Ein internationales Team von Ingenieuren hat eine innovative, skalierbare Methode zur Herstellung topographisch gemusterter Aluminiumoberflächen entwickelt, die die Flüssigkeitstransporteigenschaften verbessert, die für Anwendungen in der Elektronikkühlung, Selbstreinigungstechnologien und Anti-Eis-Systemen entscheidend sind. Die Studie wurde kürzlich in veröffentlicht Langmuir Die von Gruppen der Rice University und der University of Edinburgh im Rahmen des Rice-Edinburgh Strategic Collaboration Awards-Programms durchgeführte Studie zeigt, wie kostengünstige Vinylmaskierungstechniken Oberflächen mit hochauflösendem Benetzbarkeitskontrast erzeugen und so den Weg für einen verbesserten Phasenwechsel ebnen können Wärmeübertragungsanwendungen.
Das Forschungsteam entwickelte eine neuartige Technik, bei der mit der Klinge geschnittene Vinylabdeckungen und kommerziell erhältliches Lackharz mit skalierbaren physikalischen und chemischen Oberflächenbehandlungen kombiniert wurden, um gemusterte Aluminiumoberflächen zu erzeugen. Diese Oberflächen weisen deutliche Benetzbarkeitskontraste auf, was die Tropfenablösung während der Kondensation deutlich verbessert. Die Muster mit Strukturgrößen von nur 1,5 mm bieten je nach Behandlung eine Reihe von Benetzbarkeitsverhalten – von superhydrophob bis hydrophil.
„Diese Methode stellt einen wichtigen Schritt in der maßgeschneiderten Oberflächentechnik dar“, sagte Daniel J. Preston, Assistenzprofessor für Maschinenbau bei Rice und Mitautor des Papiers zusammen mit Geoff Wehmeyer, Assistenzprofessor für Maschinenbau bei Rice, und Daniel Orejon von der University of Edinburgh. „Indem wir die präzise Kontrolle der Oberflächenbenetzbarkeit und der thermischen Eigenschaften ermöglichen, öffnen wir neue Türen für die skalierbare Herstellung fortschrittlicher Wärmeübertragungsoberflächen.“
Die Forschung nutzte eine mehrstufige Methodik zur Entwicklung und Analyse der strukturierten Aluminiumoberflächen. Zunächst wurden Vinylmasken auf polierte Aluminiumsubstrate aufgetragen, gefolgt von einem zweistufigen Ätzprozess, der mikro- und nanotexturierte Zonen erzeugte. Anschließend nutzte das Team fortschrittliche Bildgebungstechniken, um die Auflösung und Benetzbarkeitseigenschaften der Muster zu charakterisieren. Um die Leistung zu bewerten, zeigten Kondensationsvisualisierungsexperimente eine stärkere Tröpfchenablösung auf den gemusterten Oberflächen im Vergleich zu homogenen. Darüber hinaus ergab die Kartierung des thermischen Emissionsvermögens mittels Infrarot-Thermografie erhebliche Kontraste im Emissionsvermögen zwischen glatten und strukturierten Bereichen, was das Potenzial der Oberflächen für fortschrittliche Wärmemanagementanwendungen verdeutlicht.
„Aluminium wird aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit, geringen Dichte und geringen Kosten häufig in Wärmemanagementgeräten wie Wärmetauschern verwendet“, sagte Wehmeyer. „Unsere Methode fügt ihrer Funktionalität eine neue Dimension hinzu, indem sie eine Oberflächenmusterung integriert, die sowohl kostengünstig als auch skalierbar ist und es Ingenieuren ermöglicht, die Kondensationswärmeübertragung fein abzustimmen. Diese Arbeit vereinte Fachwissen von Edinburgh und Rice, um diese fortschrittlichen Oberflächen zu entwickeln und zu charakterisieren.“ .“
Die Ergebnisse haben erhebliche Auswirkungen auf Branchen, die bei Anwendungen in Alltagstechnologien auf Phasenwechsel-Wärmeübertragung angewiesen sind. Bei der Elektronikkühlung verringert eine verbesserte Tröpfchenablösung den Wärmewiderstand, der mit großen Tröpfchen während der Kondensation verbunden ist, was neue Kühlstrategien für Rechenzentrumsserver oder andere elektronische Geräte ermöglichen könnte, die auf eine effektive Wärmeableitung angewiesen sind, um eine Überhitzung zu verhindern. Maßgeschneiderte Muster des thermischen Emissionsvermögens optimieren die Wärmeableitung in Umgebungen mit hohen Temperaturen und kommen Systemen wie Automobilmotoren und Luft- und Raumfahrtkomponenten zugute. Darüber hinaus beschleunigen superhydrophobe Regionen die Wasserentfernung und verhindern so die Eisbildung auf kritischen Oberflächen wie Flugzeugflügeln, Windkraftanlagen und Stromleitungen bei Frost. Diese Fortschritte bieten praktische Lösungen zur Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit von Technologien, die Menschen täglich nutzen und auf die sie angewiesen sind.
„Herkömmliche Methoden wie die Fotolithographie sind typischerweise teuer und auf kleine Flächen beschränkt“, sagte Preston. „Unsere Technik nutzt erschwingliche, zugängliche Materialien, um komplizierte Muster auf größeren Oberflächen zu erzeugen, was sie für industrielle Anwendungen geeignet und eine vielversprechende Technik für die Entwicklung von Kondensatoren und Wärmetauschern der nächsten Generation darstellt.“
Die Hauptautoren der Arbeit sind Trevor Shimokusu (Doktorand im Maschinenbau von Rice, jetzt Fakultätsmitglied an der University of Hawaii) und Hemish Thakkar (Rice-Absolvent mit Doppelstudium in Chemie und Maschinenbau, jetzt Doktorand an der Princeton University). .
Diese Arbeit wurde durch das Rice-Edinburgh Strategic Collaboration Award-Programm, einen NASA Space Technology Graduate Research Opportunities Award und Zuschüsse der National Science Foundation unterstützt.
