激光表面处理对降低材料表面能及强化凝结传热的研究

摘要

蒸汽冷凝传热是能源、动力、石油、化工、制药以及航空航天等领域中常见的传热过程。珠状凝结和膜状凝结是两种重要的凝结方式，在同样的条件下，珠状凝结的换热系数比膜状凝结的换热系数要高一个数量级，所以实现珠状凝结是强化凝结换热的主要方法之一。实现珠状冷凝的关键在于制造一种低表面表面能的材料，但是目前在换热设备中所用的换热管仍以具有较高表面能的金属材料为主，所以对金属表面进行特殊化处理以改变其表面特性来实现水蒸气在金属表面的珠状凝结是目前研究的重点。激光表面改性技术越来越多的应用在微米、纳米材料以及特殊功能材料（比如疏水结构材料）的制备，激光表面改性技术的发展也给珠状冷凝的研究注入新的活力，既丰富了强化传热技术的研究领域，也扩大了激光表面改性技术的应用研究方向。
　　本文采用激光表面改性技术对碳钢管表面进行处理，并且构建了凝结传热对比实验平台，在常压下做改性管和普通管的冷凝对比实验。通过观察改性层的微观组织形貌，对冷凝实验数据的处理与分析，并结合测量管外的接触角，研究了激光改性层微观特征、表面特性等对冷凝传热特性的影响。主要内容如下：⑴经激光表面处理实验，研究表明处理后的钢管激光改性层的晶粒更加细化，组织更加均匀，而且显微硬度有明显的提高。第一组激光处理的钢管（以下称改性管1）的改性层涂层较薄，熔化区组织虽然细密但是质量并不好，有一些裂纹等缺陷。第二组激光处理的钢管（以下称改性管2）涂层较厚，涂层与基体结合较好，涂层组织多为胞状晶，少量树枝状晶。⑵凝结传热实验结果表明：改性管1的管外传热系数与未处理的钢管相比有显著提高，而改性管2的管外传热系数提高不明显。同时在一定条件下，随着温度，流量的增大冷凝系数也增大。⑶接触角的测量结果表明：改性管1外表面的接触角比普通管外有所增大，在一定程度上降低了材料表面能，改性管2由于其外表面的不平整性，接触角不容易测量，而且由于表面粗糙度会影响接触角的大小，此时测得的接触角也不能作为评定表面能的标准，所以并未测量。这些都为激光表面改性在强化传热方面的研究提供一定的依据和参考。

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第一章 绪论

1.1研究的目的和意义

1.2凝结传热的国内外研究现状

1.3 表面能对传热特性的影响

1.4 表面改性技术制备低表面能表面的方法

1.5存在的主要问题和本文研究的主要内容

第二章 激光表面改性技术

2.1 激光产生的理论基础

2.2 激光与材料表面的相互作用

2.3 激光改性技术的分类及其特点

2.4 激光表面改性设备

2.5本章小结

第三章 激光表面改性实验

3.1材料

3.2 实验设备

3.3实验参数的选择

3.4实验方法与流程

3.5 实验结果与分析

3.6本章小结

第四章 表面能及其测量

4.1表面能及测量方法

4.2接触角法测量

4.3本章小结

第五章 凝结传热实验

5.1实验装置

5.2 实验流程

5.3实验数据与分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录