תפקיד המקרו-ננו-בניין על פני השטח בשיפור העברת החום

מבוא: המהפכה השקטה בניהול הרמימאל

ככל שהמכשירים האלקטרוניים מתכווץ ומערכי כוח עולים, היכולת לנהל חום הפכה לאחד מצוואר הבקבוקים הקריטיים ביותר בהנדסה המודרנית. שיטות קירור מסורתיות - משטחים מפוצצים, סנפירים פשוטים, וקונפדרציה בסיסית - מגיעים לגבולות הפיזיים שלהם. Enter micro and nano-structured משטחים: בדיוק מהונדסים מהונדסים את התחבורה התרמית בקנה מידה בלתי נראה לעין העירומה.

מאמר זה מספק צלילה עמוקה סמכותית, טכנית עמוק לתוך המדע, ייצור, יישומים ועתיד של פני השטח המתקדמות האלה.זה כתוב עבור מהנדסים, חוקרים, ומקבלי החלטות טכניים הזקוקים להבנה ברורה, פעולה של הנושא ללא ז'רגון מיותר.

הבנה של Micro ו-Nano-Structured Surfaces

משטחים מיקרו וננו-מבנים אינם רק משטחים גסים – הם מעוצבים במכוון עם גיאומטריה מבוקרת, ספאק וכימיה.המידה קובעת את ההשפעות הפיזיות הדומיננטיות:

(FLT:0Micro-structured משטחים ממובנים 1FLT: תכונות בטווח של 1–100 מיקרומטרים. בקנה מידה זה, שיפור שטח פני השטח ושיבוש זרימה הם היתרונות העיקריים כוללים מיקרו-פילרים, מיקרו ערוצים ומיקרו-גרובים.
(FLT:0)Nano-structured משטחים מבנים 1FLT: תכונות מתחת 100 ננומטרים.כאן, אפקטים קוונטיים, כוחות ואן דר וואלים, ואנרגיה על פני השטח הופכות משמעותיות.

מוטציות נפוצות

מהנדסים פיתחו מגוון רחב של ארכיטקטורות פני השטח, כל אחד מתאים למשטרי העברת חום ספציפיים:

(ב) ⁇ :0) ⁇ ופוסטים (ב"ג): מבנים רציניים אשר מגבירים את פני השטח ולקדם את שטף הכניעה.
(ב) ויקרא: ויקרא י"א): "הספקו אתרי ניקיון לרתיחה, צמצום דרמטי של ההתחממות הנדרשת לייצור בועות.
(ב) ,0) , ריג'וב וערוצים (ב"א): שטף נוזלים ישיר ושיפור שילוב בקונפדרציה חד-פעמית.
(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

טכניקת המרק

יצירת מבנים אלה בקנה מידה דורש תהליכי ייצור מתוחכמים. שיטות מפתח כוללות:

(FLT:0) פוטו-ליתוגרפיה וההשמדה: משועמם מייצור Semiconductor, טכניקה זו יכולה לייצר מיקרו-פטרונים אחידים ביותר על פני אזורים גדולים.
(FLT:0)Laser ablventationFLT:1: לייזרים Femto השני וננו השני יכולים לכתוב ישירות מיקרו- וננו-אפקטים על מתכות, קרמיקה ופולימרים.זוהי גישה ללא מסיכות וגמישה.
(ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]: חסימת ויקרא-התרמיה, הדה-כימית, והרכבה קולואידית מאפשרת יצירתם של ננו-בני-דור ללא כלים ליתוגרפיה יקרה.
(FLT:0) ייצור אדרטיבי (FLT:1): הדפסה תלת מימדית ברזולוציה מיקרומטר (פולימרומית דו-פוטנית, לייזר מתכת ישיר מחטא) מאפשרת עיצובים מורכבים, היררכיים.

בחירת שיטת ייצור תלויה בחומר, בגודל של תכונה, נפח הייצור, ומגבלות עלות.עבור סקירה מפורטת, החוקרים לעתים קרובות להתייעץ עם משאבים כגון FLT:0NanoscaleFLT:1 או FLT:2 מדע ראשי דף על משטחים מיקרו-מבנים FLT 3:0.

מכניזם של שיפור העברת חום

מיקרו ונו-מבנה משפרים את העברת החום באמצעות ארבעה מנגנונים פיזיים עיקריים.הבנה כל אחד חיונית לעיצובים.

שטח Surface Area

היתרון הפשוט ביותר: שטח פני השטח יותר פירושו נתיבים נוספים לחום לזרום.משטח שטוח יש שטח משטח שווה טביעת הרגל שלו. A משטח מכוסה מיקרו-גלריות של יחס היבט 10:1 יכול להגדיל את האזור האפקטיבי על ידי גורם של 10-50. ב קירור מצטבר, מספר Nusselt - היחס של קידוד כדי לבצע העברה חום - בקנה מידה עם שטח.

בפועל, האזור הגובר גם מגביר את גרר הנוזלי, כך שהעיצוב חייב לאזן את האזור עם ירידה בלחץ.משטחים ממובנים ננו-מבנים (למשל, ננווטים סיליקון) יכולים לספק שיפורים באזור של עד 100x ללא זרימה משמעותית אם הוא מתפתל כראוי.

המונחים: Turbulence and Mixing

בנוזל חד-פעמי או גז זורם, שכבת הגבול התרמית – שכבת הנוזל הדקה של המשטח – משמידת התנגדות למיקרו-מבנה כגון צלעות, דיונים, או מעלה תכונות המטיילים את הזרם לתוך זעזוע, צמצום שכבת גבול ועובי הגדלת קוגני החום המשולבים מחקרים הראו שיפורים סוערים של 2-4x בהשוואה לפני השטח.

מבנים תקופתיים (למשל, מיקרו-פילרים מזוהמים) יוצרים eddies ו-Rereculation Zone שמשלבים נוזל חם ליד פני השטח עם נוזל גדול מגניב.זה חשוב במיוחד בחילופי חום קומפקטיים שבו החלל מוגבל.

אפקטים Capillary ו-שלב-שינוי

מובנים ננו יכולים לשנות באופן דרמטי את הלחץ של capillary - היכולת לגרור נוזל לתוך חללים קטנים.זה קריטי עבור מערכות קירור דו-phase כגון צינורות חום, תאי vapor, צינורות חום לולאה. A ננו- ⁇ wick יכול ליצור כוחות קפילאריים גבוהים, המאפשרת evaporation דק עם התנגדות תרמית נמוכה מאוד.

לדוגמה, ננו-חוט נחושת עם גדלים של 50-200 nm להציג לחץ קפילארי מעל 10 kPa, מספיק כדי לנהוג נוזל נגד הכבידה בחללים של גילוח דקים. במהלך evaporation, ממשק נוזלי-vapor pins בטיפים nano-structured, צמצום ההתנגדות התרמית של המנבאים.זה הוא הסיבה לכך היא הרבה הבא Voraps להשתמש nanos-engerine תאים.

שינוי ומיומנות ו-שלב-שינוי

עודף רטובות - מוכר על ידי זווית מגע של ירידה נוזלי - מושפע מאוד על ידי מיקרו- וננו-החולה. דגמי Wenzel ו Kase-Baxter לתאר כיצד גסות מגבירה התנהגות הידרופילית או הידרופובית.

(FLT:0) העברת חום משתנה 1: משטח סופר-hydrophilic (זווית מגע ליד 0 מעלות) מקדם רטובה מהירה ומונע שמיכות vapor, מעכב את נקודת החום הקריטי (CHF) נקודה. שיפורים CHF של 50–100% דווח על משטחים ננו-מכונדריים, superophophophobic יכול להפחית את פני השטח של צנרת גבוהה, אבל ניתן להפחית את פני השטח של מלכודות חום גבוהה על ידי צנרת, אבל ניתן להפחית את המלכודת של צנרת גבוהה על ידי צנרת גבוהה.
(FLT:0) העברת חום של חום העברה 1FLT: על מבני nano-מבנה הידרופוביים, טיפות מים בצורת פחם, ולאחר מכן לקפוץ מעל פני השטח (העברה עצמית באמצעות שחרור אנרגיה פני השטח) כי "הירידה במשקל" condensation יכול להשיג טיפול חום העברה 3-5x גבוה יותר מאשר זיכיונות סרט על פני השטח קונבנציונליים.

גישות שכבתיות - שילוב תכונות ברמה מיקרו עם nano-textures - הם צוברים מתח. מבנים היררכיים כאלה יכולים במקביל לייעל capillary wicking, nucleation, ו דינמיקה של טיפת.

יישומים בתעשיות

משטחים מיקרו וננו-מבנים אינם צמחי מרפא מעבדה; הם פרוסים במוצרים מסחריים ובתשתיות קריטיות.

אלקטרוניקה Cooling

מיקרומעבדים מודרניים ואלקטרוניקה כוח לייצר גלי חום מעל 1 קילוואט / ס"מ למשך זמן קצר. קירור אוויר מסורתי אינו מספק.מיקרו-מבנה של כיור חום (למשל, מיקרו-ערוצים הממכונים לתוך סיליקון) הם סטנדרטיים בשבבים ביצועים גבוהים.

(FLT:0Micro-channel-channel) הצלחות קרות (FLT:103) עם grooves מקבילה 100-500 מיקרומטר רחב, לעתים קרובות בשילוב עם nano-textures עבור חברות משופרות כמו CoolChip ו- Boyd Corporation משלבת אלה לתוך לולאות קירור מרכז נתונים.
(FLT:0)Vapor CellsFLT:1 באמצעות מבנים נחושת nano-wick להפיץ חום ממקומות חמים. הרבה כרטיסי גרפיקה גבוהה מודולי תאורה LED עכשיו להשתמש nano-engineered vapor תאים.
(ב) ,0) ,Jet ImpingmentingmentingFLT:1 עם הצלחות מיקרו-מבנים או מרכזי - המטוסים יוצרים מהירויות מקומיות גבוהות, ומיקרו-היטים על פני השטח של היעד מגבירים את העברת החום ב-20-30%.

מערכות אנרגיה

בהמרות אנרגיה תרמית ואחסון, משטחים מיקרו / אננו משפרים את היעילות ולהפחית את השימוש בחומר:

(FLT:0 אספפנים תרמיים סולריים של ®Solar) 1: קולטנים סולאריים נבחרים משתמשים לעתים קרובות ציפויים nano-structured (למשל, שכבות אינדקס מדורג של Ni-Al2O3 או cermet) כדי להשיג אבסורד גבוה בספקטרום השמש (0.95+) ופלט נמוך בהפסדים אינפרא אדום, מצמצם את ההשפעות קרינה.
(ב) [ה]ב[[173]]: ב[[המרכז]] או ב[[המאה ה-20]], ננו-מבנים, קדמונים מתחום ה[[המאה ה-20]], ו[[1924]], [[1924]],]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
(FLT:0) גנרטורים אנדרומואלקטריים (FLT:1: ננו-מבנים חומרים תרמואלקטריים (למשל, B2Te3 עם ננו-inclusions) להפחית את מוליכות תרמית תוך שמירה על מוליכות חשמלית, העלאת דמותו של ממשקי ה-ZT. Micro- Structured גם מפחיתה התנגדות מגע.

מכשירים ביו-רפואיים

שמירה תרמית היא חיונית בכלים רפואיים:

(ב) ⁇ :0) קריירוגליצרייפופרץ:1: מיקרו-ננדוד עם משטחים nano-textured משפרים את החילוץ החום עבור הקפאת גידולים מבוקרים.המבנים לקדם היווצרות קרח מהירה ולהפחית את הנזק לרקמות הסובבות.
(FLT:0) Hyperthermia טיפול טיפול FLT:1: חלקיקים מגנטיים (10-100 nm) נתון כדי לשנות שדות מגנטיים לייצר חום מקומי.
(FLT:0) אבחון מעבדה על-על-a-chipveFLT (:1: מיקרו-חממות עם משטחים nano-structured מאפשר רכיבה תרמית מהירה עבור PCR (תגובה שרשרת של אפוקליפטי) עם צריכת חשמל מופחתת.

אוויר והגנת

כלי רכב מהירים ומכוניות מהירות גבוהות עומדים בפני סביבות תרמיות קיצוניות:

(FLT:0) מערכות הגנה קדמוניות (FLT:1): מסובבים פחמן פחמן פחמן עם מיקרו-פרוסוס ממונדס וננו-קוינגס (למשל, HfC או ZrB2) עומדים מעל 2000 מעלות צלזיוס, תוך קרינת חום יעילה.
(FLT:0) צינורות הית' עבור לוויינים תרמי שליטה תרמית FIRLT:1; צינורות חום מלא אמוניה עם משטחים פנימיים מיקרו-מגודל לספק תחבורה חום פסיבית, אמינה תחת microgravity.
(FLT:0Engine קירורFLT:1): בלהבות טורבינות גז, זרמי מיקרו-חוריים מחוסנים לייזר בשילוב עם ציפויי מחסום תרמיים nano-structured לשפר את יעילות קירור הסרט ולהפחית את טמפרטורות המתכת.

אתגרים במרקם וביציבות

למרות ההבטחה שלהם, אימוץ נרחב עומד בפני כמה מכשולים.

ייצור מורכבות ועלויות

שיטות ייצור רבות (למשל, אלקטרון beam lithography, ion beam ממוקדת) הן סדרתיות, איטיות ויקרות - מתאים עבור R&D אבל לא ייצור המוני.אפילו שיטות מדרגיות כמו ion Reactive יש עלויות הון גבוהות.עבור מתכות, אלקטרוכימי תחריט הוא זול יותר אבל פחות מדויק.התעשייה דוחפת לכיוון גלילה-to-to-roll Lithography וייצור תוספת כדי להישאר נמוך יותר, אבל עדיין פחות מ 50 גדלים.

יכולת מכנית

מבנים ננו-דורות הם שבריריים.הם יכולים להיות מחוסצים, מרוסקים או מחוסנים תחת רכיבה תרמית, עשבי זרימה או השפעה חלקיקים. משטח שמאבד את התנו-החולה שלו במהירות חזרה להתנהגות רבה.

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(ב) ,0) מבנים של ⁇ : חלק מהעיצובים משלבים שכבת קרבית שלוכדת את המרקם הרצוי תחת חשיפה לחום.
(FLT:0) משטחים של ⁇ מטלטל 1 (FLT:1): ניתן לטפל בסופר-כלוי מבוסס ניקל מסוים כדי ליצור שכבות חד-חמצני בנויות טבעי כי הם חזקים יותר.

משטח ההזדקנות והנפיחות

בסביבות עולם אמיתי, פני השטח מצטברים בקנה מידה, ביופילם, או שכבות חמצון שמשנות את יכולת הרטוט ולהפחית את השיפור.לדוגמה, משטח superhydrophilic הנחשק למים קשים עלול להיות מכוסים עם פקדות מינרלים, צמצום יכולת התחזוקה שלה.פרוטוקולים תחזוקה או ניקוי כימי תקופתי עשוי להיות נדרש.חלק מהחוקרים פיתחו nanoures אנטי-fouling (למשל, ipic) עם תמונה זו.

כיוונים עתידיים למחקר

התחום מתפתח במהירות, מונע על ידי חומרים חדשים, כלים חישוביים, ושילוב ברמה המערכתית.

חומרים מתקדמים

Graphene ו- Carbon nanotubes (CNTs) מציעים מוליכות תרמית יוצאת דופן (>3000 W / mK עבור גרפן) וניתן לגדל באופן ישיר כמו מערך אנכי nano-structured. CNT יערות הראו תקני העברת חום של 105 W / m2K בניסויים רותחים. MXenes - שני ממדיים מעבר מתכת - הם שיעור מתפתח עם פני השטח בשפע עבור יכולת כימיה רטובה.

למידת מכונות ואופטימיזציה

עם אינספור שילובים אפשריים של גאומטריה, ניסיוני אמפירי וטרור הוא בלתי יעיל.מודלים למידת מכונות מאומן על בסיס נתונים גדול של תוצאות ניסיוניות יכול לחזות עיצובי פני השטח אופטימליים עבור תנאים גבולות נתון.

משטחים עצמאיים

הגבול הבא הוא משטחים להגיב עומס תרמי.לדוגמה, חומרי שינוי בשלב מוטבעים nano-structures יכולים לשנות צורה או רטובות כאשר טמפרטורה מסוימת מגיעה, הגדלת העברת חום רק כאשר צריך.

שילוב עם ייצור תוספתי

ייצור תוספת מתכת (למשל, אבקת לייזר היתוך) יכול כבר לייצר micro-lattices עם גדלים תכונה עד 50 מיקרומטר. asרזולוציה משתפר, זה יהיה אפשרי להדפיס מתקני העברת חום שלמים (למשל, מחליפי חום) עם micro- / no-features in one Step.

(ב) למחקר האחרון, כנסים כגון FLT:0ASME ItheRMFLT:1 ומגזינים כמו FLT:2 Journal of Heat and Mass TransferFLT 3: 3 מפרסם עבודה חדשנית בתחום זה.

מסקנה

משטחים מיקרו וננו-מבנים מייצגים שינוי יסודי כיצד אנו מנהלים חום.על ידי הנדסת פני השטח בקנה מידה של תופעות פיזיות רלוונטיות, אנו יכולים להשיג שיפורים דרמטיים בהעברת חום - לפעמים על ידי פקודות גודל - ללא הגדלת נפח המערכת.מפחתת טמפרטורות השבבים כדי להגביר את יעילות האנרגיה המתחדשת, פני השטח האלה כבר משפיעים.