石墨烯强化沸腾传热研究进展及应用综述
黄潇立1, 陈泽亮1, 桂南1, 宫厚军2, 杨星团1, 屠基元1,3, 姜胜耀1    
1. 清华大学 核能与新能源技术研究院,先进反应堆工程教育部重点实验室,先进核能技术协同创新中心,北京 100084,中国;
2. 中国核动力研究设计院,成都 610000,中国;
3. 皇家墨尔本理工大学 工学院,墨尔本 VIC 3083,澳大利亚
摘要:石墨烯作为一种21世纪初发现的新材料,因其在多个领域拥有优异的性能,成为目前的研究热点之一。该文结合国内外相关文献,综述了目前石墨烯材料在强化沸腾换热领域的研究进展,重点介绍了石墨烯流体和石墨烯涂层相关的研究。目前的研究主要分为2类:石墨烯作为纳米颗粒强化基液的换热以及石墨烯作为附着层强化基材的换热。关于石墨烯是否有强化的能力及其强化程度的大小,研究结果总体上是正向的。该研究为后续石墨烯强化换热的相关研究提供借鉴。
关键词石墨烯    强化换热    沸腾    纳米颗粒    涂层    
Review of graphene enhanced boiling heat transfer
HUANG Xiaoli1, CHEN Zeliang1, GUI Nan1, GONG Houjun2, YANG Xingtuan1, TU Jiyuan1,3, JIANG Shengyao1    
1. Collaborative Innovation Center of Advanced Nuclear Energy Technology, Key Laboratory of Advanced Reactor Engineering and Safety of Ministry of Education, Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
2. Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610000, China;
3. School of Engineering, RMIT University, Melbourne VIC 3083, Australia
Abstract: Graphene is a new material discovered at the beginning of the 21st century that is now a key research topic due to its excellent properties in many fields. This article reviews the domestic and foreign literature on boiling with graphene solutions and graphene coatings to show the current research progress on graphene materials for heat transfer enhancement. The current research can be classified into two categories. One is on the effects of graphene as nano particles for enhancing the heat transfer of base fluids. The other is on the effect of a graphene layer on the heat transfer from substrates. In most cases, the heat transfer is enhanced by the graphene with these results providing a reference for research on graphene-enhanced heat transfer.
Key words: graphene    heat transfer enhancement    boiling    nano particle    adhesion layer    

2004年,两位英国科学家发现了石墨烯[1],其结构由单层碳原子组成,排列成蜂窝状(图 1)。石墨烯材料具有独特的原子结构和化学特性,因此在电学、光学、机械和热性能方面展现出不同于其他材料的优势[2],这使得石墨烯在电子传感器和检测器、光电和生物系统等领域得到广泛应用。此外,石墨烯还可以作为化学和环境腐蚀的保护剂[3]。2008年,Balandin等[4]通过实验得到了单层石墨烯的热导率高达5 300 W/(m·K)。该结果引发了传热学相关研究人员的强烈兴趣,促进了有关石墨烯在强化换热领域的研究。


1 国内外研究现状

石墨烯是一种以碳原子sp2杂化紧密排列而成的蜂窝状晶体结构,与石墨、金刚石、碳60和碳纳米管互为同素异形体。石墨烯的制备方法主要分为两大类:物理制备法和化学制备法。

物理制备法主要有机械剥离法和液相剥离法。机械剥离法使用特殊的胶带对石墨片进行不断重复剥离,最后得到单层的石墨烯。该方法也是Novoselov等[1]发现石墨烯时使用的方法,但其可控性差、产量极低,只适用于针对石墨烯本征性质的研究,无法量产。液相剥离法将石墨分散在特定的溶剂中,通过使用超声波能量将单层或者多层的石墨烯从石墨表面剥离,可获得石墨烯分散液[5-6]。虽然该方法可获得具有较好结构的石墨烯,但是对溶剂的消耗巨大,也不是量产的首选。

化学制备法主要有氧化还原法和化学气相沉积法。氧化还原法[7]使用酸和氧化剂对石墨进行处理,在石墨表面引入羟基、羧基等含氧基团,以增大石墨的层间距、降低石墨层间的相互作用。将处理后获得的氧化石墨烯再使用高温或化学方法进行还原,可得到石墨烯。该方法获得的石墨烯产量高、操作简单,但是无法完全消除的含氧基团会造成石墨烯存在缺陷。化学气相沉积法[8]使用甲烷、乙烯等含碳气体作为碳源,在高温气态环境下使碳原子有序沉积在镍、铜或者合金的基底上。该方法可以控制石墨烯层数,获得大面积、高质量的单层或少层石墨烯,并且可以转移至其他材质的基底上。但该方法成本高,对于设备和操作的要求也高。目前,北京石墨烯研究院已取得了有关于化学气相沉积法制备石墨烯的诸多专利,基本实现了石墨烯的量产[9-11]。除此之外,电化学沉积法也可用于制备石墨烯,多用于石墨烯复合材料的制备。

强化换热的研究主要分为两大类:改变工质成分和改造换热表面。于是,石墨烯材料在强化换热领域的研究也分为两个方向:石墨烯作为实验工质和作为加热表面涂层。在反应堆热工水力领域,临界热流密度和表面换热能力是影响反应堆安全的至关重要的科学理论和工程实际问题[12-14],因此,与石墨烯材料相关的CHF研究及表面换热强化研究也引起了核能领域研究者的广泛关注。

1.1 石墨烯纳米流体相关研究

以Hoseon Ahn为首的研究团队在强化换热领域有诸多研究,其中也包含对石墨烯的大量研究。Ahn等[15]针对不同浓度的还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide,RGO)纳米流体进行实验。采用0.000 1%、0.000 5%、0.001% 3种不同质量浓度的RGO纳米流体进行池沸腾实验, 使用的加热表面是二氧化硅。通过对实验结果的整理,他们分析了RGO纳米流体的传热特性、RGO多孔介质的吸水率、实验结束后的加热表面特征、RGO涂层对临界热流密度(critical heat flux,CHF)增强的影响以及RGO涂层的发展与沸腾传热的关系。结果表明(图 2),与普通水相比,RGO纳米流体的CHF和沸腾传热系数均增加,并且随着其浓度的增加,会出现沸腾起始点(onset of nucleate boiling,ONB)提前、CHF加强速率增大和沸腾传热系数降低。通过表面结构分析发现,不同浓度的RGO纳米流体会在加热表面形成不同的涂层,随着纳米流体浓度的增加,获得的涂层分别被命名为基础石墨烯层(base graphene layer,BGL)、自组装泡沫状石墨烯结构(self-assembled foam-like graphene structure,SFG)和厚聚集石墨烯层(thickly aggregated graphene layer,TGL)。BGL表现出亲水性,SFG和TGL表现出疏水性,而在BGL和SFG中又观察到吸水现象,其原因是羟基活化带来的影响。SFG的双重特性有助于提升沸腾传热系数和CHF,而TGL有助于加热表面耐热性的提高。

图 2 Ahn等的RGO流体与水的沸腾曲线[15]

Ahn等[16]在研究中使用的石墨烯纳米流体,主要是通过化学还原工艺从氧化石墨烯制备的RGO纳米流体。他们使用了直径分别为0.1和0.2 mm、长105 mm的镍铬细丝作为加热器,分别进行了蒸馏水池沸腾CHF实验、0.000 5%质量浓度的RGO纳米流体池沸腾实验和通过成核沸腾法形成的RGO涂层在蒸馏水中的池沸腾实验。结果显示,相比于蒸馏水,RGO纳米流体的CHF提升了20%。RGO涂层产生的最大CHF提高为320%。在RGO涂层的润湿特性测试中他们发现,石墨烯本质上是具有疏水性的,但是通过激活RGO涂层上的羟基,能够改变其润湿性使其可以吸水,这一吸水现象可能就是RGO涂层使CHF增强的物理机理。

Ahn等[17]还使用二氧化硅作为基材的加热器,进行了RGO纳米流体和水的沸腾对比实验,发现RGO纳米流体的沸腾传热系数和CHF分别增加了65%和70%。并且,在RGO纳米流体沸腾实验之后,在加热器上出现10~100 nm的基础石墨烯层(BGL)。为了确认BGL对沸腾性能的影响,Ahn等使用过滤的方法先在纤维素膜上制造出人造BGL膜,再在压缩的条件下,将过滤得到的BGL膜附着在二氧化硅加热表面上,通过63 ℃的真空烤箱的1 h干燥,得到BGL膜厚度为50 nm左右的加热表面,再对加热表面进行水的池沸腾实验并且加热到CHF现象发生。结果表明,BGL薄膜相较于无膜加热器对沸腾传热系数和CHF都有增强作用,并且表现出与RGO纳米流体相似的沸腾性能。

Kim等[18]作为Ahn团队的成员,为了描述一种壁温随着时间没有迅速增加的准过度沸腾现象,使用RGO纳米流体进行池沸腾实验。RGO纳米流体在沸腾过程中的沉积会形成BGL和SFG的3D多孔结构,这会使准过度沸腾的CHF和沸腾传热系数增加。扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)图像显示,SFG的形态会对准过度沸腾现象有影响。在具有小孔的SFG中,黏性阻力占主导地位,从而导致出现较厚的蒸汽层和较大的壁面过热度。此外,汽泡成核和SFG的填充孔上形成的局部干斑会导致供水通道的破坏和干斑的随后生长。较大的热流密度加速了该机理,这可以解释壁面过热的增加速率与准过度沸腾状态下热通量之间的线性关系。

Kim等[19]为研究不同浓度的氧化石墨烯(graphene oxide,GO)纳米流体对CHF的影响,进行了池沸腾实验,并采用镍铬合金线作为加热器。实验发现,GO纳米流体会在加热表面形成层压膜,并且其厚度与观察到的CHF增加成比例,但是与加热器表面的润湿性和接触角无关。分析得知,GO层的厚度由其纳米流体的浓度决定,它对CHF的影响效果由其厚度和导热率决定。针对GO薄膜的CHF延迟现象,Kim等[20]研究了GO层压膜中水的纳米毛细管流动速度以及池沸腾对CHF的影响。研究发现,因为GO层压膜可以增强水的输送,阻止或推迟了加热表面出现干斑的现象,导致加热表面CHF提高。

Kim等[21]还使用了二氧化硅作为加热表面,对GO纳米流体的沸腾传热特性进行实验研究。实验中采用体积浓度分别为1、5、10 mg/L的GO纳米流体,并且与RGO纳米流体和去离子水的实验结果作比对。结果表明,与去离子水相比,GO纳米流体对CHF的增强作用分别为94%(1 mg/L)、139%(5 mg/L)、105%(10 mg/L),与RGO纳米流体相比增强效果要更加明显,但是沸腾传热系数与去离子水的基本相同。与RGO纳米流体在加热表面形成的3D结构不同,GO纳米流体在加热表面形成的是2D层压结构,并且没有明显的成核点数的增加。但是,在结构上,GO薄膜因其良好的排列表现出CHF延迟现象,与光滑表面相比,在接近CHF时,GO薄膜能有效抑制干斑的形成,从而延迟CHF现象的出现。

Kim等[22]选用了镍铬合金线作为加热器,将氧化铝纳米粒子和RGO纳米流体混合,研究其沸腾特性,并且与不同浓度的氧化铝悬浮液和RGO纳米流体的增强效果作对比。实验结果表明,在0.000 1%~0.01%体积浓度的氧化铝悬浮液中,CHF随浓度的增加而增加,并且在0.001%以上的体积浓度溶液中达到53%的增强效果;在0.000 05%~0.005%体积浓度的RGO纳米流体中,随着浓度的增加,CHF的增强效果在10%~37%之间变化;在0.000 5%浓度的氧化铝和RGO纳米流体等比例混合的混合溶液中,增强效果达到了473%。通过研究沸腾后的加热表面形态,他们发现在氧化铝/RGO纳米流体混合物的加热表面上形成了3种不同类型的团聚体:典型的氧化铝优势团簇(A型)、混合堆积结构(B型)和花状结构(C型)。其中B型团聚体同时表现出亲水和疏水性。在混合物的表面结构中还有很多孔通道,这些通道所带来的毛细管作用使得加热面的CHF现象延迟。混合物的表面结构还存在多变的固有接触角,这是颗粒结合的结果。

Kim等[23]将微柱阵列与多孔石墨烯结合,形成一种新的材料,并对其沸腾特性进行研究。该研究以硅片为基材,先使用干蚀刻在其表面制备出微柱阵列,再通过核沸腾法将RGO纳米流体涂覆到硅片基材上。通过改变微柱阵列的柱直径和间隙距离,研究发现多孔石墨烯的几何特征虽然不受这两者的影响,但沸腾过程中的热流密度和时间会影响多孔石墨烯的厚度,过厚的多孔石墨烯会降低表面CHF和沸腾传热系数,并且占据微柱阵列之间的自由空间,从而阻塞液体的供应通道和液体的循环路径。在低热流密度下产生的石墨烯涂层,一方面保留了微柱阵列之间的空隙以利用液体进入毛细管,将CHF的影响最小化;另一方面增加了表面的成核点,使得ONB提前。为了得到更好的优化复合材料,可采用多孔石墨烯覆盖微柱头,通过增加成核密度来提升沸腾传热系数,并将微柱阵列之间的间隙作为液体流入的通道,从而提高加热面CHF。

2012年,Park等[24]研究了在各种冷却剂化学环境下使用GO纳米流体增强反应堆压力容器外部冷却系统(external reactor vessel cooling, ERVC)的CHF的可行性。实验采用细线加热器,控制加热器的方向从水平到垂直变化。在实验之前检查了GO纳米流体在包括硼酸、氢氧化锂和磷酸三钠的化学条件下的分散稳定性。实验结果表明,GO纳米流体在ERVC冷却剂化学环境下是稳定的,并且与纯水相比,在90°(垂直方向)下CHF提高了40%,在0°(水平方向)下提高200%。在实验之后,在加热器表面上观察到沉积层的存在,证明该沉积层改变了加热器表面特性从而影响了表面的CHF特征。

2013年,Park等[25]还使用了体积浓度为0.001%的GO纳米流体来提高CHF,在小规模模拟的APR-1400反应堆压力容器下封头进行了循环测试。测试结果表明,在10 K的过冷度下,换热表面CHF升高了约20%。这意味着,将GO纳米颗粒加入流体工质中可以使工质的CHF提高。该研究还观察到GO纳米流体在加热面上形成涂层但是并没有影响其润湿性,其作者认为GO对CHF的增强作用是由于其颗粒涂覆在加热表面上引起的热活性变化。

Lee等[26]在2018年针对APR-1400反应堆压力容器下封头,采用GO纳米流体对其CHF特性进行实验研究。实验装置基于APR-1400的反应堆压力容器,按1/35比例缩小而成,实验装置简图见图 3。实验中采用了体积浓度分别为0.01%、0.03%和0.05%的GO纳米流体。结果表明,当GO体积浓度为0.05%时研究者观察到CHF的最大增强率,为38.2%。当达到CHF时,汽泡覆盖了最高热流密度的半球区域的顶端,并且出现大量汽泡的聚集,这限制了沸腾表面的液体供应。在达到CHF之后,最高热流密度区域的汽泡厚度增加,并且汽泡涂覆的面积在向下的方向上增加,导致成核沸腾面积减小。

图 3 Lee等的APR1400下封头石墨烯纳米流体强化CHF实验装置示意图[26]

Goodarzi[27]使用质量浓度分别为0.025%、0.05%、0.1%的GO纳米片悬浮液进行了流动沸腾的沸腾传热系数相关实验。结果表明,GO纳米片会在加热表面产生极强的结垢热阻,且随加热时间呈线性增长,以至于在达到临界点后,沸腾传热系数才开始下降。但GO纳米片形成的结垢层,会产生一系列多孔斑点,这些斑点会加强加热表面附近液体分子的Brown运动和热泳现象,从而使得CHF发生延迟。可见,GO纳米片悬浮液在热通量没有达到临界点的情况下,对CHF和沸腾传热系数都有明显的正向影响。

Zhang等[28]通过淬灭法对氧化石墨烯纳米片(graphene oxide nanosheet,GON)质量浓度小于等于0.001%的纳米流体进行了瞬态池沸腾实验。实验结果表明,CHF的增强随GON的浓度并非单调变化,而CHF的增强趋势与表面润湿性的变化一致。通过重复的淬火数据可以确定,沸腾表面上的GON沉积层是CHF增强的主要原因,但是尚缺乏定量表征。他们建议通过检测每次淬火运行后的表面润湿性和GON纳米流体的浓度变化,对纳米流体浓度较高的样品进行重复淬火实验,以更好地了解纳米流体对CHF的增强机理。

Fan等[29]也采用的是瞬态池沸腾实验,将加热过的不锈钢球放入GO纳米流体中,观察其淬火过程,GO纳米流体的质量浓度分别为0.000 1%、0.001%、0.005%、0.01%、0.05%和0.1%。结果发现,与纯水相比,使用GO纳米流体可以加快淬火过程。基于淬火表面的表面改性特性,Fan等分析了淬火过程中的沸腾行为,发现CHF随着纳米流体的浓度增加而增加,其原因是由于GON沉积引起的表面性质变化。然而,表面润湿性并不总是主导因素,GON沉积层的表面效应很大程度取决于材料特性、表面处理和原始表面情况。

Zhang等[30]将GO纳米流体引入微通道中,使用GO纳米流体作为工质,进行了微通道中的流动沸腾实验,纳米流体的质量浓度范围为0~0.05%。实验结果表明,当纳米流体的浓度增加时,传热性能反而下降。并且,在纳米流体不同浓度和不同流速下,加热表面会有不同的沉积作用,当浓度增加时,沉积物变厚并且使得成核密度降低。他们认为,提高CHF的表面沉积会对传热系数带来负面的影响。

1.2 石墨烯涂层相关研究

在针对石墨烯纳米流体的研究中发现,石墨烯流体对强化换热的作用主要依赖于其在加热表面上形成的涂层结构,该结构的复合性能是影响换热性能的主要因素。因此,研究重心从石墨烯纳米流体转向石墨烯涂层。形成石墨烯涂层主要有2种方式:化学沉积法和泡核沸腾法。

Ahn团队对于石墨烯最早的研究,是使用由核沸腾方法形成的自组装泡沫状石墨烯(SFG)结构[31],在400 ℃下煅烧形成SFG膜,其电导率为11.8 S/cm,与气相沉积法得到的石墨烯的导电率相当。SFG对基板材料没有要求,可以在多种基板上形成,例如透明导电氧化物(transparent conductive oxide,TCO)玻璃、金属、光滑玻璃和柔性聚合物。为了研究其亲疏水性,Ahn通过调节热流密度,在RGO纳米流体中制备了不同孔径的SFG[32]。结果表明,改变RGO纳米流体的热流密度可以控制SFG的孔径尺寸和厚度,热流密度越高,孔径越小。并且,SFG表现出与花瓣表面相似的疏水性和对水的高黏附性,可见SFG同时具有疏水和亲水的特征[33]

Jo等[34]认为,石墨烯的结构尺寸和几何形状也是影响其沸腾性能的重要参数,可以通过控制加热表面的热流密度,来获得不同尺寸和几何形状的石墨烯结构。当热流密度较大时,加热表面上出现汽泡连续成核,这干扰了汽泡成核周围的RGO薄片的聚集,随着热流密度的增加,更加剧烈的扰动会使RGO薄片中空隙结构的孔径减小;当热流密度较小时,不剧烈的气泡干扰导致了RGO薄片之间的相互作用,形成凹凸状的石墨烯(self-assembled bump-like graphene,SBG)结构,该结构不是多孔结构。这种3D RGO结构在机械和电气方面有更加良好的性能,在芯片系统、电催化、超级电容器等领域具有潜在应用价值。

Ahn等[35]还应用了化学气相沉积法在硅表面制备了不同厚度的石墨烯涂层,并且进行了池沸腾实验,实验结果及相关性能分析如图 4所示。结果表明,与光滑加热表面相比,涂有石墨烯的加热表面可明显提高CHF和沸腾传热系数,并且能有效地抑制蒸干。当石墨烯层的厚度为150 nm时,CHF的增加达到顶点。他们通过石墨烯薄膜的热活性以及热扩散率对石墨烯层厚度和热性能的依赖性来解释石墨烯对CHF的正向影响;通过石墨烯薄膜的润湿性下降和边缘折叠导致的汽泡脱离直径变小来解释石墨烯对传热系数的正向影响。

图 4 Ahn等的石墨烯加热表面分析和沸腾性能[35]

Kim等[36]制作了2D和3D的石墨烯涂层(图 5),以硅为基底,研究了2种涂层材料在定向表面上从上到下(0°、45°、90°、120°、135°、150°、160°和170°)的沸腾传热性能,并且讨论了从120°到170°的下部区域的沸腾传热机理。结果表明,2D石墨烯涂层表面对CHF平均增强了40%,3D石墨烯涂层表面对CHF增强了20%~25%。2D和3D石墨烯涂层对ONB都有强化作用,尤其是在加热面朝下且热流密度较高的工况下,两者都有延迟CHF现象发生的作用。该研究证明了2D和3D的石墨烯涂层针对加热面朝下的核态沸腾有较好的提高冷却性能的作用,且2D石墨烯涂层的作用略强于3D石墨烯涂层。

图 5 Kim等的二维(2D)和三维(3D)石墨烯涂层表面的SEM图像[36]

Jaikumar等[37]通过化学气相沉积法在铜表面得到纳米级和微米级石墨烯/氧化石墨烯涂层,并且讨论了石墨烯薄膜的导热性、润湿性、接触角和形态效应的影响。研究结果表明,对于纳米级材料,表面润湿性在CHF增强作用中起主导作用,石墨烯单层与多层的区别对CHF的提高没有影响。对于微米级材料,加热表面的形态特征是CHF增强的关键因素。对于较长的沉积时间的表面,粗糙度是影响CHF的原因;对于较短沉积时间的表面,表面会出现脊微结构,该结构会使汽泡生长速率增加,被认为是CHF增强的主要原因。

Jaikumar等[38]以铜为测试基底、以沉积时间为变量,在石墨烯和GO的纳米流体溶液中进行化学沉积,分别制备了沉积时间为120 s(1)、300 s(2)、600 s(3)和1 200 s(4)的4个传热表面,并在大气压下进行蒸馏水的池沸腾实验。实验结果表明,与无涂层表面相比,(1)和(2)都表现出不同程度的CHF增强,但(3)和(4)没有。在测量涂层表面接触角时研究发现,所有表面均表现出疏水性,因此润湿性不能作为CHF增强的解释。他们还研究了涂层厚度的影响,测量得到不同沉积时间的4个传热表面(1)—(4)的涂层厚度分别为1、5、7.5和8.6 μm。涂层最薄的表面(1)的CHF最高,而涂层厚度的增加显著阻碍了沸腾性能。

Rishi等[39]通过多步电沉积技术获得新型石墨烯纳米片(graphene nanoplate,GNP)/Cu多孔涂层,通过改变电沉积池中GNP的浓度,得到了一系列具有高亲水性和毛细管性的不同层次的多孔涂层。他们的实验结果表明,GNP/Cu涂层对加热表面的CHF和沸腾传热系数都有较大的正向影响,其中质量浓度2%的GNP/Cu多孔涂层在增强加热面的CHF和传热系数上效果最佳。他们使用Raman光谱和SEM对GNP/Cu涂层进行了表面结构观察,发现了石墨烯的多层结构和分层孔隙。这些孔隙在沸腾过程中促进了汽泡的脱离,形成了湍流,从而改善了传热特性。

Li等[40]采用喷涂的方式将GO喷涂在铜表面,进行池沸腾实验,同时考虑压力的影响。在30 W/cm2的热流密度下,与纯铜表面相比,GO涂层表面的沸腾传热系数在标准大气压下增强了126.8%,在308 kPa下增强了51.5%。从GO表面离开的汽泡直径比铜表面的汽泡直径小很多,这可能是由于GO表面上的结构对汽泡的钉扎效应,或者GO表面的微纳米非均匀润湿特性造成的。

Udaya Kumar等[41]认为,在石墨烯涂层的铜板上生长碳纳米管,可以使得沸腾换热增强。他们的实验表明,石墨烯/碳纳米管(carbon nanotubes,CNT)异质结构与裸铜表面相比,传热系数和CHF分别提高了155%和40%。图 6为裸铜、石墨烯涂覆的铜和石墨烯/CNT涂覆的铜在饱和条件下的池沸腾曲线。石墨烯/CNT异质结构在沸腾初期,过热度下降62%,这在电子产品冷却应用中至关重要。石墨烯/CNT异质结构增强换热的原因主要归结于成核密度的增加和毛细作用,一方面减小了汽泡脱离时的直径,另一方面提高了液体在汽泡脱离后的补充速率,产生了协同效应,提高了加热面的沸腾性能。

图 6 Udaya Kumar等的裸铜、石墨烯涂覆的铜和石墨烯/CNT涂覆的铜在饱和条件下的池沸腾曲线比较[41]

Lay等[42]研究了GNP涂层表面对沸腾的影响。实验发现,GNP涂层表面的润湿性可以通过热固化工艺进行调节,未固化的GNP表面呈现疏水性,固化的GNP表面呈现亲水性。对比固化和未固化的GNP表面,前者对沸腾传热效率的提高更加明显,对沸腾传热系数最大提高151%,而未固化的GNP表面也对沸腾换热性能有一定的提高作用。因此,GNP表面对沸腾传热的影响不仅仅归因于加热表面的润湿性,纳米结构的石墨烯具有超快透水性能也是主要因素之一。GNP纳米通道内无阻的快速水渗透和输运,有助于水分子快速吸收气化潜热,这导致汽泡的成核、增长和离开的速率增加。当汽泡向上推动并迅速从自由表面逸出时,蒸汽汽泡携带的大量热量可以从加热表面脱离。最终,GNP涂层表面可提高池沸腾效率并延迟过度沸腾的发生。

Sezer等[43]针对功能化碳纳米管对不同浓度的GO纳米流体的影响进行了池沸腾实验,制备了3种不同浓度的GO和GO/功能化碳纳米管的纳米流体。研究结果表明,GO/碳纳米管溶液在沸腾之后会在加热表面形成3D多孔石墨烯/碳纳米管杂化涂层,该涂层的结构和组成可以通过改变热流密度和碳纳米管及GO的浓度进行调节。高度多孔的表面形态可以增加有效表面积,从而促进沸腾传热,而GO/碳纳米管混合网络的毛细作用和横向导热性可以抑制热点和干斑的形成,起到CHF延迟的作用。通过比较是否加入碳纳米管的GO纳米流体的传热系数和CHF发现,添加了碳纳米管的纳米流体的性能更优。使用纯水再次对纳米流体沸腾实验的加热面进行沸腾实验,发现传热性能的增强作用不变,说明纳米流体的传热增强机理是由石墨烯和碳纳米管在加热面上的沉积决定的,并且重复沸腾实验证实了沉积表面的耐久性。

Goh等[44]研究了石墨烯涂层在液滴蒸发过程中的强化作用。他们以铝为基底,使用GNP作为加热表面的涂层,进行液滴蒸发实验。结果表明,在75 ℃的表面温度下,与裸露表面相比,水滴在GNP涂层表面上的冷却效果提高了4 866%。这一结果预示着石墨烯涂料在高密度电子设备散热领域有很大的应用潜力。

Zhou等[45]利用核沸腾自组装方法制备了中等厚度的GO表面,通过选择和调整自组装沉积参数获得优化的GO表面。该表面与纯铜相比,CHF提高了104%,传热系数增加了73%,并且通过了沸腾稳定性测试。分析发现,中等厚度的GO表面改善了加热面的散热性能、润湿性和粗糙度,促进了局部干斑的冷却和再湿润,从而达到延迟薄膜沸腾的目的。

张伟等[46]采用复合电刷镀工艺,在铜表面分别制备了纯镍(TS1)、亲水石墨烯/镍复合微结构(TS2)和疏水石墨烯/镍复合微结构(TS3),并且对比了它们的沸腾传热特性。结果发现,片状石墨烯改变了纯镍排布致密的球状颗粒堆叠结构,获得了尺寸更小的三维堆叠结构。3种加热表面中,疏水石墨烯/镍复合微结构表现出最佳的综合换热性能,与纯镍微结构相比,其沸腾起始点温度降低了3.2 ℃,传热系数提高了135%,CHF提高了98%,并且临界热流条件下的壁面过热度降低了9.8 ℃。分析发现,疏水石墨烯/镍复合微结构表面因其较低的表面能而有利于汽泡的生成,并且三维堆叠结构具有强大的毛细作用,是强化传热的主要机理。

毛兰等[47-48]制备了GO纳米表面,并且与铜表面进行池沸腾对比实验。结果表明,GO纳米表面的CHF和沸腾传热系数分别比铜表面提高了66.4%和86.9%。汽泡可视化观察发现,在相同的较低热流密度下,GO纳米表面比铜表面的汽泡脱离直径小,脱离速度快;在相同的较高热流密度下,铜表面的汽泡合并现象比GO纳米表面的严重。可见,GO纳米表面一方面会增加成核密度,另一方面可以延缓表面汽泡成膜现象,从而延缓CHF的出现。

Wu等[49]采用化学气相沉积法和溶胶-凝胶法制备了多层石墨烯涂层,并对比了不同制备方法制作的石墨烯涂层在热传导和液滴蒸发过程中的作用。结果表明,使用溶胶-凝胶法制备的石墨烯涂层因其三维的片状结构增加了表面润湿性,在液滴蒸发过程中,比相同条件下化学气相沉积法制备的加热表面散热效果强;而化学气相沉积法制备的加热表面,在表面温度超过饱和温度时导热率与热通量呈相似趋势,但在表面温度低于饱和温度时导热率与热通量没有明显变化。

2 总结

研究人员已就石墨烯作为纳米颗粒强化基液的换热和石墨烯作为附着层强化基材的换热进行了有益的探索,关于石墨烯是否具有强化换热的能力及其能力的大小,研究结果总体上是正向的,但是其机理仍然不是十分明确。

1) 在强化基液实验中,虽然石墨烯流体有明显增强换热的作用,但是在长时间沸腾的情况下会出现过度沉积而导致CHF和传热系数下降。并且,实验证明,引起换热增强的主要机理是石墨烯沉积表面的复杂3D结构引起的汽化核心增多以及对表面润湿性的改变,与石墨烯本身的性能关系不大。

2) 强化基材的实验大多数是通过泡核沸腾制备石墨烯涂层,从原理上看这是对石墨烯流体实验的整合和升级,也更具体地研究了石墨烯在强化换热中的作用。但是,由于石墨烯制备水平的局限,影响因素过多,单层可附着的石墨烯涂层在制备上依然是难点。

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