Texturização a laser de superfícies de cobre para aplicação em transferência de calor com mudança de fase

Abstract

A transferência de calor com mudança de fases permite alcançar elevadas taxas de transferência de calor associadas a pequenas alterações de temperatura. Com isso, o fenômeno é empregado em diversas aplicações industriais e energéticas, tais como em evaporadores de condicionadores de ar automotivos, tubos de calor pulsantes utilizados para gerenciamento térmico na indústria aeroespacial, bem como em trocadores de calor para a indústria de semicondutores. Ainda que a transferência de calor com mudança de fase já auxilie a humanidade por mais de dois milênios, pouco progresso foi feito nos últimos quarenta anos no que diz respeito à otimização das superfícies para melhorar o desempenho básico de componentes que trabalham a partir desse fenômeno. No entanto, espera-se que a texturização a laser mude essa realidade através da modificação da molhabilidade de trocadores de calor, o que pode levar a uma otimização da transferência de calor. Nesse contexto, a texturização de superfície de cobre eletrolítico, material comumente empregado para aplicações que envolvam transferência de calor com mudança de fase, foi realizada utilizando um laser de fibra nanopulsado associado a um scanner galvanométrico. Um design de experimentos foi elaborado com o objetivo de verificar o efeito dos parâmetros sobreposição de pulsos, potência do laser, número de varreduras e largura de pulso às respectivas características da superfície processada. A largura e a profundidade de sulco foram avaliadas, bem como a integridade de superfície da região modificada. Essas análises foram realizadas por meio de Interferometria de Luz Branca, Microscopia Óptica e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). A análise da integridade de superfície é especialmente importante, já que há uma falta de informação relativa ao efeito da texturização nas propriedades de superfície, visto que a maior parte dos pesquisadores foca quase que exclusivamente na topografia da superfície, não nos efeitos térmicos que a texturização a laser pode causar no material do substrato. Uma vez compreendidos os efeitos dos parâmetros do laser nas características da superfície obtida, texturas foram manufaturadas e avaliadas para investigar seus efeitos sobre a molhabilidade, a qual influencia a performance da transferência de calor. Observou-se que a presença de óxido de cobre nas texturas obtidas por laser conferiu hidrofilia às superfícies, de modo que 100% delas apresentou caráter hidrofílico e a maior parte delas atingiu ângulos de contato aparentes de 0°. Um processo de limpeza com ácido sulfúrico (H2SO4) foi proposto para remover esse óxido e diminuir a molhabilidade, permitindo que 62,5% das superfícies adquirissem hidrofobia. Apesar de a maior parte das texturas limpas com ácido atingirem ângulos de contato aparente entre 128 ° e 144 °, também foram obtidas características extremas de molhabilidade, com ângulos variando de 0 ° a 180 °. Com relação aos efeitos térmicos do laser no cobre eletrolítico, não foram observadas alterações microestruturais.

Abstract: Phase change heat transfer allows high heat transfer rates associated to small temperature variation. Given that, the phenomenon is employed to several energy and industry applications, such as automotive air-conditioning evaporators, pulsating heat pipes employed for aerospace thermal management and semiconductor manufacturing heat exchangers. Although phase change heat transfer serves mankind for more than two millennia, little progress has been made in the last 40 years regarding basic performance of phase change heat transfer surfaces. However, laser texturing is expected to change this scenario through wettability modification of heat exchanger surfaces, which can lead to heat transfer improvement. In this context, surface texturing of electrolytic copper (material commonly employed in phase change heat transfer applications) was performed using a nanosecond pulsed fiber laser source associated to a galvanometric scanner. A design of experiments was performed in order to verify the effects of the parameters pulse overlapping, laser power, number of scanning repetitions and pulse duration on their respective machining features. Machining depth and width were evaluated, as well as surface integrity of the processed region. Those analyses are performed by means of white light interferometry, optical microscopy and scanning electron microscopy. The surface integrity analysis is especially important, since there is a lack of information regarding texturing effects on surface properties, as most researches focus almost exclusively on surface topography, not on the thermal effects that laser texturing can promote to the substrate material. After comprehending the parameter effects on the machining features, surface textures were manufactured and evaluated in order to define their effect over surface wettability, which influences the heat transfer performance. Copper oxide present on the laser generated textures granted them hydrophilicity, so that 100% of the textures became hydrophilic after laser processing. Besides that, most of the tested textures achieved apparent contact angles of 0°. A cleaning process with sulfuric acid (H2SO4) was proposed to remove this oxide and decrease the wettability, allowing that 62,5% of the surfaces to become hydrophobic. Despite most of the cleaned surfaces have achieved apparent contact angles between 128 ° and 144 °, extreme wettability characteristics could also be obtained by texturing and cleaning the samples. The measured apparent contact angles for these conditions varied between 0 ° and 180 °. Regarding the surface integrity analysis of laser textured electrolytic copper, no microstructural modifications were observed.