增强辐射传热能力的表面处理技术

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增强辐射传热能力的表面处理技术

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导读：辐射传热是自然对流和低气流速度应用场景中的主要散热方式。通过对冷却部件的表面处理，可以有效增强辐射传热能力。本文详细介绍了辐射传热的基本原理，并探讨了通过离子束纹理和阳极氧化等表面处理技术来增强辐射传热的具体方法。

辐射传热及表面处理

由于辐射传热其复杂的特性，是自然对流和低气流速度应用场景的散热主要方案。通过对冷却部件的表面处理，是增强辐射传热的一种有效方法。这些材料包括机壳、热交换器、散热器的有效表面积等。本文描述了辐射传热的概念，并给出了一些通过表面处理来增强辐射传热的例子。

热辐射是指物体由于其温度而发出的能量。所有物体都在绝对零度以上辐射。与其他传热方法不同，辐射不需要冷热表面之间的介质。

一种被称为“黑体”的理想情况的概念被用来比较材料的辐射量。黑体吸收来自所有方向、所有波长的入射辐射，而不反射传输或散射它。对于一个给定的温度和波长，没有一个物体能比黑体发出更多的辐射。黑体在不同温度值下的发射功率如图1所示。

图1.发射功率的低温光谱分布

如图1所示，在任何给定的波长下，黑体的辐射功率都随温度的升高而增加。此外，在任何给定的温度下，辐射功率随波长变化。

一个黑体在绝对温度T下发出的辐射能量，由斯蒂芬-玻尔兹曼方程计算：

$$P = \sigma AT^4$$

其中，$\sigma=5.67 \times 10^{-8} W /m².K^4$ 是斯特芬-玻尔兹曼常数，T是开尔文中的绝对温度，A是黑体的表面积。

方程1是基于理想化的黑体情况。对于真实的表面，发射率，ε被定义为在相同的温度下，一个表面发出的能量与一个黑体发射的能量之比。在绝对温度下的发射率为ε的表面对单位时间内所有波长的辐射能量，由方程2计算；

在任何热系统分析中，辐射传热的重要性不仅在于确定表面辐射能量，还在于表面与周围其他表面之间的辐射交换。当一个热表面辐射到其较冷的周围时，净辐射热损失可以根据公式3计算出来。

$$Q = \epsilon \sigma A (T_H^4 - T_C^4)$$

其中TH是热表面的温度，TC是它周围的温度，单位都是开尔文。

式3表明，冷热环境之间的温差对表面间辐射能量交换的影响最为显著。然而，在几乎所有的电子学应用中，这两种温度都不确定。因此，只有通过增加辐射表面积和表面发射率才能增强辐射传热。

在有限空间范围内，不增加零件尺寸的情况下增加有效表面积。微观纹理就是一个解决方案。微观表面纹理不仅增加了表面积，同时也增加了表面的发射率。

有许多制作表面纹理的方法。其中一种是化学蚀刻，常用于材料表面纹理处理。另一种是离子束纹理，其中离子轰击被用来选择性地蚀刻材料的应用。这种方法通过高能离子和衬底原子之间的碰撞，从原子的表面去除物质的过程。因为是在精细的尺度上完成，所以这个过程可以对表面特征进行很大程度控制。原则上，离子束纹理可以用于创建几乎任何类型的所需的表面形貌。离子束纹理的例子如图2所示。

图2.离子束纹理表面

离子束纹理表面通常能吸收大波长范围内超过90%的入射光，这意味着该表面具有高度的发射率。这种纹理表面将是理想的电子冷却，因为他们的显著增加的表面积。更大的表面积将增强辐射和对流传热，这在高功率电子的冷却中经常看到。

电子冷却中的表面处理方法

电子冷却中另一种常见的表面处理方法是阳极氧化。该方法主要用于处理热交换器、电子柜、外壳、散热器等的有效表面积。阳极氧化不仅提高了表面的发射率，还提高了表面的耐腐蚀性、耐磨性和电隔离性。

阳极氧化是一种电化学过程，可以增强金属部件表面自然形成的保护氧化层。它改变了在表面附近的金属的微观纹理。在这个过程中，要被阳极氧化的金属形成了一个电解回路的阳极（正极）。通过酸性电解溶液，电子电流在阴极（负极）释放氢气，在金属阳极（正极）表面释放氧气，形成金属氧化物的沉积物。形成直径为10-150nm的微孔涂层。金属氧化物的厚度取决于电解质的浓度、酸度、溶液温度以及工艺电流和电压。

阳极化的颜色对辐射传热没有影响。

设备表面颜色会影响辐射散热？？？

不同类型金属的阳极氧化过程有许多。其中最常见的是铬酸、硫酸酸和有机酸的阳极氧化反应。无论采用何种方法，阳极氧化都会纹理金属表面，增加其发射率，从而增加辐射传热。在自然对流和低气流条件下的热改善是由于阳极氧化表面的发射率导致的辐射传热的增强。在较高的气流下，对流传热成为主要的传热模式，缩小了散热器性能之间的差距。

辐射传热在电子冷却中与对流传热一样重要，特别是在自然对流和低气流应用中。为了进一步增强辐射，表面处理是一种可行的选择，不仅增加有效表面积，而且增加表面发射率。一个典型的阳极氧化过程有五个步骤：清洗、预处理、阳极氧化、着色和密封。

首先，使用碱性和酸性清洁剂来清除表面残留的油脂或污垢。接下来，用氢氧化钠蚀刻该表面，以去除微小的表面缺陷。在这个阶段，一层薄薄的金属层被移除，以创造一个哑光或暗淡的表面。然后，这个表面被磷和硝酸的浓缩混合物作用达到接近镜面，在化学上平滑金属表面。

着色可以通过许多不同的方式来实现。采用两步电解着色法，获得了技术上最先进的着色质量。将阳极氧化部分浸入含有无机金属盐的浴液中，然后施加电流，将盐沉积在孔的底部。所产生的颜色取决于所使用的金属、加工条件和有机染料的染料强度。无机盐中常用的金属包括锡、钴、镍和铜。