46、微波熔覆材料腐蚀行为与铁磁流体冷却系统传热性能研究

微波熔覆材料腐蚀行为与铁磁流体冷却系统传热性能研究

1. 微波熔覆材料的腐蚀行为

1.1 腐蚀速率评估与现象解释

腐蚀速率（CPR）的计算与单位有关，若 CPR 单位为 mm/year，k = 87.6；若 CPR 单位为 mpy，k = 534。腐蚀行为是一种电化学现象，可从材料的电学和化学角度来解释。在酸性环境中，添加硬质陶瓷并在表面形成氧化层，能很好地降低腐蚀速率。这是因为从化学角度看，形成的高 nobility 导致热导率不同，从而降低了腐蚀速率。而在氯化物介质中，熔覆样品的腐蚀几乎为零，这意味着熔覆材料能极大地阻止离子在氯化物溶液中的移动，减少腐蚀和损失。

1.2 能量色散分析

能量色散法可对样品进行元素分析。通过 EDS 分析，验证了粉末材料与基体材料之间形成了冶金结合。对样品的两个不同位置进行 EDS 测试，一个是界面位置，另一个是熔覆表面位置。在所有四个熔覆样品的外表面区域都发现了铁元素，这表明在熔覆过程中基体材料发生了熔化，并形成了冶金结合。

1.3 研究结论

采用了一种新的加工方法在基体材料上进行熔覆。在 2.45 GHz 频率下，实现了在低碳钢材料上熔覆 Al + SiC。主要研究成果如下：
- 向基体材料添加铝和碳化硅熔覆材料，可降低其在不同腐蚀环境下的腐蚀倾向。
- 添加硬质陶瓷能提高熔覆表面的硬度，在许多情况下，硬度和耐腐蚀性对于船舶船体、海军结构等表面至关重要。
- 熔覆表面在氯化钠介质中无重量损失，在硝酸介质中，与整体材料相比，熔覆表面的损失量逐渐减少。

1.4 未来展望

尽管微波熔覆有诸多优点，但仍存在挑战和局限性：
- 材料与微波的相互作用机制尚未完全研究清楚，微波熔覆目前主要适用于平面，对复杂表面的熔覆仍是一项挑战。
- 微波对碳化硅（SiC）和氧化铝（Al₂O₃）有良好的吸收性，未来可对碳化硅块包裹涂层的尖端进行合理设计。
- 目前尚未进行工艺建模方面的研究，需要开发一个能考虑各种输入工艺条件和输出参数的数学模型。

2. 铁磁流体冷却系统的传热性能

2.1 研究背景与动机

随着电子设备尺寸不断减小，如何有效散热成为科学界面临的挑战。热管理对于设备的可靠和长期运行至关重要，否则设备更容易过早失效。纳米流体在一定程度上解决了微小型设备的对流换热问题，但依赖外部泵来循环流体，降低了系统的可靠性。铁磁流体则为这类设备的冷却提供了潜在解决方案，且不影响系统可靠性。

2.2 铁磁流体特性与工作原理

铁磁流体是一种胶体混合物，由通常小于 10 nm 的单畴磁性颗粒分散在非磁性载液中组成。纳米颗粒通常涂有 2 - 3 mm 厚的表面活性剂层，以防止团聚。铁磁流体驱动的热交换器基于热磁对流原理工作，外部磁铁产生的磁场为流体提供泵送力，使系统无需泵或其他设备来循环对温度敏感的铁磁流体。

2.3 相关研究回顾

• 有研究使用两相混合法研究了水基铁磁流体在非均匀磁场和正弦波纹壁条件下的流体动力学和热行为，发现努塞尔数随波幅、纳米颗粒体积分数和负磁场梯度的增加而增加。
• 对水基铁磁流体在恒定壁热通量下，由永磁体或载流导线产生磁场的三维强制对流换热进行了研究和比较，发现永磁体产生磁场时的换热率更高。
• 实验研究了铁磁流体在均匀加热平行板中，在电磁铁产生的交变磁场影响下的层流强制对流换热，发现换热与雷诺数和铁磁流体浓度直接相关，且在交变磁场下，压力降的增加相对小于换热增强。
• 分析了铁磁流体在外部磁场作用下，对层流微流体通道流动传热性能的影响，发现传热率随磁性纳米颗粒体积浓度的增加而增强，但随磁场强度的增加而降低。
• 数值研究了非均匀磁场对铁磁流体在 90°弯头通道内流动特性和层流对流换热的影响，发现增加纳米颗粒浓度可提高通道内的传热率。
• 实验研究了 Fe₃O₄/水（3 vol%）纳米流体在平行恒定均匀磁场和不同温度下的对流换热行为，发现对流换热系数随磁场强度的增加而降低，但随温度的升高而增强。
• 数值研究了水基铁磁流体在无磁场的平行板通道中，稳定、层流和水力充分发展流动时的传热系数增强情况，发现传热系数随纳米颗粒浓度的增加而增加。

2.4 本研究内容

本研究对煤油基铁磁流体作为微型/微器件冷却液的潜在应用进行了数值模拟和实验研究。使煤油基铁磁流体在永磁体产生的磁场作用下，通过一个闭环流动。施加 0 - 10 W 的恒定热通量条件，使用红外热成像技术测量温度。通过在相同测试条件下进行实验，验证了模拟研究的结果，发现实验观察结果与数值结果吻合良好。绘制了给定热负荷范围内的速度和温度分布曲线，证明了铁磁流体作为微型/微器件潜在冷却液的可行性。

2.5 数学建模与数值模拟

2.5.1 几何描述

使用的二维模型中，煤油基铁磁流体在尺寸为 170 mm × 95 mm、内径为 2 mm 的闭环中流动。使用强度为 1000 Gauss 的永磁体产生外部磁场，在下部回路中使用宽 1 mm、高 15 mm、间距为 2 mm 的矩形鳍片将热通量散发到周围空气中。

2.5.2 控制方程

单相铁磁流体在闭环中的流动由以下方程控制：
- 连续性方程：$\frac{\partial\rho}{\partial t}+\nabla\cdot(\rho\vec{u}) = 0$
- 动量方程：$\rho\frac{\partial\vec{u}}{\partial t}+\rho\vec{u}\cdot\nabla\vec{u}=-\nabla p+\nabla\cdot(\mu(\nabla\vec{u}+(\nabla\vec{u})^T))+\vec{F}$
- 能量方程：$\rho c_p(\frac{\partial T}{\partial t}+\vec{u}\cdot\nabla T)=k\nabla^2T$
- 磁感应方程：$\vec{B}=\mu_0(\vec{H}+\vec{M})$
- 驱动力（开尔文体力）：$\vec{F}=(\vec{M}\cdot\nabla)\vec{B}$

所用煤油基铁磁流体的特性如下表所示：
| S. No. | Parameters | Value |
| ---- | ---- | ---- |
| 1 | Viscosity, μ | 2 cP |
| 2 | Density, ρ | 910 kg/m³ |
| 3 | Thermal conductivity, k | 0.174 W/(m - K) |
| 4 | Curie temperature of the fluid | 55 °C |
| 5 | Surrounding temperature | 20 °C |
| 6 | Magnetic susceptibility | 0.386 |
| 7 | Relative permeability of fluid | 1.386 |

使用基于偏微分方程（PDE）的多物理场有限元软件 COMSOL Multiphysics 5.0 对控制方程进行建模和求解。假设流体在内壁表面满足无滑移条件，初始时铁磁流体在回路中的温度为 273 K，提供恒定热通量，且流体流动为层流和不可压缩。

2.5.3 网格研究

对不同网格设置下铁磁流体的温度和速度结果进行了研究。结果如下表所示：
| Grid size | Ferrofluid temperature (K) | Ferrofluid velocity (mm/s) |
| ---- | ---- | ---- |
| Normal | 322.27 | 2.1455 |
| Fine | 322.83 | 2.1984 |
| Finer | 323.58 | 2.2575 |
| Extra fine | 323.66 | 2.2597 |
| Extremely fine | 323.62 | 2.2601 |

通过网格独立性检查发现，从更精细网格到极精细网格，两个参数的变化可忽略不计。因此，在流体流动区域使用物理控制的更精细网格，以准确测量温度和速度，而在其余计算区域使用正常网格。

2.6 实验设置

实验装置包括一个内径为 2 mm、厚度为 2 mm、长度为 170 mm 的水平上部铜管，其余部分为玻璃管。使用强度为 1000 Gauss 的永磁体产生磁场。传热部分通过直流电源进行电加热，提供均匀热通量。在下部回路中循环冷水，使用 Masterflex 精密泵调节流量，以保持铁磁流体出口温度恒定。使用红外热成像仪测量加热铜管的温度场和散热器出口处的温度。所用煤油基铁磁流体为定制制备，其中铁纳米颗粒的平均尺寸为 30 nm。

2.7 结果与讨论

• 当流体受到 5 W 恒定热通量时，随着时间推移，流体温度升高并接近居里温度。在磁场作用下，由于温度分布不均匀，流体受到开尔文体力作用，开始向高温区域流动，无需机械泵即可自行建立流动。
• 铁磁流体的速度随时间逐渐增加，最终在初始瞬态期结束后稳定。在流体即将进入加热段时，速度达到最大值。
• 永磁体的磁场分布表明，磁场影响仅在磁铁附近的小区域内明显，远离磁铁处磁场强度和速度可忽略不计。
• 绘制了不同时刻作用在铁磁流体上的开尔文体力平均 X 分量的变化曲线。
• 实验和数值模拟结果显示，当热负荷为 5 W 时，两者的温度变化曲线吻合良好。
• 随着系统热负荷的增加，流体速度也随之增加，这是因为热输入增加导致温度梯度增大，从而产生更大的体力，在磁场作用下使流体速度升高。
• 在靠近加热段入口处，垂直于流体流动方向的截面上，由于无滑移条件，内壁表面速度为零，向中心逐渐增加，在管道中心线处达到最大值。

综上所述，微波熔覆材料在腐蚀防护方面有一定的优势和应用前景，而铁磁流体冷却系统在微型/微器件散热方面展现出了良好的性能和潜力。未来可针对各自的挑战和局限性进行深入研究和改进。

3. 综合对比与分析

3.1 两种技术的优势对比

微波熔覆材料和铁磁流体冷却系统都有各自独特的优势，以下是详细对比表格：
| 技术类型 | 优势 |
| ---- | ---- |
| 微波熔覆材料 | - 降低材料在不同腐蚀环境下的腐蚀倾向，提高材料的耐腐蚀性。
- 添加硬质陶瓷能提高熔覆表面的硬度，适用于对硬度和耐腐蚀性要求高的场景，如船舶船体、海军结构。
- 在某些介质（如氯化钠介质）中无重量损失，具有良好的化学稳定性。 |
| 铁磁流体冷却系统 | - 无需外部泵循环流体，提高了系统的可靠性，适用于对系统可靠性要求高的微型/微器件。
- 可通过调节磁场和热负荷来控制流体的流动和传热性能，具有较好的灵活性。
- 实验和数值模拟结果吻合良好，为实际应用提供了可靠的理论支持。 |

3.2 技术应用场景分析

根据两种技术的特点，可以分析出它们的适用场景，以下是 mermaid 格式的流程图：

graph LR
    A[高腐蚀风险场景] --> B[微波熔覆材料]
    C[微型/微器件散热] --> D[铁磁流体冷却系统]
    E[对硬度和耐腐蚀性要求高的结构] --> B
    F[对系统可靠性要求高的设备] --> D

从流程图可以看出，微波熔覆材料适用于高腐蚀风险场景和对硬度、耐腐蚀性要求高的结构，如化工设备、海洋工程结构等；而铁磁流体冷却系统则适用于微型/微器件散热和对系统可靠性要求高的设备，如电子芯片、传感器等。

3.3 面临的共同挑战与解决思路

虽然两种技术都有很大的应用潜力，但也面临一些共同的挑战，以下是列表说明及相应的解决思路：
- 基础研究不足 ：微波熔覆材料的材料与微波相互作用机制尚未完全研究清楚，铁磁流体冷却系统的铁磁流体与磁场的相互作用也有很多未知之处。解决思路是加强基础研究，开展更多的实验和理论分析，深入了解其物理机制。
- 工艺优化困难 ：微波熔覆材料的复杂表面熔覆工艺和铁磁流体冷却系统的系统设计和优化都存在一定困难。解决思路是采用先进的工艺优化方法，如数值模拟、实验设计等，不断改进工艺参数。
- 成本较高 ：两种技术的材料和设备成本相对较高，限制了其大规模应用。解决思路是通过技术创新和规模化生产，降低材料和设备成本。

4. 结论与展望

4.1 研究成果总结

• 微波熔覆材料方面，通过添加铝和碳化硅熔覆材料，有效降低了材料在不同腐蚀环境下的腐蚀倾向，提高了熔覆表面的硬度，在某些介质中表现出良好的化学稳定性。
• 铁磁流体冷却系统方面，通过数值模拟和实验研究，验证了煤油基铁磁流体作为微型/微器件冷却液的可行性，证明了其在磁场作用下可自行建立流动，实现高效散热，且实验和数值结果吻合良好。

4.2 未来发展方向

• 微波熔覆材料 ：
  • 深入研究材料与微波的相互作用机制，开发适用于复杂表面的熔覆工艺。
  • 优化碳化硅块包裹涂层的尖端设计，提高微波吸收效率。
  • 建立完善的工艺数学模型，实现工艺的精确控制和优化。
• 铁磁流体冷却系统 ：
  • 进一步研究铁磁流体与磁场的相互作用，开发更高效的磁场控制技术。
  • 拓展铁磁流体的应用范围，如应用于高温、高压等特殊环境。
  • 降低铁磁流体的成本，提高其市场竞争力。

4.3 对相关领域的影响

微波熔覆材料和铁磁流体冷却系统的发展将对多个领域产生积极影响：
- 在材料科学领域，微波熔覆材料的研究将推动材料表面改性技术的发展，提高材料的性能和使用寿命。
- 在电子工程领域，铁磁流体冷却系统的应用将解决微型/微器件的散热难题，促进电子设备的小型化和高性能化。
- 在能源领域，两种技术的应用将提高能源设备的效率和可靠性，降低能源消耗和环境污染。

总之，微波熔覆材料和铁磁流体冷却系统具有广阔的发展前景，未来的研究和应用将为相关领域带来新的突破和发展。