Ideāli gluds PTFE apvalks ir ķīmiski inerts, bet termiski izolējošs. Pētnieki tagad teksturē PTFE virsmu ar mikroskopiskām bedrēm, pīlāriem vai izciļņiem, kas -ir tūkstošiem reižu mazāki par cilvēka matu-, lai absorbētu šķidrumu, notvertu burbuļus un ievērojami uzlabotu siltuma izkļūšanu šķidrumā. Jaunais lauksnanostrukturēts PTFE virsmas uzlabots siltuma pārneses sildītājsdizains sola pārvarēt lielāko PTFE iegremdējamo sildītāju ierobežojumu: materiālam raksturīga zemā siltumvadītspēja. Pārveidojot virsmu nanomērogā, zinātnieki cenšas palielināt siltuma pārneses koeficientus, vienlaikus saglabājot ķīmisko izturību, kas padara PTFE neaizstājamu.
Termiskais izaicinājums ar gludu PTFE
Standarta PTFE iegremdējamie sildītāji paļaujas uz dabisku vai piespiedu konvekciju, lai novadītu siltumu prom no apvalka. Gludajai, nepiedegošajai virsmai ir zems efektīvais siltuma pārneses koeficients, parasti 500–1500 W/m²·K ūdenī, kas ir ievērojami zemāks nekā metāla sildītājiem. Tas liek dizaineriem izmantot lielākas sildītāja virsmas vai mazāku vatu blīvumu, lai izvairītos no lokālas pārkaršanas. Problēma tiek saasināta viskozos šķidrumos vai lietojumos, kur notiek vārīšanās,{5}}gludas virsmas mēdz veidot lielus, izolējošus tvaika burbuļus, kas samazina, nevis uzlabo siltuma pārnesi.
Ja virsmu varētu konstruēt, lai veicinātu burbuļu veidošanos un palielinātu faktisko saskares laukumu ar šķidrumu, tā pati PTFE ķīmija varētu nodrošināt daudz augstāku siltuma veiktspēju. Nanostrukturēšana piedāvā šo ceļu.
Kā uz PTFE tiek izveidotas nanostruktūras
Tiek pētītas trīs galvenās metodes, lai izveidotu nanostrukturētas PTFE virsmas. Visu mērķis ir ieviest elementus, kuru izmēri ir no 10 nm līdz 10 µm-, kas ir pietiekami mazi, lai ietekmētu šķidruma uzvedību molekulārā līmenī, tomēr pietiekami izturīgi, lai izdzīvotu ķīmisko vielu tvertnē.
Plazmas kodināšana
Lai selektīvi kodinātu PTFE virsmu, tiek izmantota zema spiediena plazma (parasti skābeklis vai argons). Plazma noņem materiālu galvenokārt defektu vietā vai caur maskēšanas slāni, veidojot blīvu nanomēroga pīlāru mežu vai porainu sūklim līdzīgu slāni. Process ir sauss, nesatur ķīmiskas vielas, un to var uzklāt uz gataviem sildītāja apvalkiem. Pielāgojot gāzes sastāvu, jaudu un ekspozīcijas laiku, var iegūt dažādas virsmas morfoloģijas-no smalkas pūciņas līdz atvērtu šūnu putām-.
Femtosekundes lāzerablācija
Īpaši ātri lāzeri ar impulsa ilgumu femtosekundes diapazonā var noņemt PTFE ar tādu precizitāti, ka siltuma ietekmētās zonas praktiski tiek likvidētas. Lāzera stars tiek skenēts pāri apvalkam, radot precīzus mikrokrāteru vai nanorievu modeļus. Atšķirībā no ilgāka impulsa lāzeriem, femtosekundes lāzeri neizkausē un nepārogļo PTFE. Iegūto virsmu var pielāgot ar noteiktu periodiskumu, lai tā atbilstu vēlamajai kodēšanas uzvedībai. Šī metode ir īpaši piemērota pētniecībai un prototipu veidošanai, jo modeļus var mainīt digitāli.
Nanospiedumu litogrāfija saķepināšanas laikā
Šajā pieejā galvenā veidne ar vēlamās nanostruktūras negatīvu (piemēram, silīcija vafele ar iegravētiem pīlāriem) tiek piespiesta pret PTFE sveķiem pirms saķepināšanas procesa vai tās laikā. PTFE ieplūst veidnes dobumos zem karstuma un spiediena, sacietējot ar apgriezto rakstu uz tās virsmas. Šī metode ir potenciāli mērogojama masveida ražošanai, jo viena veidne var ražot daudz sildītāju apvalku. Tas arī rada ļoti izturīgas struktūras, jo PTFE molekulas tiek fiziski pārkārtotas, nevis tikai iegravētas.
Uzlabotas siltuma pārneses mehānismi
Nanostrukturēta PTFE virsma darbojas, izmantojot trīs sinerģiskus mehānismus:
Palielināts efektīvais virsmas laukums
Plakanai, gludai virsmai ir ģeometriskais laukums, kas vienāds ar tās projicēto nospiedumu. Virsmai, kas pārklāta ar nanomēroga pīlāriem vai bedrēm, reālais virsmas laukums var būt divas līdz piecas reizes lielāks. Šī palielinātā platība tieši reizina siltuma pārneses ātrumu tai pašai temperatūras starpībai. Virsma kļūst par termisku sūkli, kas absorbē vairāk enerģijas no iekšējā sildelementa un nodod to šķidrumam.
Veicināta burbuļu veidošanās vārīšanai
Lietojumos, kur šķidruma temperatūra tuvojas vārīšanās temperatūrai (piemēram, ūdens virs 90 grādiem vai organiskie šķīdinātāji to viršanas punktos), nanostruktūras darbojas kā prioritāras kodēšanas vietas. Sīkas gāzes kabatas, kas iesprostoti nanomēroga dobumos, izraisa tvaika burbuļus ar daudz zemāku pārkaršanu nekā gluda virsma. Šie burbuļi ātri atdalās un ir maza izmēra, efektīvi aizvadot siltumu. Uz gludas PTFE virsmas burbuļi mēdz saplūst lielās, izolējošās plēvēs. Uz nanostrukturētas virsmas kodolu viršana kļūst enerģiskāka un stabilāka, potenciāli dubultojot vai trīskāršojot siltuma pārneses koeficientu.
Uzlabota kapilāru absorbcija
Nanoteksturētām virsmām var būt superhidrofila uzvedība: šķidrums iesūcas struktūrā kapilāro spēku ietekmē, likvidējot izolējošo gaisa robežslāni, kas bieži pielīp gludām virsmām. Šis efekts ir īpaši svarīgs ūdens{1}}procesos. Šķidrums paliek ciešā saskarē ar apvalku, samazinot termisko pretestību saskarnē. Pat nevārošā piespiedu konvekcijā, uzsūkšana uzlabo siltuma pārnesi, saglabājot robežslāni plānu un turbulentu.
Pierādīts veiktspējas pieaugums
Lai gan lielākā daļa publicēto pētījumu ir vērsti uz metāla virsmām (varš, alumīnijs, nerūsējošais tērauds) ar nanostruktūrām, tie paši principi attiecas uz PTFE. Laboratorijas testi ar nanostrukturētām PTFE virsmām ir parādījuši:
Baseina vārīšanās siltuma pārneses koeficienta uzlabošana50–150%, salīdzinot ar gludo PTFE, atkarībā no nanostruktūras ģeometrijas un šķidruma. Tas nozīmē, ka sildītājs var darboties ar lielāku vatu blīvumu, nepaaugstinot apvalka temperatūru, vai arī var sasniegt tādu pašu siltuma jaudu ar mazāku apvalka laukumu.
Palielinās kritiskā siltuma plūsma (CHF).līdz 80% – punkts, kurā tvaiki pārklāj sildītāju un izraisa strauju temperatūras paaugstināšanos, ievērojami aizkavējas.
Samazināta temperatūras pārsniegšanapalaišanas laikā – nanostrukturētā virsma aktivizē kodolu veidošanos zemākā temperatūrā, izvairoties no bīstamā "pārkaršanas" smaile, kas raksturīga gludam PTFE viršanas režīmā.
Uzlabojums ir visizteiktākais ūdenī un ūdens šķīdumos, kur lielais virsmas spraigums un latentais iztvaikošanas siltums padara vārīšanu par dominējošu siltuma pārneses mehānismu. Organiskajos šķīdinātājos un eļļās uzlabojumi ir mērenāki, bet tomēr izmērāmi, ko galvenokārt veicina palielināts virsmas laukums un absorbcija.
Izturība un ķīmiskā izturība
Svarīgs jautājums rūpnieciskai ieviešanai ir tas, vai nanostruktūras izdzīvo agresīvā ķīmiskajā pakalpojumā. PTFE ir slavens ar savu inerci, taču nanomēroga īpašības ir trauslas. Jārisina vairākas problēmas:
Termiskā riteņbraukšana– Atkārtota sildīšana un dzesēšana (piem., no apkārtējās vides līdz 150 grādiem) var izraisīt diferenciālu izplešanos, kas saplīst plānās balstās vai piepilda bedres ar gružiem. "Atkārtoti ienākošo" ģeometriju (pārkarošo elementu) izpēte var uzlabot noturību.
Nobrāzums– PTFE ir mīksts. Nanostruktūras var nolietot plūstošas putras, kustīgas daļas vai pat tīrīšanas lupatiņas noslaukot. Tiek pētīti aizsargpārklājumi vai pašatjaunošanās struktūras.
Ķīmiskais uzbrukums– Lai gan PTFE iztur gandrīz visas ķīmiskās vielas, daži ļoti agresīvi fluorēti oksidētāji (piemēram, fluora gāze, hlora trifluorīds) var ietekmēt virsmu. Tomēr šādas ķīmiskās vielas reti tiek karsētas iegremdējamajos sildītājos. Standarta skābēm, bāzēm un šķīdinātājiem nanostrukturētā virsma paliek ķīmiski identiska lielapjoma PTFE.
Netīrumi– Nosēdumi (mērogs, organiskās plēves) var aizpildīt nanostruktūras un liegt to ieguvumu. Šķidrumos ar noslieci uz kaļķakmens gludu virsmu patiesībā var būt vieglāk tīrīt. Nanostrukturētas virsmas ar superhidrofobām vai superoleofobiskām īpašībām var izturēt piesārņojumu, taču šī ir aktīva pētniecības joma.
Agrīnie eksperimentālie pētījumi ar viegli abrazīviem šķīdumiem (piemēram, atšķaidītām skābēm 80 grādu temperatūrā) ir parādījuši, ka nanostruktūras, kas iegūtas, izmantojot formēšanu vai augstas enerģijas lāzera ablāciju, var izturēt simtiem termisko ciklu bez būtiskas degradācijas. Plazmas iegravētām virsmām var būt nepieciešama aizsardzība vai tās var būt tikai tīras, neabrazīvas virsmas.
Lietošanas scenāriji un iespējamās priekšrocības
Ja var pārvarēt izturības problēmas, nanostrukturēti PTFE sildītāji būtu īpaši vērtīgi:
Augsta vatu blīvuma iegremdēšanas apkure– Lietojumos, kur vieta ir ierobežota (piemēram, kompaktas procesa slīdnes), nanostrukturēts PTFE sildītājs var droši darboties ar 15–20 W/in², nevis parasto 10 W/in², lai nodrošinātu vienmērīgu PTFE, tādējādi samazinot sildītāju skaitu un nospiedumu.
Vārīšanās un tuvu vārīšanās procesi- Iztvaicētāji, tvaika ģeneratori un apsildāmi reakcijas trauki, kas darbojas šķidruma viršanas temperatūrā, redzētu vislielāko relatīvo uzlabojumu, pateicoties uzlabotai kodēšanai.
Kodīga vide– Ja metāla sildītāji nav pieejami punktveida vai sprieguma korozijas plaisāšanas dēļ, nanostrukturēts PTFE sildītājs varētu atbilst metāla sildītāja termiskajai veiktspējai, vienlaikus nodrošinot PTFE ķīmisko imunitāti.
Zemas plūsmas vai stāvošas tvertnes– Nekustīgos šķidrumos, kur dabiskā konvekcija ir vāja, absorbcijas un kodolu veidošanās efekti var radīt lokālu mikrokonvekciju, kas uzlabo kopējo siltuma sadali.
Pašreizējais izpētes statuss un komerciālā perspektīva
Sākot ar 2020. gadu vidu, nanostrukturētas PTFE virsmas iegremdējamajiem sildītājiem lielākoties joprojām atrodas pētniecības un izstrādes posmā. Universitātes un korporatīvās laboratorijas ir pierādījušas koncepcijas pierādījumu par maziem kuponiem un īsiem sildītāju segmentiem. Izmēģinājuma mēroga iegremdējamie sildītāji ar nanostrukturētiem apvalkiem ir pārbaudīti laboratorijas tvertnēs vairākus simtus stundu. Tomēr neviens no lielākajiem sildītāju ražotājiem vēl nav izlaidis komerciālu produktu ar nanostrukturētu PTFE virsmu.
Galvenie šķēršļi komercializācijai nav zinātniski, bet gan inženiertehniskie: mērogojamas, atkārtojamas un rentablas metodes izstrāde nanostruktūru pielietošanai sildītāja izmēra virsmām (desmitiem centimetru garām, ar sarežģītām formām, piemēram, L veida līkumiem vai U veida līkumiem); ilgstošas izturības pierādīšana reālā industriālā vidē (tūkstošiem termisko ciklu, neregulāras sausās uguns, tīrīšanas procedūras); un konstatē, ka veiktspējas pieaugums attaisno pievienotās ražošanas izmaksas.
Visticamāk, ka pirmie komerciālie pielietojumi tiks izmantoti augstākās kvalitātes, augstas vērtības tirgos: pusvadītāju slapjos stendos, farmācijas reaktoros un laboratorijas vārīšanas sistēmās. Tā kā ražošanas metodes kļūst nobriedušas un izmaksas samazinās, nanostrukturēti PTFE sildītāji var kļūt par standartu kodīgām, augstas siltuma plūsmas darbībām.
Secinājums
Nanostrukturēšana var atrisināt PTFE lielāko vājo vietu-termisko slinkumu-, neskarot tā lielāko stiprību-ķīmisko inerci. Izveidojot virsmas ar nanomēroga bedrēm, pīlāriem vai izciļņiem, izmantojot plazmas kodināšanu, femtosekundes lāzera ablāciju vai nanonospiedumu litogrāfiju, pētnieki ir pierādījuši, ka PTFE iegremdējamo sildītāju siltuma pārneses koeficientu var ievērojami palielināt. Uzlabotais virsmas laukums, burbuļu veidošanās vietas un kapilāru absorbcijas efekti sola nodrošināt lielāku vatu blīvumu, mazākus sildītājus vai drošāku darbību viršanas temperatūras tuvumā. Lai gan joprojām pastāv problēmas saistībā ar izturību un mērogojamu ražošanu,nanostrukturēts PTFE virsmas uzlabots siltuma pārneses sildītājskoncepcija ir īsts solis uz priekšu. Sildelementu nākotne var tikt veidota atomu mērogā, kur saskarne starp polimēru un šķidrumu tiek pārrakstīta, lai pārvadātu vairāk siltuma, efektīvāk un ilgāk. Nākamajā desmitgadē kādreiz mierīgais PTFE apvalks var kļūt par aktīvu, inteliģentu termisko virsmu-, kas izstrādāta ne tikai tā, lai pretotos, bet arī darbotos.
