一种具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构及其制备方法。金属铜基体表面上分布有铜晶枝结构，所述铜晶枝结构具有天然的多尺度结构，包括主晶枝、二级晶枝或三级晶枝；铜晶枝之间有间隙，铜晶枝为垂直的，或是与基体表面呈倾斜角。这种简易的低成本大规模制备微针翅表面的方法，适合对任何形状的表面进行处理，且无需贵重的机械设备，节能环保，生成周期短。而且其天然的多尺度结构，能在强化传热、催化剂载体、高效分离、微反应器，表面亲疏水改性等传热传质领域，因此具有很好的工业应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体地说，涉及一种具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构及其制备方法。

背景技术

因其优良的传热传质性能，微针翅（微柱群）结构在微反应器（CN102202774A），催化剂载体（CN103623825-A），高效分离（US 20070227967 A）以及电子器件冷（CN101447466）却方面有着广泛的运用。近年来，随着纳米科技的发展，经过修饰的多尺度微针翅结构展现出了更多优良能。Cao(Y. Cao, L. Yuan, B. Hu and J. Zhou, Nanotechnology, 2015, 26.) 在硅微针翅表面修饰纳米氧化锌结构，使其成为一种具有三级结构的三维多孔超疏水表面。而经过纳米结构修饰的硅微针翅结构（N. S. Dhillon, J. Buongiorno and K. K. Varanasi, Nat. Commun., 2015, 6, 12.），有效的提高了沸腾表面的临界热流密度。Thai（D. Le Thai, D.-J. Kim, T. Tran Quang, D. Vinh Quang, B.-Y. Kim, H. K. Moon and N.-E. Lee, Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 883-890.）使用氧化石墨烯修饰高深宽比额微针翅表面在室温条件下探测NH₃，此表面有效的提高了探测的灵敏度并降低的检测限和响应时间。

微针翅（微柱群）结构的加工通常为传统的机械微加工技术和MEMS制造技术。这两种技术都有其各自的优缺点。和MEMS相比，传统的微加工技术具有成熟度高，和成本相对较低的优点，但是很难加工尺寸在100μm以下的微柱结构；而MEMS技术能够轻松加工微米结构和纳米结构，特别是在高深宽比微结构方面有着独特的优势。但这种技术通常都有非常长的工艺流程。同时，这两种技术都需要复杂的机械设备，并且都有很大程度的材料浪费。

发明内容

针对于传统微针翅结构加工困难，工艺流程长，尺度单一的缺点，本发明的目的是提供一种简单的，快速，具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构。

本发明的另一目的在于提供上述具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构的制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：

一种具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构，金属铜基体表面上分布有铜晶枝结构，所述铜晶枝结构具有天然的多尺度结构，包括主晶枝、二级晶枝或三级晶枝；铜晶枝之间有间隙，铜晶枝为垂直的，或是与基体表面呈倾斜角。

上述具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构的制备方法，包括如下步骤：将铜基体处理和预镀后，进行铜晶枝沉积；在沉积过程中，以处理过的铜基体为阴极，以硫酸和硫酸铜为电解质的溶液，采用逐渐增大电流密度的方法，进行电沉积反应；在还原保护气氛条件下，进行烧结处理。

在上述具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构的制备方法中，所述电解液中硫酸的摩尔浓度为0.2~1.0M，硫酸铜的摩尔浓度为0.4~0.8M。

在上述具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构的制备方法中，电沉积过程中，电流密度增速为0.1~20 mA/(cm²·s)。

在上述具有天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构的制备方法中，所述烧结处理的温度为400~750℃，在400~750℃还原气氛中烧结，增加产品机械强度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种简易的低成本大规模制备微针翅铜表面结构的方法，适合对任何形状的表面进行处理，且无需贵重的机械设备，节能环保，生成周期短，因此具有很好的工业应用前景。

本发明制备的天然多尺度微针翅铜表面结构和传统微针翅表面相比具有多尺度的结构，比较面积大，毛细力强，易于气泡脱离的特点，有效的提高了池沸腾传热的换热效率，故而非常适合运用于强化传热领域。

本发明的天然多尺度微针翅铜表面结构可运用粉范围广，因其独特的三维多尺度结构，除了强化传热领域外，在催化剂载体，高效分离，微反应器，表面亲疏水改性等传热传质领域也可有良好的性能。

本发明的天然多尺度结构的树枝状微针翅铜表面结构可应用于热管、换热器、电子元件的冷却等换热领域，也可以用于其他诸如催化剂载体、高效分离、微反应器等领域的运用。

附图说明

图1为实施例1的天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构侧视图；

图2为实施例2的天然多尺度树枝状微针翅铜表面结构侧视图；此时基体呈一定倾斜角度；

图3为实施例1的铜表面结构与光滑铜表面的池沸腾曲线对比图。

具体实施方式

下面结合具体附图和较佳实例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例1：

（1）金属基体处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，让后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗3次。

（2）金属基体预镀：为了增加所沉积的铜晶枝机械强度，在沉积铜晶枝前进行预镀。预镀溶液与铜晶枝的溶液相同。预镀电流密度为0.02A/cm²，预镀时间为10min。

（3）铜晶枝沉积：使用逐渐增大电流的方法，处理过的金属基体为阴极，在配比为0.6MCuSO₄、0.8MH₂SO₄的溶液中，保持电流增速为0.67mA/(cm²·s)，起始电流密度为0.1A/>2，反应总电量为1080C。得到的样品清洗吹干后进行热处理。

（4）产品热处理：在还原保护气氛条件下，进行热处理，进一步增强产品机械强度。所得铜表面结构如图1所示，在铜基表面上分布有一系列的铜晶枝结构，铜晶枝结构具有天然的多尺度结构，包括主晶枝、二级晶枝、三级晶枝等。铜晶枝之间有间隙，铜晶枝具有垂直的，也有和基体表面呈一定倾斜角的。

实施例2

（1）金属基体处理：首先使用稀硫酸溶液除去表面氧化物，让后用高浓度碱液清洗表面油污，接着使用去离子高纯水冲洗3次。

（2）金属基体预镀：为了增加所沉积的铜晶枝机械强度，在沉积铜晶枝前进行预镀。预镀溶液与铜晶枝的溶液相同。预镀电流密度为0.02A/cm²，预镀时间为10min。

（3）铜晶枝沉积：使用逐渐增大电流的方法，处理过的金属基体为阴极，在配比为0.6M CuSO₄、0.4M>2SO₄的溶液中，保持电流增速为2mA/(cm²·s)，起始电流密度为0.1A/>2，反应总电量为180C。得到的样品清洗吹干后进行热处理。

（4）产品热处理：在还原保护气氛条件下，进行热处理，进一步增强产品机械强度。所得铜表面结构如图2所示，在铜基表面上分布有一系列的铜晶枝结构，铜晶枝结构具有天然的多尺度结构，包括主晶枝、二级晶枝、三级晶枝等。铜晶枝之间有间隙，铜晶枝具有垂直的，也有和基体表面呈一定倾斜角的。