一種表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構及制造方法、應用

本發明屬于微納制造、功能結構表面，涉及一種散熱結構，尤其涉及一種表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構及制造方法、應用。

背景技術：

1、隨著高精尖電子裝備如：集成電路、ai芯片向高度集成、高強度算力的發展勢頭，其熱功率密度和功率損耗持續攀升，散熱問題早已成為制約其發展瓶頸。如今傳統散熱手段，如自然對流、強迫對流以及熱傳導等，由于其傳熱能力的限制，已難以滿足高熱流電子器件的散熱需求。此外航空航天器集成化、輕量化和極端服役環境的發展趨勢，能量轉換產生的熱負荷問題也日益凸顯，如航空器發動機熱部件(渦輪葉片、尾噴管)溫度已達到1173k，而傳統散熱裝置不僅需要消耗巨大能源還占據了大量空間，嚴重約束了其輕量集成化發展。無對流換熱的外太空，面向太陽輻照航天器表面溫度高達423k，為解決航天器表面溫度不平衡問題維持內部穩定溫度，輻射冷卻成為其主要散熱手段。如何對電子裝備、航空航天器等人造結構進行低能耗高效散熱成為發展下一代高性能系統、實現節能減排所面臨的重大挑。因此研發低能耗、低碳排放、且不需額外能源輸入的散熱冷卻技術迫在眉睫。

技術實現思路

1、本發明提供一種表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構及制造方法、應用，以克服現有技術的缺陷。

2、為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

3、第一方面，本發明提供了一種表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，由三層結構組成；底層結構為基板；底層結構的頂部為近紅外波長尺度的光柵結構；中層結構為高熱導率金剛石薄膜，覆蓋并填平底層結構；中層結構的頂部為親液微納結構；頂層結構為二氧化硅薄膜。

4、通過簡單調控近波長光柵結構尺寸、截面形狀，耦合不同波段入射電磁波，激發表面等離子共振效應，使得結構在大氣窗口波段(8～14μm)高輻射，將熱量耗散至低溫外太空，實現高效的選擇性輻射冷卻；并且憑借高紅外透過率的金剛石薄膜與光柵微槽致密結合，增大了比表面積使得界面熱阻小，底層熱量高效通過高熱導率金剛石薄膜向上進行熱量傳導；同時金剛石薄膜頂層隨機分布的超親水微納結構與親液屬性二氧化硅納米薄膜結合，增強了工質毛細擴散水平、利用蒸發吸熱，實現了高效的相變散熱。輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發多種散熱耦合機制，極大提高熱量傳輸，降低結構表面溫度與熱應力，實現高性能零能耗散熱。

5、可選地，所述基板的材料為高溫合金、鈦、銅、鎳、金、鉑、銀等金屬。

6、可選地，所述光柵結構由若干呈平行或正交陣列排布的微槽構成，微槽的截面為v形、矩形或梯形，微槽內部光滑且邊緣鋒利。

7、可選地，所述微槽的頂部槽寬為1.0～10μm，槽深為1～5μm；微槽之間的間距為2.0～20μm。基板的厚度為0.3～1mm。

8、可選地，所述親液微納結構為隨機分布的乳突和/或多孔狀微米和/或納米尺度結構。

9、可選地，所述金剛石薄膜的厚度為10～100μm；親液微納結構的織構厚度為1～100μm。

10、可選地，所述二氧化硅薄膜的厚度為100～1000nm。

11、第二方面，本發明提供了上述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構的制造方法，包括以下步驟：步驟一、在基板表面加工出近紅外波長尺度的光柵結構，形成底層結構；步驟二、在底層結構表面加工出金剛石薄膜，且使其覆蓋并填充光柵結構；在金剛石薄膜的頂部加工出親水微納結構，形成中層結構；步驟三、在中層結構表面鍍二氧化硅薄膜，形成頂層結構。

12、可選地，步驟一中，利用飛秒激光直寫或光刻工藝加工所述近紅外波長尺度的光柵結構；步驟二中，利用cvd化學氣相沉積加工所述金剛石薄膜；采用皮秒/納秒脈沖激光掃描加工所述親水微納結構。

13、第三方面，本發明提供了上述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構在散熱中應用。

14、本發明的有益效果在于：

15、一、本發明多層共筑結構耦合了輻射冷卻、高效熱傳導和液膜蒸發/沸騰相變傳熱，大幅提升了傳熱和散熱水平，且無需額外的外部能源輸入，對研發新型高性能、零能耗散熱器，推進高熱流密度先進系統發展、改善生態環境具有積極意義。

16、二、本發明多層共筑結構在耦合三種傳熱過程中，進行了聯合設計，有效避免了任一環節的能量損失：底部輻射電磁波通過中間層和頂層高透介質傳播至外太空散熱，中層通過熱傳導將底層熱量傳至頂層，頂層通過相變傳熱直接將熱量散失。

17、三、本發明結構簡單，具有較高的設計柔性，只需簡單改變光柵微槽周期、深寬比，即可激發表面等離子共振效應，調控電磁波選擇性高輻射，不僅可應用于輻射冷卻領域，也可應用于紅外傳感、偽裝等領域。

18、四、底層近波長尺度光柵結構極大增加了比表面積，提升了中層金剛石薄膜與底層的接觸面積，實現致密結合，極大地減小了界面熱阻，而且金剛石薄膜的高導熱性、高熱穩定性加快了熱量的輸送，此外其良好的紅外透過性能(透射率>71％)與底部光柵熱輻射波段完美匹配，進一步降低結構表面溫度。

19、五、中層金剛石薄膜頂部加工的親液微納結構，并結合納米尺度的具有親液屬性的二氧化硅鍍層，在不改變微納結構基礎上，大幅度強化了毛細擴散水平，利用蒸發吸熱提高了散熱效率。

技術特征：

1.一種表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：由三層結構組成；

2.根據權利要求1所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：

3.根據權利要求1所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：

4.根據權利要求3所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：

5.根據權利要求1所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：

6.根據權利要求1所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：

7.根據權利要求1所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構，其特征在于：

8.如權利要求1～7任意一項所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構的制造方法，其特征在于：

9.根據權利要求8所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構的制造方法，其特征在于：

10.如權利要求1～7任意一項所述的表面等離子共振輻射冷卻-熱傳導-液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構在散熱中應用。

技術總結
本發明公開了一種表面等離子共振輻射冷卻?熱傳導?液膜蒸發耦合散熱多層共筑微納結構及制造方法、應用,屬于微納制造、功能結構表面技術領域，多層共筑微納結構由三層結構組成；底層結構為基板；底層結構的頂部為近紅外波長尺度的光柵結構；中層結構為高熱導率金剛石薄膜，覆蓋并填平底層結構；中層結構的頂部為親液微納結構；頂層結構為二氧化硅薄膜。本發明耦合了輻射冷卻、高效熱傳導和液膜蒸發/沸騰相變傳熱，大幅提升了傳熱和散熱水平，且無需額外的外部能源輸入，對研發新型高性能、零能耗散熱器，推進高熱流密度先進系統發展、改善生態環境具有積極意義。

技術研發人員：楊曉龍,李文卓,郭何濤,井立然
受保護的技術使用者：南京航空航天大學
技術研發日：
技術公布日：2025/3/10