CN103940269A - 基于碳纳米管吸液芯的热管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于碳纳米管吸液芯的热管及其制备方法，所述的热管由管壳、管壳內的吸液芯和工作流体组成，所述的吸液芯为碳纳米管吸液芯，所述的管壳由具有良好导热性能的金属材料构成，所述的工作流体是封装在所述管壳中与所述碳纳米管吸液芯具有良好润湿性的流体。所述的管壳的外径小于1毫米，管壁厚小于0.2毫米。所述的工作流体与所述的碳纳米管的接触角小于80度。本发明热管具有超小型和高传热效率的特点，通过引入基于化学工艺的碳纳米管合成方法，避免了其它微纳米加工方法带来的高技术难度和成本问题。

Description

基于碳纳米管吸液芯的热管及其制备方法

技术领域

本发明涉及热管换热装置，特别是一种基于碳纳米管吸液芯的热管及其制备方法。

背景技术

在现代电子技术和超高密度集成制造工业的快速发展之下，诸如高性能芯片、LED芯片等电子器件的发热量以及热流密度越来越高，如何快速有效地将这些器件产生的热量导出，成为限制它们进一步升级的技术瓶颈。与此同时，电子散热、医疗器械、军工武器等领域对小尺寸、高效率传热元件的需求越来越大。例如在发展迅速的移动电子设备中，CPU的处理能力越来越强，但移动设备本身却越来越小。热管是一种利用工作介质的相变来传输热量的高效传热单元，由于流体的相变潜热一般远大于显热，所以利用热管可以实现远大于包括紫铜在内的金属材料的导热能力。对于传统的以吸液芯结构为工质循环动力的热管，其吸液芯结构一般分为丝网、沟槽和烧结式结构三类。近年来为了进一步提高工作效率，提出了基于这三种结构组合而成的混合式吸液芯结构。无论是采用以上三种基本形式吸液芯还是混合式吸液芯结构的热管，整体尺寸都受限于其吸液芯孔槽的大小，热管的尺寸都很难进一步缩小。

为了实现热管的尺寸的进一步小型化以适应高热流电子器件的冷却需求，一个可行的办法是用微纳米级别的加工技术，在热管内壁加工出毛细结构。但此类工艺实现难度大，成本高，不利于规模化生产。另一条可行的技术途径是利用新型纳米材料，直接使其生成微纳米尺度的毛细结构。

公告号为CN2656925Y的实用新型专利描述了一种新型热管，其工作流体为悬浮液，液体中掺有包括纳米碳球或高导热性金属粉末等纳米级的颗粒，并在铜粉烧结的毛细芯的内表面紧贴一层厚度为100纳米～100微米的碳纳米层作为辅助结构，未对其具体贴合方式和工艺等进行介绍，也未规定碳纳米层的材料结构。公告号为CN102721313A的专利给出了一种内含碳纳米管的管芯及热管的制造方法，该管芯包括棒状的压缩多孔天然纤维和围绕多孔天然纤维的外周的不织布，并在多孔天然纤维和不织布中包含碳纳米管。公告号为CN1725479A的专利提出了一种在表面沉积碳纳米管的管芯及其热管，具体是在热管管壳内壁形成多个肋条和沟槽，并在内壁沉积出碳纳米管。上述三项专利都是在传统吸液芯式热管基础上作的改进，但它们所提出吸液芯的主要工作材料仍然是烧结金属粉末或纤维棒的传统多孔介质，碳纳米管作为辅助材料，附着在传统吸液芯结构上，起到了对吸液芯性能的促进作用。但是，这些吸液芯的结构仍属于传统的吸液芯，并没有对吸液芯结构作出本质修改，也无法将热管的体积大幅度缩小。

公告号为CN1666335A的专利提出了一种使用碳纳米管冷却管芯的集成电路封装件，通过在管芯和热管理辅助装置之间用一种含碳纳米管阵列的热界面层实现对半导体管芯的冷却和接地。碳纳米管阵列被封闭在填隙物质基体中，充分利用其高导热性和导电性，实现热流和电流管理。但是，在该装置中，碳纳米管传输热量的机理为纯固体导热，并未涉及相变式传热。

综上，本领域的技术人员致力于开发一种充分利用碳纳米管的纳米尺寸和超高热导率特性，实现超小型化、高传热效率且低成本的传热器件。但是，上述多种形式的技术没有对吸液芯结构作出根本改变，并且制造过程繁琐，无法达到热管整体尺寸大幅缩小的目标，热管的工作效率也没有本质提升。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于碳纳米管吸液芯的热管及其制备方法，该热管具有超小型和高传热效率的特点，大大简化了碳纳米管在热管内成型的加工工艺，避免了其它微纳米加工方法带来的高技术难度和成本问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于碳纳米管吸液芯的热管，由管壳、管壳內的吸液芯和工作流体组成，其特点在于所述的吸液芯为碳纳米管吸液芯，所述的管壳由具有良好导热性能的金属材料构成，所述的工作流体是封装在所述管壳中与碳纳米管吸液芯具有良好润湿性的流体。

所述的热壳的外径小于1毫米，管壁厚小于0.2毫米。

所述的工作流体与所述的碳纳米管的接触角小于80度。

所述的工作流体为水、FC-72或丙三醇。

所述的碳纳米管吸液芯是在管壳内壁定向紧密排列的碳纳米管阵列，碳纳米管的直径为10～500纳米，碳纳米管阵列的高度为0.05～0.3毫米，碳纳米管的中心距为1.2～5倍于平均管径。

所述的基于碳纳米管吸液芯的热管的制备方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①选取壁厚小于0.2毫米，管内径小于1毫米，管长不小于50毫米的高导热中空金属管作管壳，对管壳的内壁面进行化学处理，以便于附着催化剂；

②然后在所述的管壳内壁布置催化剂颗粒，根据不同的具体CVD方法采用不同的催化剂颗粒，催化剂颗粒的排布密度决定生长出的碳纳米管阵列的密度；

③然后将所述的管壳接入CVD系统中，设定催化剂颗粒的排布密度、通入原料气体的反应时间，在催化剂的作用下，以获得所需要的碳纳米管阵列的高度、碳纳米管的平均间距，形成所需要的定向排布的碳纳米管阵列；

④用化学处理的办法去除催化剂、无定形碳等杂质，碳纳米管吸液芯已成型；

⑤将该管壳的一端封闭，并从另一端抽真空，达到预期真空度后，从开口端灌入定量的工作流体；

⑥最后将这个管口封闭，即制成基于碳纳米管吸液芯的热管。

管壳的外部形状为细长空心圆管但不限于此，也可以根据实际应用场景加工成其它形状，如将管截面压扁至椭圆形、将管沿轴向弯曲等。

本发明的技术效果：

本发明基于碳纳米管吸液芯的热管，由碳纳米管阵列构成的吸液芯结构，可充分利用碳纳米管极高的导热性能，减小热管外壳与管内工作介质之间的热阻，同时大幅增加固体与工作流体的接触面积，进一步减小热阻；

单根碳纳米管本身为纳米级的尺寸，在碳纳米管阵列间形成纳米级尺寸的蒸发液面，比常规吸液芯更大幅度地增大蒸发液面的面积，实现更好的传热效率；碳纳米管之间纳米级尺寸的隙缝也提供了极佳的毛细能力。

用化学方法对吸液芯参数的定量控制，即可实现对热管整体尺寸和性能的定制，大大简化了热管内吸液芯碳纳米管成型加工工艺流程，避免了其它微纳米加工方法带来的高技术难度和成本的问题。

附图说明

图1是本发明基于碳纳米管吸液芯的热管实施例的三维结构示意图；

图2是本发明基于碳纳米管吸液芯的热管结构和工作原理示意图；

图3是本发明热管吸液芯结构的制备方法流程图；

图4是本发明基于碳纳米管吸液芯的热管制造方法流程图；

图5是本发明的碳纳米管吸液芯的局部放大图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体结构及产生的技术效果进一步说明，以充分地了解本发明的特征和效果。

图1为本发明的一个较佳实施例的三维结构示意图。在热管一端受热时，液体蒸发，沿中部空腔流动到冷凝段，将热量释放后冷凝成液体，最后液体在吸液芯的作用下回流到蒸发段，完成循环。采用碳纳米管吸液芯结构的热管，其整体工作原理与采用传统吸液芯结构的常规热管基本相同，如图2所示。但由于采用了吸液芯结构，其整体径向尺寸被大幅缩小。

本发明基于碳纳米管吸液芯的热管，由管壳2、管壳2內的吸液芯1和工作流体3组成，其特点在于所述的吸液芯1为碳纳米管吸液芯1，所述的管壳2由具有良好导热性能的金属材料构成，所述的工作流体3是封装在所述管壳中与碳纳米管吸液芯具有良好润湿性的流体。

所述的热壳的外径小于1毫米，管壁厚小于0.2毫米。

所述的工作流体3与所述的碳纳米管的接触角小于80度。

所述的工作流体3为水、FC-72或丙三醇。

本发明由碳纳米管阵列构成的新型吸液芯结构1为直接生长在管壳内壁的致密定向碳纳米管阵列。与传统的丝网、沟槽、烧结以及混合式吸液芯结构不同，本发明的新型碳纳米管吸液芯结构完全由生长在管壳内壁的定向碳纳米管构成，通过碳纳米管之间纳米尺寸的间隙传输流体。碳纳米管阵列高度在0.05毫米到0.3毫米之间，管中心距在1.2到5倍管径之间。

为了说明碳纳米管构成的新型热管吸液芯结构中的制备方法，下面对其技术方案进行说明。

生长于热管管壳2内壁面的碳纳米管阵列为紧密排列的定向碳纳米管，为由多层石墨层构成的多壁碳纳米管。碳纳米管吸液芯1的合成不需要准备丝网、制作沟槽或进行烧结工序，碳纳米管阵列直接通过化学方法合成，即通过化学气相沉积(CVD)法获得。其合成方法是：

首先对管壳2的内壁面进行化学处理，以便于附着催化剂；

然后在管壳2内壁布置催化剂颗粒，根据不同的具体CVD方法采用不同的催化剂颗粒，如金属镍(Ni)、氧化铝(Al2O3)等，催化剂颗粒的排布密度决定生长出的碳纳米管阵列的密度；

然后将管壳接入CVD系统中，碳纳米管即可在催化剂的作用下形成定向排布的阵列。

此外，由于其合成方式的不同，碳纳米管吸液芯的工作性能参数的控制与传统吸液芯也有所不同，主要通过改变化学合成参数来控制。改变催化剂颗粒的排布密度、通入原料气体的反应时间等可以控制包括碳纳米管阵列的高度、碳纳米管的平均间距等参数，从而改变孔隙率和渗透率等吸液芯工作性能参数。由化学手段对吸液芯多孔参数的控制可达到更高的控制精度，并且降低了对机械加工水平的要求。

采用上述碳纳米管吸液芯的热管，其管壳2为以紫铜为代表的高导热中空金属管，其壁厚小于0.2毫米，管内径小于1毫米，管长不小于50毫米。根据具体的应用背景，管壳2可根据需要加工成其它形状。如在便携计算机的散热系统中需要根据电子元件的布置来确定热管的实际形状。本发明提出的基于碳纳米管吸液芯的热管，实现了热管径向尺寸的超小型化，从而可导出更小发热面积上产生的热量，并提升热管总体的有效传热能力。

采用上述基于碳纳米管吸液芯的热管，其工作流体3为包括但不限于FC-72、丙三醇的流体，流体与碳纳米管吸液芯1以及管壳2的接触角小于80度。本发明提出的以致密碳纳米管阵列构成的吸液芯结构，其独特的微细阵列结构，相比传统吸液芯结构，大幅增加了工作流体与吸液芯的接触面积，可降低流体与吸液芯的表观接触角，从而允许使用润湿性相对更差的流体。

进一步地，为了说明采用上述碳纳米管吸液芯的碳纳米热管的制造方法，下面对相当热管的制造流程进行说明。

如图4所示，本发明所述的超小型热管的制造流程分为多个主要步骤。

首先，提供一根内径小于1毫米、管壁厚小于0.2毫米的中空管，管材料为铜或其它高导热金属。

然后在管内壁布置催化剂，将管接入到CVD系统中，在内壁生长出致密的定向碳纳米管阵列。用化学处理的办法去除催化剂、无定形碳等杂质。此时，碳纳米管吸液芯已成型。

然后将管壳一端封闭，并从另一端抽真空，达到预期真空度后，从开口端灌入定量的工作流体。最后将这个管口封闭即可形成封闭空间。

本发明所提出的由碳纳米管阵列构成的新型吸液芯结构，可充分利用碳纳米管极高的导热性能，减小热管外壳与管内工作介质之间的热阻，同时大幅增加固体与工作流体的接触面积，进一步减小热阻；此外，如图5所示，单根碳纳米管本身为纳米级的尺寸，在碳纳米管阵列间形成纳米级尺寸的蒸发液面，比常规吸液芯更大幅度地增大蒸发液面的面积，实现更好的传热效率；碳纳米管之间纳米级尺寸的隙缝也提供了极佳的毛细能力。用化学方法对吸液芯参数的定量控制，即可实现对热管整体尺寸和性能的定制，大大简化了加工工艺流程，避免了其它微纳米加工方法带来的高技术难度和成本的问题。

Claims (6)

1.一种基于碳纳米管吸液芯的热管，由管壳(2)、管壳內的吸液芯(1)和工作流体(3)组成，其特征在于所述的吸液芯(1)为碳纳米管吸液芯(1)，所述的管壳(2)由具有良好导热性能的金属材料构成，所述的工作流体(3)是封装在所述管壳中与碳纳米管吸液芯具有良好润湿性的流体。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管吸液芯的热管，其特征在于所述的管壳的外径小于1毫米，管壁厚小于0.2毫米。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管吸液芯的热管，其特征在于所述的工作流体(3)与所述的碳纳米管的接触角小于80度。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管吸液芯的热管，其特征在于所述的工作流体(3)为水、FC-72或丙三醇。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管吸液芯的热管，其特征在于所述的碳纳米管吸液芯(1)是在管壳(2)内壁定向紧密排列的碳纳米管阵列，碳纳米管的直径为10～500纳米，碳纳米管阵列的高度为0.05～0.3毫米，碳纳米管的中心距为1.2～5倍于平均管径。

6.权利要求1至5任一项所述的基于碳纳米管吸液芯的热管的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

①选取壁厚小于0.2毫米，管内径小于1毫米，管长不小于50毫米的高导热中空金属管作管壳(2)，对管壳(2)的内壁面进行化学处理，以便于附着催化剂；

②然后在所述的管壳(2)内壁布置催化剂颗粒，根据不同的具体CVD方法采用不同的催化剂颗粒，催化剂颗粒的排布密度决定生长出的碳纳米管阵列的密度；

③然后将所述的管壳接入CVD系统中，设定催化剂颗粒的排布密度、通入原料气体的反应时间，在催化剂的作用下，以获得所需要的碳纳米管阵列的高度、碳纳米管的平均间距，形成所需要的定向排布的碳纳米管阵列；

④用化学处理的办法去除催化剂、无定形碳等杂质，碳纳米管吸液芯已成型；

⑤将该管壳的一端封闭，并从另一端抽真空，达到预期真空度后，从开口端灌入定量的工作流体(3)；

⑥最后将这个管口封闭，即制成基于碳纳米管吸液芯的热管。