1)上制备碳纳米管垂直阵列(2)；
s2、拉拽碳纳米管垂直阵列(2)使其形成单层碳纳米管薄膜(3)；
s3、将单层碳纳米管薄膜(3)交叉铺展于基底(4)上，制成多层碳纳米管薄膜网状结构(5)；
s4、对多层碳纳米管薄膜网状结构(5)进行水雾化收缩加固贴合。
2.根据权利要求1所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，所述多层碳纳米管薄膜网状结构(5)中单层碳纳米管薄膜(3)的铺展层数为1～5层。
3.根据权利要求1所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，s3中相邻的两个单层碳纳米管薄膜(3)交叉90°铺展于基底(4)上。
4.根据权利要求1所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，所述多层碳纳米管薄膜网状结构(5)中最外层铺展的单层碳纳米管薄膜(3)的方向平行于重力方向。
5.根据权利要求1所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，所述基底(4)采用但不限于铜或银或不锈钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，采用化学气相沉积法制备碳纳米管垂直阵列(2)。
7.根据权利要求1～6之一所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，对多层碳纳米管薄膜网状结构(5)进行水雾化收缩加固的方法包括如下步骤为：
s41、利用微量雾化水对多层碳纳米管薄膜网状结构(5)表面进行均匀喷洒，至其完全润湿；
s42、将多层碳纳米管薄膜网状结构(5)中的水分蒸干，使单根碳纳米管之间相互贴合、使单层碳纳米管薄膜(3)与基底(4)之间相互贴合。
8.根据权利要求7所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，所述雾化水利用但不限于蒸汽加热器或超声雾化器或喷雾器制成。
9.根据权利要求7所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，所述雾化水为去离子水。
10.根据权利要求7所述的一种强化水蒸气冷凝的碳纳米管薄膜网状结构制备方法，其特征在于，s42中水分蒸干的方法包括但不限于自然蒸发、表面加热促进水分蒸发。
技术总结
一种强化水蒸气冷凝的三维碳纳米管薄膜网状结构的制备方法，属于水蒸气冷凝传热强化技术领域。具体包括如下步骤：S1、在硅基底1上制备碳纳米管垂直阵列2；S2、拉拽碳纳米管垂直阵列2使其形成单层碳纳米管薄膜3；S3、将单层碳纳米管薄膜3交叉铺展于基底4上，制成多层碳纳米管薄膜网状结构5；S4、对多层碳纳米管薄膜网状结构5进行水雾化收缩加固贴合。本发明所制备的三维碳纳米管薄膜网状结构表面具有化学性质稳定、附加热阻小等优点。
技术研发人员：徐彦彤;张光;李龙;姚伟;徐昌键;温中凯
受保护的技术使用者：中国空间技术研究院
技术研发日：.10.21
技术公布日：.02.28
