CN101554699B - 一种石墨基复合材料散热器的整体挤压成形制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子器件类热源散热器技术领域，具体为一种石墨基复合材料散热器的整体挤压成形制造方法，其制作工艺步骤为：将原料进行热混捏，制成混合均匀、粘塑性良好的糊料，并装入挤压机进行预压以形成坯锭；对坯锭进行挤压成形，挤出后冷却及切割；将挤压生制品进行焙烧及石墨化处理；对石墨化制品进行浸渗及表面处理，即为最终散热器产品，该制造方法具有以下优点：(1)可以整体制造截面复杂的石墨散热器；(2)灵活性大，通过更换挤压模具即可实现在同一台挤压机上生产形状、规格和品种不同的石墨散热器；(3)工艺流程简单，生产效率高。由该方法制造的石墨散热器具有导热好、质量轻等优点，而且其工艺过程无污染、简单易行、低耗高效。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件类热源散热器技术领域，具体为一种石墨基复合材料散热器的整体挤压成形制造方法。
背景技术
随着电子设备向精密化、小型化、轻量化发展，在运行过程中会产生和积累大量的热量，从而形成相对极端的温度。通常，大型计算机、电脑CPU、显卡及各种电器装置只能在特定的温度范围内正常工作。若这些组件运行过程中产生的热量不能被及时导出，整个系统的性能和稳定性就会受到严重的影响。同时，随着电子设备性能不断提升，集成度越来越高，因而对作为热调节重要组成部分的散热器也提出了越来越高的要求，这就迫切需要质量轻、导热好的散热器。
通常，电子器件设计有相应的散热组件，常用的有各种平直型翼片散热器和放射状翼片散热器。散热器通常由金属，其中绝大部分是铜或铝及其合金材料制成，这主要是由于铜、铝具有较高的导热系数其中纯铜为398W/m·K，纯铝为237 W/m·K。同时现有的成形制造工艺如模压、挤压等易于实现其产业化。此种散热器的导热机理是通过翼片及其它结构增加散热器的表面积，当空气自然对流或强迫对流通过翼片时，可以将电子器件所产生的热量传递到周围温度较低的环境中去，从而保证元器件的运行温度控制在允许范围之内。
目前，基本上整个CPU、显卡等电子器件领域仍然沿用铜、铝等金属散热器，然而随着铜、铝价格的不断攀升，散热器制造成本在不断增加，同时由于其密度较大使其难以满足轻量化的发展要求。而石墨材料在节约成本、减轻散热器质量和导热性能上体现出其巨大潜能，因此已经被引入到散热器件中。以石墨材料制造散热器尚处于起步阶段，当前已有的几种制造石墨散热器的方法均采用镶嵌或拼凑的方法，而非整体制造，且只能成形平直型散热器。此种典型工艺是：采用特殊石墨原料，再经特殊工艺制成导热石墨片材，然后将片材镶嵌在金属基底上，基底通常由铜、铝制成，或直接由长度不同的片材相互拼凑构成翼片状散热器。采用上述方法制造石墨散热器存在如下弊端：(1)需要选用自然界蕴藏较少的特种石墨矿，原料不易获得且价格昂贵；(2)有部分石墨原料被浪费掉；(3)工艺繁琐，不利于大批量产业化生产；(4)采用将片材镶嵌在金属基底上，由于大部分仍采用金属，因此未能彻底改变使用金属散热器的缺陷。国际上目前还没有关于整体制造石墨散热器的方法。
发明内容
本发明的目的正是在于提供一种工艺过程无污染、简单易行、低耗高效，并且制造的石墨散热器具有导热好、质量轻等优点的石墨基复合材料散热器的整体挤压成形制造方法。
本发明提供的石墨基复合材料散热器的整体挤压成形制造方法，其步骤为：
第1步、将原料进行热混捏，制成混合均匀、粘塑性良好的糊料，并装入挤压机进行预压以形成坯锭；所述原料为中温煤沥青和石墨，中温煤沥青的质量百分数为20％～40％；
第2步、对坯锭进行挤压成形，挤出后冷却，然后切割；
第3步、将挤压生制品进行焙烧及石墨化处理；
第4步、对石墨化制品进行浸渗及表面处理，即为最终散热器产品。
上述技术方案可以采用下述一种或几种方式进行改进：
上述原料中加入石油焦粉末，石油焦粉末与中温煤沥青质量比为：1∶2～3∶1。
第1步中，先将中温煤沥青放入混捏机内，开始加热并同时混捏，在煤沥青部分开始熔化后装入剩余材料，继续进行混捏，温度控制在150～195℃之间，混捏时间持续20～50分钟，或者是先将配好的原料在搅拌机内进行预搅拌，使其均匀混合，然后同时装入混捏机内进行混捏。
将混捏好的糊料装入挤压机进行预压以形成坯锭是指将混捏好的糊料装入烘箱中调节温度至90～130℃，或是是将糊料放入凉料机上进行机械化凉料，然后将其填入挤压筒内进行预压，预压压力介于50～150kg/cm3，并在此压力下保压1～5分钟，重复上述预压步骤1～3次。
对预压好的坯锭进行挤压成形的挤压压力控制在120～200kg/cm3，压出速度控制在0.2～2m/min，从挤压口出料后，快速冷却以尽快散发热量。
对挤压生制品进行焙烧的最高温度为1100～1350℃，焙烧过程各阶段的升温速率为从室温到350℃阶段维持在30～60℃/小时，从350℃到800℃阶段为在10～25℃/小时，最后阶段为35～80℃/小时，达到最高温度后保温3～8小时，然后开始冷却，初始冷却速度须控制在每小时50℃以内，到800℃时可以任其自然冷却，在400℃时可以出炉。
所述的石墨化处理是指将焙烧品放入石墨化炉中进行处理，开始阶段的升温速率为50～100℃/小时；然后，降低升温速率至20～40℃/小时，使温度达到第二设定温度；继续升温直至最高温度，在该最高温度下保持1～5小时，然后冷却出炉；所述开始阶段是指室温至第一设定温度，第一设定温度为900～1300℃，优选1100℃；第二设定温度为1500～1900℃，优选1700℃；最高温度为2100～2500℃。
所述的对石墨化制品进行浸渗是指对石墨化制品浸渗环氧树脂，其过程为：将石墨化制品放入浸渍罐内，首先抽真空使浸渍罐内气压小于等于10KPa，然后充入环氧树脂，使其完全淹没石墨化制品，然后向浸渍罐内充入高压气体，使罐内气压大于等于1MPa，保持此压力1～15分钟，再将制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出。
所述的对石墨化制品进行表面化处理是指对浸渗环氧树脂的石墨化制品表面镀覆一层金属。
本发明的有益效果是：该制造方法具有以下优点：(1)可以整体制造截面复杂的石墨散热器；(2)灵活性大，通过更换挤压模具即可实现在同一台挤压机上生产形状、规格和品种不同的石墨散热器；(3)工艺流程简单，生产效率高。由该方法制造的石墨散热器具有导热好、质量轻等优点，而且其工艺过程无污染、简单易行、低耗高效。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述：
实例1
(1)将质量百分数20％的中温煤沥青装入混捏机内，开始加热，将加热温度调至175℃，然后开始混捏。当煤沥青部分熔化时加入石墨和石油焦的混合粉，两者各占质量百分数25％和55％，混捏过程持续35分钟，制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)制得的糊料装入烘箱中，调节温度至130℃，然后填入挤压机的挤压筒内，施加50kg/cm3的压力预压，并在此压力下保压1分钟，卸掉压力，再预压二次，依然是50kg/cm3压力下保压1分钟。
(3)加压挤压，挤压压力为150kg/cm3，挤压速度为0.30m/min。
(4)步骤(3)出料后立即对其喷水冷却，挤压筒内坯锭挤压完毕，生制品冷却硬化后，将其切割成散热器所需的长度。
(5)将步骤(4)所得的挤压生制品放入焙烧炉中焙烧，设定焙烧工艺为：在室温下经6小时升温至350℃，12小时升温至550℃，10小时升温至800℃，10小时升温至1300℃，保温3小时后，以50℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(6)将步骤(5)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2500℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经20小时升温至1100℃，30小时至1700℃，10小时至2200℃，12小时至2500℃，在此温度下保温3小时，然后冷却出炉。
(7)将步骤(6)所得的石墨化制品放入真空浸渍设备，抽真空至浸渍罐内气压为10KPa，然后通入环氧树脂至完全淹没石墨化制品，之后往罐内充入高压气体至3MPa并保持此压力2分钟，然后卸压取出制品立即放入烘箱内进行固化，待固化完全后取出。
(8)在步骤(7)所得的制件表面电镀一层金属，即得最终的石墨散热器产品。
实例2
(1)将质量百分数40％的中温煤沥青、石墨和石油焦的混合粉(后两种粉各占40％和20％)，装入搅拌机内机械混合10分钟，然后将混合均匀的粉末装入混捏机内进行热混捏，设定混捏温度为150℃，经混捏50分钟制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)所制得的糊料卸到凉料机上冷却至125℃，然后填入挤压机的挤压筒内，施加150kg/cm3的压力预压，并在此压力下保压1分钟，卸掉压力，重新预压一次，同样是150g/cm3下保压1分钟。
(3)加压挤压，挤压压力为120kg/cm3，挤压速度为0.5m/min，从挤压口出料后立即对其喷水冷却，挤压筒内坯锭挤压完毕，待生制品冷却硬化后，将其切割成散热器所需的长度。
(4)将步骤(3)所得的挤压生制品放入焙烧炉中焙烧，设定焙烧工艺为：在室温下经8小时升温至350℃，14小时升温至550℃，10小时升温至800℃，10小时升温至1300℃，保温3小时后，以40℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(5)将步骤(4)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2500℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经12小时升温至1100℃，15小时至1700℃，10小时至2200℃，12小时至2500℃，在此温度下保温3小时后，冷却出炉。
(6)将步骤(5)所得的石墨化制品放入真空浸渍设备，抽真空至浸渍罐内气压为5KPa，然后通入环氧树脂至完全淹没石墨化制品，之后往罐内充入高压气体至2MPa并保持此压力5分钟，然后卸压取出制品立即放入烘箱内进行固化，待固化完全后取出。
(7)在步骤(6)所得的制件表面电镀一层锌，即得最终的石墨散热器产品。
实例3
(1)将质量百分数30％的中温煤沥青、石墨和石油焦的混合粉(后两种粉末各占30％和40％)，装入搅拌机内机械混合10分钟，然后将混合均匀的粉末装入混捏机内进行热混捏，设定混捏温度为180℃，经混捏40分钟制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)制得的糊料卸到凉料机上冷却至115℃，然后填入挤压机的挤压筒内，施加100kg/cm3的压力预压，并在此压力下保压2分钟，卸掉压力，重新预压一次，同样是在100g/cm3下保压2分钟。
(3)加压挤压，挤压压力为160kg/cm3，挤压速度为0.20m/min，从挤压口出料后立即对其喷水冷却，挤压筒内坯锭挤压完毕，待生制品冷却硬化后，将其切割成散热器所需的长度。
(4)将步骤(3)所得的挤压生制品放入焙烧炉中焙烧，设定焙烧工艺为：在室温下经10小时升温至350℃，20小时升温至550℃，12小时升温至800℃，10小时升温至1300℃，保温3小时后，以40℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(5)将步骤(4)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2500℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经20小时升温至1100℃，30小时至1700℃，10小时至2200℃，12小时至2500℃，在此温度下保温3小时后，冷却出炉。
(6)将步骤(5)所得的石墨化品放入真空浸渍设备，抽真空至浸渍罐内气压为2KPa，然后通入环氧树脂至完全淹没石墨化制品，之后往罐内充入高压气体至5MPa并保持此压力3分钟，然后卸压取出制品立即放入烘箱内进行固化，待固化完全后取出。
(7)在步骤(6)所得的制件表面电镀一层铜，即得最终的石墨散热器产品。
实例4
(1)将质量百分数30％的中温煤沥青粉末和70％的石墨粉末装入搅拌机内机械混合30分钟，然后将混合均匀的粉末装入混捏机内进行热混捏，设定混捏温度为180℃，经混捏50分钟制成粘塑性良好的糊料。
(2)将步骤(1)制得的糊料装入烘箱中，使其冷却至120℃，然后填入挤压机的挤压筒内，施加130kg/cm3的压力预压，并在此压力下保压2分钟，卸掉压力，重新预压一次，同样是在130g/cm3下保压2分钟。
(3)加压挤压，挤压压力为120kg/cm3，挤压速度为0.20m/min，从挤压口出料后将生制品放入水中浸泡冷却，待生制品冷却硬化后，将其切割成散热器所需的长度。
(4)将步骤(3)所得的挤压生制品放入焙烧炉中焙烧，设定焙烧工艺为：在室温下经10小时升温至350℃，20小时升温至550℃，12小时升温至800℃，10小时升温至1300℃，保温3小时后，以40℃/小时的速率降温至800℃，然后随炉冷却至400℃，出炉。
(5)将步骤(4)所得到的焙烧品装入石墨化炉中，进行石墨化，最高石墨化温度为2500℃，设定的石墨化工艺为：在室温下经20小时升温至1100℃，30小时至1700℃，10小时至2200℃，12小时至2500℃，在此温度下保温3小时后，冷却出炉。
(6)将步骤(5)所得的石墨化品放入真空浸渍设备，抽真空至浸渍罐内气压为2KPa，然后通入环氧树脂至完全淹没石墨化制品，之后往罐内充入高压空气至5MPa并保持此压力3分钟，然后卸压取出制品立即放入烘箱内进行固化，待固化完全后取出。
(7)在步骤(6)所得的制件表面电镀一层铜，即得最终的石墨散热器产品。
本发明首先利用挤压工艺将添加了粘接剂的石墨基复合材料整体成形平直型或放射状翼片散热器，然后通过热处理，包括焙烧、石墨化使散热器具有足够高的导热系数，再通过浸渗树脂增强和表面处理，最终获得所需的石墨散热器。该发明克服了传统方法制造铜、铝等金属散热器时的如下缺陷：(1)原材料开采冶炼时的严重污染；(2)散热器较重，不利于电子产品的轻量化；(3)原材料价格较高等。同时也避免了现有的非整体制造石墨散热器的如下弊端：(1)原材料处理繁琐；(2)只能成形简单形状的平直型翼片散热器；(3)手工式组装翼片，效率低；(4)难以实现机械化和自动化生产等。由本发明所制造的石墨散热器具有导热性能良好、质量轻、原材料丰富且便宜、简单易行、易实现机械化和自动化生产等优点。以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。
Claims (4)
1.一种石墨基复合材料散热器的整体挤压成形制造方法，其特征在于：其制作工艺步骤为：
第1步、先将配好的原料在搅拌机内进行预搅拌，使其混合均匀，然后一起装入混捏机内进行热混捏，将热混捏好的糊料装入挤压机进行预压以形成坯锭是指将热混捏好的糊料调节温度至90～130℃，然后将其填入挤压筒内进行预压，并保压1～5分钟，重复上述预压步骤1～3次；制成混合均匀、粘塑性良好的糊料，并装入挤压机进行预压以形成坯锭；所述原料为中温煤沥青和石墨，中温煤沥青的质量百分数为20％～40％；
第2步、对坯锭进行挤压成形，压出速度控制在0.2～2.0m/min，从挤压口出料后快速冷却，然后切割，得到挤压生制品；
第3步、将挤压生制品进行焙烧及石墨化处理，得到石墨化制品；
对挤压生制品进行焙烧的最高温度为1100～1350℃，焙烧过程各阶段的升温速率为从室温到350℃阶段维持在30～60℃/小时，从350℃到800℃阶段为在10～25℃/小时，最后阶段为35～80℃/小时，达到最高温度后保温3～8小时，然后开始冷却，初始冷却速度控制在每小时50℃以内，冷却后出炉；或者冷却到800℃时任其自然冷却，在400℃时出炉；
所述的石墨化处理是指将焙烧品放入石墨化炉中进行处理，开始阶段的升温速率为50～100℃/小时；然后，降低升温速率至20～40℃/小时，使温度达到第二设定温度；继续升温直至最高温度，在该最高温度下保持1～5小时，然后冷却出炉；所述开始阶段是指室温至第一设定温度，第一设定温度为900～1300℃；第二设定温度为1500～1900℃；最高温度为2100～2500℃；
第4步、对石墨化制品进行浸渗及表面处理，即为最终散热器产品；
所述的对石墨化制品进行浸渗是指对石墨化制品浸渗环氧树脂，其过程为：将石墨化制品放入浸渍罐内，首先抽真空使浸渍罐内气压小于等于10KPa，然后充入环氧树脂，使其完全淹没石墨化制品，然后向浸渍罐内充入高压气体，使罐内气压大于等于1MPa，保持此压力1～15分钟，再将制品放入烘箱内进行固化，固化完全后取出；
所述的对石墨化制品进行表面处理是指对浸渗环氧树脂的石墨化制品表面镀覆一层金属。
2.根据权利要求1所述的整体挤压成形制造方法，其特征在于：所述原料还包括石油焦粉末，石油焦粉末与中温煤沥青质量比为1∶2～3∶1。
3.根据权利要求1或2所述的整体挤压成形制造方法，其特征在于：第1步中，先将中温煤沥青放入混捏机内，开始加热并同时热混捏，在煤沥青部分开始熔化后装入其余原料，继续进行热混捏，温度控制在150～195℃之间，热混捏时间持续20～50分钟。
4.根据权利要求1或2所述的整体挤压成形制造方法，其特征在于：所述的石墨化处理中，第一设定温度为1100℃；第二设定温度为1700℃。
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