CN102103057B - 一种评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种评估用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能的方法，包括如下步骤：(1)制备毛细结构体；(2)测试吸水性能；(3)计算毛细力吸水通量。毛细力吸水通量是影响热导管传热效率的关键参数，其数值越大，热导管传热效率越高。因此，毛细力吸水通量可用来评估热导管用金属粉末的使用性能。本发明所述的评估方法，不仅简化了热导管用金属粉末使用性能的评估过程，还能为热导管制造工艺参数的确定提供可靠的依据。同时本发明还可应用于包含运动流体的毛细结构材料性能的表征，在材料制造领域有着广阔的应用前景。

Description

一种评估方法

技术领域

本发明涉及一种用于评估制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能的方法，属于材料性能评估领域。

背景技术

随着电子、电气元件的智能化和集成化，强调运算速度与稳定性的高阶电子系统产品如伺服器及工作站、PC和笔记本电脑的速度和功能也在不断提升，因此带动了CPU等集成微电路越来越高的效能与运算需求。然而，在此种发展趋势中，最大的障碍之一来源于发热量。热主要是由芯片在运算过程中产生，随着芯片集成度的增加，发热量也越大。伴随着产生上百瓦的高热，使得传统散热模组已不敷使用。因此，近年来具有更高传热效率的热导管已被广泛应用于集成电路的散热模组。

热导管为真空的封闭金属管，金属管内壁通过烧结工艺附着具有毛细结构的金属粉末烧结层，烧结层内部包含水、甲醇或乙醇等散热流体。当热导管一端受热时，流体吸收热量气化而转变成高温气体，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。

在此种相变传热系统中，毛细结构层的毛细力和毛细结构层中运动流体的数量(以下简称为“水量”)将直接影响热导管传热效率的高低，如毛细力越大，流体在热导管中的回流速度越快，单位时间内带走的热量也越多；而如果毛细结构层中的水量越大，则每次气化时吸收和带走的热量也越多。由于用于制造热导管毛细结构层的金属粉末将决定毛细结构层的性质，因此在实际生产和研发热导管的过程中，需要对金属粉末的使用性能进行评估。目前，对金属粉末使用性能的评估主要是通过实际的热导管生产工艺制备成热导管，在其它条件均相同的情况下，测量其可传输的最大热量以评估金属粉末性能的高低。由于实际制造热导管工艺复杂，制造流程长，所需设备多，导致此种评估方式成本较高，周期较长，且容易受到其它因素(如真空度、压扁折弯)的干扰，而无法准确地反映粉末的使用性能。

台湾学者(硕士论文，作者：汪永川，论文题目：烧结毛细结构在热管内之热流特性，2006年)采用静水压力实验测量了铜粉烧结体的渗透率，但是该测试方法是在有水压的条件下进行的，无法反映出烧结体内部毛细力的大小，而不能真实地体现铜粉在热管中的使用性能。

中国专利200820142394.4也提出了一种毛巾吸水性测试仪来表征毛巾的毛细吸水能力和保水能力，但它仅仅针对纺织物，未提及金属粉末，且与本发明的设计思路不同，不适于用来评估用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能。

因此，需要一种速度快、成本低、可靠度高的评估用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能的方法。

发明内容

本发明旨在提供一种评估用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能的方法。该方法具有评估速度快、成本低、可靠度高等优点。该方法还可为热导管制造工艺参数的确定提供可靠的依据。同时本发明还可应用于其它类型毛细结构材料毛细力的表征。

本发明的目的是通过如下方法实现的：一种评估用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能的方法，包括如下步骤：

(1)制备毛细结构体：将金属粉末用震动的方式填入模具中，模具内腔为规则形状，要求模具内腔中的粉末为震实和填满状态，即粉末的高度不随震动时间的延长而降低，填充完毕后用直尺刮去模具内腔外多余粉末；采用与实际生产相同的烧结工艺进行烧结，获得规则形状毛细结构体；

(2)测试吸水性能：采用游标卡尺测量毛细结构体的尺寸，用以计算毛细结构体垂直放置时的截面面积S；用精度为0.01g的天平称量毛细结构体重量M₁；取少量变色剂涂抹于毛细结构体上表面，将此毛细结构体快速垂直放置于盛有测试液的容器中，容器中的测试液量为固定值M₂；在毛细结构体放入测试液中的同时立即用秒表开始计时，直到变色剂开始变色，计时停止，记录的时间为t；将毛细结构体取出，用天平称量容器中剩余的测试液量M₃；

(3)计算毛细力吸水通量：毛细力吸水通量Flux可用以下公式求出：

$\mathrm{Flux}=\frac{M_2-M_3}{t\×S}.$

通过Flux值的高低来直接判断用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能，Flux值越高，由其制造的热导管传热效率越高，用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能越好。

优选地，所述模具内腔为圆柱形，因而所得毛细结构体也为圆柱形，通过测量其外径D可以按下式计算毛细力吸水通量：

$\mathrm{Flux}=\frac{M_2-M_3}{t\×\frac{\mathrm{\π}\·D^2}{4}}.$

优选地，所述测试液为纯净水，对应的变色剂为白色无水硫酸铜粉末，变色剂吸水变蓝。

优选地，所述测试液为甲醇、乙醇、丙酮或油。

优选地，如果不同样品的长度差异较大，可用切割机将其切割成等长L。

优选地，毛细结构体的孔隙率P按下式计算如：

$P=\frac{S\·L-\frac{M_1}{\mathrm{\ρ}}}{S\·L}$

其中，ρ为被测金属的理论密度。

本发明具有以下优点：

(a)测试过程快速，可替代通过制造热导管成品的方式来评估金属粉末的使用性能，节约了大量分析时间；

(b)测试成本相对较低，只需要具有规则几何形状内腔的磨具、烧结炉、普通天平和常规量具。

(c)测试数据稳定性好，可靠度高，避免了其它因素对于最终结果的影响；

(d)测试过程简单，无需对测试人员进行专业的培训。

附图说明

图1是吸水性能测试方法示意图。

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。

一种用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能评估方法，具体操作步骤如下：

毛细结构体的制备

将金属粉末用震动的方式填入模具中，模具内腔为规则形状(如圆柱体、长方体，以下说明将以圆柱体为例)，要求模具内腔中的粉末为震实和填满状态，即粉末的高度不随震动时间的延长而降低，填充完毕后用直尺刮去模具内腔外多余粉末。采用与实际生产相同的烧结工艺(包括烧结气氛和烧结温度)进行烧结，获得圆柱形毛细结构体，如果不同样品的圆柱体长度差异较大，可用切割机将其切割成等长L的圆柱体。

吸水性能测试

采用游标卡尺测量圆柱形烧结体(即毛细结构体)的外径D，用精度为0.01g的天平称量烧结体重量M₁。取少量白色无水硫酸铜粉末涂抹于烧结体上表面，将此烧结体快速垂直放置于盛有纯净水的容器中，容器中的水量为固定值M₂。在烧结体放入水中的同时立即用秒表开始计时，直到上表面白色硫酸铜粉末开始变蓝，计时停止，记录的时间为t。将烧结体取出，用天平称量容器中剩余的水量M₃。

数据处理

毛细力吸水通量Flux可用以下公式求出：

$\mathrm{Flux}=\frac{M_2-M_3}{t\×\frac{\mathrm{\π}\·D^2}{4}}$

通过Flux值的高低来直接判断用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能，Flux值越高，由其制造的热导管传热效率越高，用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能越好。

工作原理

毛细力吸水通量是指在毛细力的作用下单位时间内流过单位面积的水量。该数值一方面反映烧结体毛细力的大小，如固定长度L内的水流时间越短，毛细力越大；该数值另一方面也反映了水量的多少，即固定时间流经单位面积内的水量多少。对于以相变传热系统为基础的热导管而言，毛细结构层的毛细力越大、毛细结构层中的水量越高热导管的传热效率也就越高。因此，毛细力吸水通量可直接用来评估粉末在热导管中的使用性能。此外，由于白色无水硫酸铜粉末在工业中常被用来有效地测定环境中的水分，因此通过硫酸铜粉末颜色的改变来判定水流到达圆柱形烧结体顶端的依据是及时而有效的。

对于本发明的另一种应用，还可根据美国国家测试标准ASTME128-73的测试原理，在现有测量值的基础上得到烧结体的孔隙率P。计算公式如下：

$P=\frac{\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·L-\frac{M_1}{\mathrm{\ρ}}}{\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\·L}$

其中，ρ为被测金属的理论密度。孔隙率的高低对于热导管生产过程中的注水量具有重要的参考价值。因为在热导管生产过程中，注水量正比于烧结后毛细结构层的孔隙率，因此，在使用高孔隙率金属粉末的时候，应考虑增加注水量。

待评估的金属粉末是元磁新型材料(苏州)有限公司(SCM metalproducts(Suzhou)Co.，Ltd.)生产的Cu-60、Cu-100热导管专用纯铜粉和国内某厂家用水雾化方式生产的普通纯铜粉。其具体技术指标为：松装密度2.5-3.1g/cm³，粒度50-325目，铜含量99.9％。每种铜粉取五个试样，在内腔为圆柱形的模具中震实，内腔尺寸为Φ8mm×100mm，置于氢气烧结炉中在950℃烧结30分钟，制成具有毛细结构的圆柱体。测量毛细力吸水通量(Flux，单位10^-3g/sec·mm²)和孔隙率(P，％)，并计算平均值。以通过毛细力吸水通量数值的高低来反映铜粉在热导管中的使用性能。

以上实施例的结果显示，三种铜粉的使用性能由高到低分别是Cu-100、Cu-60、普通纯铜粉。经由热导管制造厂对由以上三种铜粉制造的热导管最大传输热量的测量结果显示，铜粉传热效率的高低为Cu-100＞Cu-60＞普通纯铜粉，该结果与采用本发明评估方法所获得的结果完全一致。从每次测量的数据可以看出，毛细力吸水通量的测量值波动小(±6％)，完全可以反映出不同等级和不同特性金属粉末在热导管中的使用性能。此外，从孔隙率的测量结果来看，高孔隙率的纯铜粉(如实施例3)在制造热导管的过程中，需要适当的增加注水量，该数值也可作为热导管生产工艺参数的参考。

以上实施例说明，本发明所述的评估方法，能有效地评估金属粉末在热导管中的使用性能，还能为热导管制造工艺参数的确定提供可靠的依据。同时本发明还可应用于其它类型毛细结构材料毛细力的表征，在材料制造领域有着广阔的应用前景。

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。

Claims (6)

1.一种评估用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能的方法，包括如下步骤：

(1)制备毛细结构体：将金属粉末用震动的方式填入模具中，模具内腔为规则形状，要求模具内腔中的粉末为震实和填满状态，即粉末的高度不随震动时间的延长而降低，填充完毕后用直尺刮去模具内腔外多余粉末；采用与实际生产相同的烧结工艺进行烧结，获得规则形状毛细结构体；

(2)测试吸水性能：采用游标卡尺测量毛细结构体的尺寸，用以计算毛细结构体垂直放置时的截面面积S；用精度为0.01g的天平称量毛细结构体重量M₁；取少量变色剂涂抹于毛细结构体上表面，将此毛细结构体快速垂直放置于盛有测试液的容器中，容器中的测试液量为固定值M₂；在毛细结构体放入测试液中的同时立即用秒表开始计时，直到变色剂开始变色，计时停止，记录的时间为t；将毛细结构体取出，用天平称量容器中剩余的测试液量M₃；

(3)计算毛细力吸水通量：毛细力吸水通量Flux用以下公式求出：

$\mathrm{Flux}=\frac{M_2-M_3}{t\×S}$

通过Flux值的高低来直接判断用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能，Flux值越高，由其制造的热导管传热效率越高，用于制造热导管毛细结构层的金属粉末的使用性能越好。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模具内腔为圆柱形，因而所得毛细结构体也为圆柱形，通过测量其外径D按下式计算毛细力吸水通量：

$\mathrm{Flux}=\frac{M_2-M_3}{t\×\frac{\mathrm{\π}\·D^2}{4}}.$

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测试液为纯净水，对应的变色剂为白色无水硫酸铜粉末，变色剂吸水变蓝。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述测试液为甲醇、乙醇、丙酮或油。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果不同样品的长度差异较大，用切割机将其切割成等长L。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，毛细结构体的孔隙率P按下式计算如：

$P=\frac{S\·L-\frac{M_1}{\mathrm{\ρ}}}{S\·L}$

其中，ρ为被测金属的理论密度。

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