Разработка новосибирских ученых позволяет создать новый вид теплообменных устройств
- Алексей Сафонов и разработанная им экспериментальная установка по осаждению фторполимерной пленки
Сотрудники Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН получили покрытия, которые позволят реализовать теплообменные устройства с эффективным отводом тепла. Способ можно применять в микроэлектронике, робототехнике, энергетике, космосе, авиации и многих других областях.
Кандидат физико-математических наук Алексей Иванович Сафонов и его коллеги предложили оригинальную технологию получения супергидрофобных покрытий из фторполимера. Благодаря им планируется реализовать новый вид теплообменных устройств. В них на тепловыделяющий элемент наносится фторполимерное (тефлоновое) покрытие.
Природное свойство этого полимера - высокая гидрофобность, то есть способность отталкивать воду. При орошении нагревающегося компонента паром жидкости на поверхности происходит капельная конденсация, которая намного эффективнее отводит жар, чем при пленочном охлаждении. Образовавшийся конденсат стекает, забирая с собой тепло, а образовавшаяся жидкость используется для нового цикла.
После серии экспериментов по осаждению фторполимерных покрытий с различной микро- и наноструктурой ученым удалось создать супергидрофобные пленки, которые были успешно нанесены на поверхность кремния и меди. Технология их получения была мало известна в мире и вызвала большой интерес среди специалистов, ведущих исследования по аналогичной тематике.
С применением похожего метода теплофизики уже успешно нанесли гидрофобные пленки на картон, чтобы он не терял прочность после попадания влаги. Свойства подобных покрытий могут существенно отличаться в зависимости от материала - над разными вариантами сейчас и работают в ИТ СО РАН. Сам процесс создания пленки достаточно прост и в вакуумной камере занимает не больше нескольких минут - по словам Алексея Сафонова, предложенная им технология нанесения фторполимерных покрытий дешевле, чем обработка поверхности другими известными методами.
В процессе работы новосибирские теплофизики столкнулись с еще одним интересным эффектом. Благодаря своим водоотталкивающим свойствам, фторполимер плохо прикрепляется к поверхности. Стремясь обойти эту особенность, ученые предложили наносить его пленку на наночастицы металла, предварительно осажденные или синтезированные на плоскости, чтобы тефлон, как якорем, цеплялся к ним, и увеличивалась адгезия - сцепление поверхностей разнородных тел. Специалисты экспериментировали, покрывая наночастицы золота супергидрофобной пленкой толщиной порядка 30 нанометров. Обнаружилось, что если под верхним слоем находится этот драгоценный металл, значительно меняется так называемый угол смачивания, который капля жидкости образует по отношению к поверхности. Причины этого явления ученые намерены выяснить в последующих исследованиях.
*
«Если на поверхности организовать капельную конденсацию, то она в несколько раз отводит больше тепла у поверхности, чем пленочная конденсация. Один из способов получения такой поверхности - сделать ее гидрофобной, то есть отталкивающей воду. На такую поверхность вода не пленкой ложится, а собирается в капли», - сказал он.
По словам собеседника, «разработка может найти применение в электронике, в частности, для охлаждения процессоров в компьютерах тогда, когда они достигнут определенного уровня, на котором применяемых сегодня методов охлаждения будет недостаточно», - сказал собеседник агентства.
Сафонов пояснил, что в природе эффект, который взяли за основу разработчики, встречается на лепестках лотоса («Эффект лотоса»), которые на микро- и наноуровне покрыты тончайшими ворсинками, не позволяющими образовываться пленке жидкости. В институте же для создания гидрофобной пленки применили фторсодержащий полимер.
«Я своим методом получаю фторполимерные покрытия с различной структурой поверхности в виде мельчайших острых сфер, наночастиц, чешуек, ребер и т. п. На практике это дает возможность изменять гидрофобные свойства поверхности», - сказал Сафонов. Таким образом, по его словам, нуждающийся в охлаждении элемент в теплообменном агрегате можно покрывать фторполимерной пленкой и орошать водяным паром. Пар конденсируется на поверхности пленки в виде капель воды, отбирает от нее большое количество тепла, а капли стекают, не задерживаясь на пленке.
Главной проблемой является необходимость прикрепить отталкивающую жидкости пленку к нужному объекту, которую физикам удалось решить с помощью нанесения подслоя из металлических наночастиц, осаждаемых на поверхность и служащих «якорем», за который цепляется фторполимер.
Теплообменные устройства, построенные по такой технологии, будут востребованы не только в электронике, но и в авиакосмической отрасли и других отрасляхмашиностроения, отметил разработчик.
С их помощью, в частности, можно будет охлаждать процессоры компьютеров нового поколения. Кроме того, пленка может применяться в ряде других отраслей - например, осаждение ее на поверхность оконного стекла даст возможность создать окна, которые не нужно мыть - дождевая вода вместе с пылью будет свободно стекать по ним, собираясь в капли и не оставляя следов.
В дальнейшем специалисты института намереваются сделать эффективные теплообменные устройства, экспериментируя с различными металлами, структурой фторполимеров и жидкостями, применяемыми для охлаждения.
Фото предоставлено Алексеем Сафоновым
http://tass.ru/sibir-news/3168927
http://www.sbras.info/news/razrabotka-novosibirskikh-uchenykh-pozvolit-sozdat-novyi-vid-teploobmennykh-ustroistv