CN101704103A - 一种用于制造热导管内壁毛细结构的复合铜粉 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造热导管内部毛细结构的复合铜粉，该复合铜粉为铜粉和造孔剂粉末组成的混合物。使得在无需更改现有导热管制造工艺的情况下，能够产生更有利的毛细结构层。本发明所获得的复合铜粉经震实烧结后，制成高孔隙率的毛细结构层，其有效孔隙率和通孔率比普通铜粉大大提高，渗透率比普通铜粉烧制的材料也大大提高，大大提高了热导管的传热效率。

Description

一种用于制造热导管内壁毛细结构的复合铜粉
技术领域
本发明涉及一种复合铜粉，用于制造热导管内壁毛细结构。所述热导管包括普通烧结型热导管、复合热导管、环路热导管(Loop heatpipe)、平板热导管(Vapor chamber)等，可以应用于航空航天、电气、电子和机械等领域。
背景技术
近年来，随着航空航天、电气和电子领域的快速发展，尤其是半导体制造和电子封装技术的日新月异，电子电气元件的工作效率大幅提升。但是，在元器件快速工作运转的同时，热耗也在大量增加，随之而来的器件工作寿命和工作稳定性也受到严重制约，据统计，每当CPU的工作温度上升10℃，其寿命将降低50％；当电机的工作温度上升20℃，其故障率将增加30％。因此，有效地传导和处理这部分热耗，对于保证器件的工作稳定性和寿命至关重要。
现今主流的散热器件包括：散热风扇、散热片、散热模组和散热器等。其中的散热片、散热模组和散热器的核心传热部件为热导管。热导管由金属管和管内壁的毛细结构层组成，其内部包含散热流体，当热导管一端受热时，流体吸收热量气化形成高温气体，热导管另一端由于温度较低使高温气体冷凝成液态流体，液态流体在毛细结构层的毛细力作用下返回受热端，如此反复，形成连续的相变传热系统。
热导管的应用非常广泛，并正在不断扩大，目前主要应用于以下几方面：(1)宇航工程，如电子仓冷却散热和飞船表面的均温；(2)节能工程，如各种烟道气和空调排气的余热回收；(3)电子器件，如LED和电脑元器件散热；(4)电气系统，如引擎或电机的冷却；(5)机械加工，如铸型和刀具的冷却。
由于铜具有优异的传热特性和相对较低的价格优势，而成为制造热导管的主要金属。对于热导管内壁的毛细结构层一方面要求其具有很高的孔隙率以保证有足够的热源接触面积；另一方面，要求毛细结构材料内部的孔隙连通好且具有高的毛细力，以保证某些器件中的液态散热流体或介质能顺利和快速地通过。
目前，市售的铜粉在震实烧结(烧结温度为900-1050℃)后的孔隙率低于55％，孔隙连通率小于85％，用来评定毛细力的吸水速率实验值也低于2.4mm/sec，已应用于中低端器件的热导管的制造，但却无法满足高端产品的需求。
美国专利4885129公开了一种导热管的制造方法，其将镍粉和水、水溶性树脂和纤维素醚混合在一起，然后将旋转混合物涂覆在不锈钢管内壁，最后减压加热形成金属内壁。由于其工序复杂，不太适合导热管的制作(商业铜热导管是直接将铜粉填入震实后烧结而成的，无需溶液涂覆)，同时毛细结构层空隙率和导热管的导热效果也未提及。
美国专利6087024公开了一种利用非水性系统制造多孔结构的方法，其先将氢氧化物和带氢的硅氧烷混合，再与金属粉或陶瓷粉以及催化剂混合，形成带金属/陶瓷的聚硅氧烷聚合物，最后烧结形成多孔结构，适于制造反应性金属的多孔结构层(例如镁和铝)。由于其工序复杂，不太适合导热管的制作，同时毛细结构层空隙率和导热管的导热效果也未提及。
中国专利200610156330.5也提出一种高孔隙率金属多孔载体材料的制备方法，但是其烧结过程还需多阶段保温，用于特殊物质的吸附储存和催化剂载体，导热性能未知。不适于制造导热管。
因此，需要一种复合铜粉，使得在无需更改现有导热管制造工艺的情况下，能够产生更有利的内壁毛细结构层，提高导热管的导热效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制造热导管内壁毛细结构层的复合铜粉，该复合铜粉经震实烧结后，具有很高的孔隙率、孔隙连通率和毛细力，可大大提高热导管的散热效率。本发明目的通过以下方案实现：一种用于制造热导管内部毛细结构的复合铜粉，该复合铜粉为铜粉和造孔剂粉末组成的混合物。所述铜粉可以选自气雾化铜粉、水雾化铜粉、还原铜粉和电解铜粉。
优选地，所述铜粉的粉末粒度范围在30μm-600μm，其中优选100-400μm。
优选地，所述铜粉为团化粉和单颗粒非团化粉，其中优选单颗粒非团化粉。非团化粉和团化粉毛细结构相同，但是非团化粉的通孔率要好，因此优选单颗粒非团化粉。
优选地，所述造孔剂粉末为分解温度不高于700℃的化合物。
优选地，所述造孔剂粉末选自由下述化合物组成的组中的一个或多个：碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铜、碳酸铜、氢氧化铜、亚硝酸铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二璜酰肼、尿素、石蜡和甲基纤维素。
优选地，所述造孔剂粉末的粒度范围为30μm-500μm，其中优选30-200μm。
优选地，所述造孔剂粉末的添加量为复合铜粉总重量的0.1％-50％，其中进一步优选1％-50％，更进一步优选1％-20％。
对于不同种类的铜粉所用的造孔剂体系可以完全相同，其中最理想的造孔剂为选自由下述化合物组成的组中的一个或多个：尿素、石蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇、碳酸铵和甲基纤维素。出于成本、环保、安全性和稳定性等稳定性总和考虑，以上优选造孔剂性价比更高。
使用本发明的复合铜粉，使得在无需更改现有导热管制造工艺的情况下，能够产生更有利的毛细结构层。本发明所获得的复合铜粉经震实烧结后，制成高孔隙率的毛细结构层，其有效孔隙率、通孔率和毛细力可在原有纯铜粉的基础上得到明显提高，从而大大提高了热导管的传热效率。另外，根据本发明的特别优选的实施例，可以制造散热性极好的高端导热管。
本发明的另一个目的是提供一种具有良好散热效率的热导管。该目的通过使用下述热导管实现，该导热管为一种带有有利的内壁毛细结构的热导管，该内壁毛细结构由复合铜粉烧结制成。
本发明的另一个目的是提供一种高效散热器，该目的通过使用下述热导管实现，其由带有有利的内壁毛细结构的热导管制成，该内部毛细结构由复合铜粉烧结制成。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。但是本领域技术人员能够理解，本发明并不局限于具体的实施例。
表1示出了本发明使用的造孔剂的分解温度。可以看出，本发明使用的造孔剂为的分解温度不高于700℃的化合物。
将一定比例的造孔剂粉末加入铜粉中(所用的铜粉为单颗粒铜粉)，使铜粉与造孔剂粉末均匀混合，制备出复合铜粉。
复合铜粉在模具中震实后，在氢气还原炉中950℃烧结30分钟，测量孔隙率(Ptal)、通孔率(Rc)和毛细吸水速率(Sp)。
同时，为了对比的目的，每一实施例中均包括不加造孔剂的对比试样，以方便与本发明所得到的实验结果进行对比。
孔隙率定义为铜粉烧结后毛细结构烧结体内空孔的体积在总体积中所占的比值。其测量方法为将待测规则形状毛细结构样品至于天枰上，得到其重量m1，用卡尺测量毛细结构样品的尺寸可算出其总体积Vtal，铜的密度为8.96g/cm3，孔隙率为： P tal = ( 1 - m 1 / 8.96 V tal ) × 100 % .
通孔率表示毛细结构烧结体中能与外界连通的空孔占全部空孔的比值。其测量方法为将毛细结构烧结体浸至于水中，待其吸水饱和后取出，称其重量为m2，水的密度为1.00g/cm3，通孔率为：
R c = m 2 / 1.00 / V tal P tal .
毛细吸水速率表示烧结毛细内毛细力的大小，通过测量在毛细力作用下垂直于水平面的毛细结构体内的水流速度来表征。
水雾化铜粉
实施例1中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率变化不大，毛细吸水速率稍有提高。
实施例2中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高109％。
实施例3中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高66.7％。
实施例4中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率变化不大，毛细吸水速率稍有提高。
实施例5中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率有一定提高，毛细吸水速率提高29.6％。
实施例6中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率变化不大，毛细吸水速率稍有提高。
实施例7中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率有一定提高，毛细吸水速率提高30％。
实施例8中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高113％。
实施例9中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高66.7％。
实施例10中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高78.3％。
气雾化铜粉
实施例11中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率、毛细吸水速率基本不变。
实施例12中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高36.4％。
实施例13中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高84.2％。
实施例14中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率变化不大，毛细吸水速率稍有提高。
电解铜粉
实施例15中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率、毛细吸水速率基本不变。
实施例16中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高233％。
实施例17中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高433％。
还原铜粉
实施例18中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率、毛细吸水速率基本不变。
实施例19中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高107％。
实施例20中，与对比实验相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛细吸水速率提高150％。
从表2还可以看出，复合铜粉的松装密度范围为1.2g/cm3-3.4g/cm3。
尽管前述内容描述了本发明的特定实施例，应当理解这些实施例的组合、变化和子集是可以预计的。例如，应当理解，尽管此处的实施例涉及复合铜粉，这些实施例可以修改为用于制造导热管和散热器。
另外，也可以理解，本发明也可以用于制造其它复合金属粉，该复合金属粉可以用于制造理想的毛细结构(空隙率、通孔率以及毛细吸水率较高)，该复合金属粉为金属粉和造孔剂粉末组成的混合物，所述金属粉可以是铁粉、不锈钢粉、锌粉、铝粉以及合金粉。
表1造孔剂的分解温度
  造孔剂   常压分解温度(℃)
  碳酸铵   150
  碳酸氢铵   30℃
  硫酸铜   650
  碳酸铜   220
  氢氧化铜   140
  亚硝酸铵   40
  聚乙二醇   360
  聚乙烯醇   300
  聚氯乙烯   200
  聚苯乙烯   330
  二偶氮氨基苯   103
  偶氮二异丁腈   65
  二亚硝基五亚甲基四胺   700
  偶氮二甲酰胺   205
  二璜酰肼   147
  尿素   160
  石蜡   62
  甲基纤维素   250
Figure G2009102593918D0000091
Figure G2009102593918D0000101

Claims (26)

1.一种用于制造热导管内部毛细结构的复合铜粉，该复合铜粉为铜粉和造孔剂粉末组成的混合物。
2.根据权利要求1所述的复合铜粉，其特征在于，所述铜粉选自气雾化铜粉、水雾化铜粉、还原铜粉和电解铜粉。
3.根据权利要求2所述的复合铜粉，其特征在于，所述铜粉的粉末粒度范围在30μm-600μm，其中优选100-400μm；所述造孔剂粉末的粒度范围为30μm-500μm，其中优选30-200μm。
4.根据权利要求2所述的复合铜粉，其特征在于，所述铜粉为团化粉和单颗粒非团化粉，其中优选单颗粒非团化粉。
5.根据权利要求1所述的复合铜粉，其特征在于，所述造孔剂粉末为分解温度不高于700℃的化合物。
6.根据权利要求1所述的复合铜粉，其特征在于，所述造孔剂粉末选自下述化合物组成的组中一个或多个：碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铜、碳酸铜、氢氧化铜、亚硝酸铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二璜酰肼、尿素、石蜡和甲基纤维素。
7.根据权利要求6所述的复合铜粉，其特征在于，所述造孔剂粉末选自由下述化合物组成的组中的一个或多个：尿素、石蜡、聚乙二醇、聚乙烯醇、碳酸铵和甲基纤维素。
8.根据权利要求5-7之一所述的复合铜粉，其特征在于，所述造孔剂粉末的添加量为复合铜粉总重量的0.1％-50％，其中优选1％-50％，特别优选为1％-20％。
9.根据权利要求8所述的复合铜粉，其特征在于，对于铜粉为水雾化铜粉的情况，造孔剂粉末为尿素和聚乙烯醇混合物。
10.根据权利要求9所述的复合铜粉，其特征在于，尿素的添加量为复合铜粉总重量的2％，聚乙烯醇混合物的添加量为复合铜粉总重量的15％。
11.根据权利要求9所述的复合铜粉，其特征在于，尿素的添加量为复合铜粉总重量的10％，聚乙烯醇混合物的添加量为复合铜粉总重量的40％。
12.根据权利要求8所述的复合铜粉，其特征在于，对于铜粉为水雾化铜粉的情况，造孔剂粉末为石蜡。
13.根据权利要求12所述的复合铜粉，其特征在于，石蜡的添加量为复合铜粉总重量的5％。
14.根据权利要求12所述的复合铜粉，其特征在于，石蜡的添加量为复合铜粉总重量的50％。
15.根据权利要求8所述的复合铜粉，其特征在于，对于铜粉为水雾化铜粉的情况，造孔剂粉末为氢氧化铜和聚乙烯醇，其中，氢氧化铜添加量为复合铜粉总重量的5％，聚乙烯醇添加量为复合铜粉总重量的14％。
16.根据权利要求8所述的复合铜粉，其特征在于，对于铜粉为气雾化铜粉的情况，造孔剂粉末为甲基纤维素。
17.根据权利要求16所述的复合铜粉，其特征在于，甲基纤维素的添加量为复合铜粉总重量的50％。
18.根据权利要求8所述的复合铜粉，其特征在于，对于铜粉为电解化铜粉的情况，造孔剂粉末为石蜡和偶氮二异丁腈的混合物.
19.根据权利要求18所述的复合铜粉，其特征在于，石蜡的添加量为复合铜粉总重量的5％，偶氮二异丁腈的添加量为复合铜粉总重量的15％。
20.根据权利要求18所述的复合铜粉，其特征在于，石蜡的添加量为复合铜粉总重量的15％，偶氮二异丁腈的添加量为复合铜粉总重量的35％。
21.根据权利要求8所述的复合铜粉，其特征在于，对于铜粉为还原铜粉的情况，造孔剂粉末为碳酸铵、聚乙烯醇和尿素的混合物。
22.根据权利要求21所述的复合铜粉，其特征在于，碳酸铵的添加量为复合铜粉总重量的2％，聚乙烯醇的添加量为复合铜粉总重量的3％，尿素的添加量为复合铜粉总重量的5％。
23.根据权利要求21所述的复合铜粉，其特征在于，碳酸铵的添加量为复合铜粉总重量的15％，聚乙烯醇的添加量为复合铜粉总重量的30％，尿素的添加量为复合铜粉总重量的5％。
24.根据权利要求1所述的复合铜粉，其特征在于，复合铜的松装密度范围为1.2g/cm3-3.5g/cm3。
25.一种带有内壁毛细结构的热导管，该内壁毛细结构由权利要求1-24所述的复合铜粉烧结制成。
26.一种高效散热器，其由带有内部毛细结构的热导管制成，该内部毛细结构由权利要求1-24所述的复合铜粉烧结制成。
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