CN105021074A - 一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管及其制备方法 - Google Patents

一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管及其制备方法 Download PDF

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本发明公开了一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管，所述铜热管包括两端封闭紫铜基管，中间为容纳工质液体的真空容腔，所述紫铜基管内壁表面设有超亲水结构层，所述超亲水结构层由具有多孔结构的微纳金属颗粒组成，所述金属颗粒结构直径为2-5μm，金属颗粒上的多孔结构孔径尺寸为200-500nm。本发明还提供了一种所述铜热管的制备方法，包括步骤：(1)铜表面的预处理；(2)碱辅助表面氧化；(3)高温固相烧结；(4)封头及抽真空。本发明提供的铜热管传热系数高，制备方法成本低，操作过程简单，且通过碱辅助表面氧化工艺和高温烧结工艺可以对金属表面金属颗粒直径、颗粒分布密度、孔径尺寸、比表面积等表面参数进行调控。

Description

一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料技术领域，特别涉及一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管及其制备方法。
背景技术
随着电子元器件的集成度不断提高，电子设备体积减小，电子设备的散热问题日趋突出。目前，电子芯片的高热流密度散热问题已经成为微电子发展的瓶颈之一。热管作为一种重要散热器件得到了广泛的研究。在铜热管内部做出吸液芯结构以改变其毛细力、润湿性能，从而提高散热性能已经得到广泛的应用。传统吸液芯结构主要有粉末烧结式和沟槽拉拔式这两种制备方法，粉末烧结式的吸液芯的毛细力较强，但是回流阻力大，而且热管质量增加。沟槽式吸液芯结构热管重量轻，但是存在毛细力小、制造工艺复杂等问题。尤其对于微小型热管，粉末烧结式和沟槽拉拔式都存在制造困难的问题。
近年来，不少研究表明超亲水结构表面在传热方面具有明显的促进效果，而超亲水铜表面相比普通铜表面具有更高的导热系数，所以在传热方面具有巨大的应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的缺点和不足，本发明一方面提供了一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管，尤其适用于微小型热管，其技术方案如下：。
一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管，所述铜热管包括紫铜基管，所述紫铜基管两端封闭，中间为容纳工质液体的真空容腔，所述紫铜基管内壁表面设有超亲水结构层，所述超亲水结构层由具有多孔结构的微纳金属颗粒组成，所述金属颗粒结构直径为2-5μm，金属颗粒上的多孔结构孔径尺寸为200-500nm。
进一步地，所述超亲水结构层的去离子水接触角为0-5°。
本发明另一方面提供了一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管的制备方法，其技术方案如下:
一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管的制备方法，包括步骤：
(1)铜表面的预处理，对紫铜基管进行清洗和吹干处理；
(2)碱辅助表面氧化，将步骤(1)预处理后的紫铜基管内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应，反应结束用去离子水清洗残留化学物质并用氮气吹干；
(3)高温固相烧结，将经过步骤(2)处理后的紫铜基管置于保护氛围烧结炉中烧结，紫铜基管内壁表面形成由多孔结构的微纳金属颗粒组成的超亲水结构层；
(4)紫铜管封口，将经过步骤(3)处理后的紫铜管抽真空，注入工质液体，密封紫铜管。
进一步地，所述步骤(1)具体包括：将紫铜基管依次浸入浓度为120g/L为NaOH溶液中碱洗1～5min和浓度为5wt％的HCl溶液中酸洗1～5min，最后用去离子水清洗干净，氮气吹干。
进一步地，所述步骤(2)中碱辅助表面氧化溶液为1～3mol/L NaOH和0.05～0.2mol/L K2S2O8的去离子水溶液的混合物，紫铜基管内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应的时间为5min～2h，通过控制碱辅助表面氧化溶液中各物质的组分配比以及氧化时间，可以实现对柱状金属颗粒结构直径、多孔结构孔径尺寸进行调节。
进一步地，所述步骤(3)中的烧结温度300～600℃，保温时间0.5～2h，可进一步调节颗粒孔径尺寸及表面形貌。
进一步地，所述步骤(3)中保护氛围为0.3Mpa氢气，防止紫铜管氧化及获得所需的铜表面微纳尺度结构。
进一步地，所诉步骤(4)中注入工质液体为去离子水。
本发明相对现有技术，具有以下有益效果：
本发明提供的铜热管在传热方面具有明显的促进效果，具有更高的导热系数，其制备方法操作简单，成本低廉，通过调节碱辅助表面氧化溶液组分浓度、氧化时间、烧结温度、保温时间，可以有效控制铜表面金属颗粒直径、颗粒分布密度、孔径尺寸、比表面积等表面参数。
附图说明
图1为实施例一的铜热管结构剖面局部示意图；
图2为铜热管表面超亲水结构层的去离子水接触角图片；
图3为实施例二的碱辅助表面氧化后紫铜基管内壁表面结构SEM图；
图4为实施例二的高温固相烧结后紫铜基管内壁表面结构的SEM图；
其中，1为铜基管，2为超亲水结构层，3为真空容腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例一
如图1所示，一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管，所述铜热管包括紫铜基管1，所述紫铜基管1两端封闭，中间为容纳工质液体的真空容腔3，所述紫铜基管1内壁表面设有超亲水结构层2，所述超亲水结构层2由具有多孔结构的微纳金属颗粒组成，所述金属颗粒结构直径为2-5μm，金属颗粒上的多孔结构孔径尺寸为200-500nm。
如图2所示，所述超亲水结构层2的去离子水接触角为0-5°。
本实施例中的超亲水结构层2表面在传热方面具有明显的促进效果，而超亲水铜表面相比普通铜表面具有更高的导热系数，所以在传热方面具有巨大的应用价值。
实施例二
一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管的制备方法，包括步骤：
(1)铜表面的预处理，将紫铜基管1依次浸入浓度为120g/L为NaOH溶液中碱洗1min和浓度为5wt％的HCl溶液中酸洗1min，最后用去离子水清洗干净，氮气吹干。
(2)碱辅助表面氧化，将步骤(1)预处理后的紫铜基管1内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应，反应结束用去离子水清洗残留化学物质并用氮气吹干(见图3)，所述碱辅助表面氧化溶液为1mol/L NaOH和0.05mol/L K2S2O8的去离子水溶液的混合物，紫铜基管1内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应的时间为2h，通过控制碱辅助表面氧化溶液中各物质的组分配比以及氧化时间，可以实现对柱状金属颗粒结构直径、多孔结构孔径尺寸进行调节；
(3)高温固相烧结，将经过步骤(2)处理后的紫铜基管1置于0.3Mpa氢气保护氛围烧结炉中烧结，烧结温度300℃，保温时间0.5h，紫铜基管1内壁表面形成由多孔结构的微纳金属颗粒组成的超亲水结构层2(见图4)；
(4)紫铜管封口，将经过步骤(3)处理后的紫铜管抽真空，注入去离子水作为工质液体，密封紫铜管。
本实施例的制备方法操作简单，成本低廉，通过调节碱辅助表面氧化溶液组分浓度、氧化时间、烧结温度、保温时间，可以有效控制铜表面金属颗粒直径、颗粒分布密度、孔径尺寸、比表面积等表面参数，极大的提高热管传热系数。
实施例三
一种所述的铜热管的制备方法，包括步骤：
1)铜表面的预处理，将紫铜基管1依次浸入浓度为120g/L为NaOH溶液中碱洗2min和浓度为5wt％的HCl溶液中酸洗2min，最后用去离子水清洗干净，氮气吹干。
(2)碱辅助表面氧化，将步骤(1)预处理后的紫铜基管1内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应，反应结束用去离子水清洗残留化学物质并用氮气吹干，所述碱辅助表面氧化溶液为2mol/L NaOH和0.1mol/L K2S2O8的去离子水溶液的混合物，紫铜基管1内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应的时间为1h，通过控制碱辅助表面氧化溶液中各物质的组分配比以及氧化时间，可以实现对柱状金属颗粒结构直径、多孔结构孔径尺寸进行调节；
(3)高温固相烧结，将经过步骤(2)处理后的紫铜基管1置于0.3Mpa氢气保护氛围烧结炉中烧结，烧结温度400℃，保温时间1h，紫铜基管1内壁表面形成由多孔结构的微纳金属颗粒组成的超亲水结构层2；
(4)紫铜管封口，将经过步骤(3)处理后的紫铜管抽真空，注入去离子水作为工质液体，密封紫铜管。
实施例四
一种所述的铜热管的制备方法，包括步骤：
1)铜表面的预处理，将紫铜基管1依次浸入浓度为120g/L为NaOH溶液中碱洗5min和浓度为5wt％的HCl溶液中酸洗5min，最后用去离子水清洗干净，氮气吹干。
(2)碱辅助表面氧化，将步骤(1)预处理后的紫铜基管1内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应，反应结束用去离子水清洗残留化学物质并用氮气吹干，所述碱辅助表面氧化溶液为3mol/L NaOH和0.2mol/L K2S2O8的去离子水溶液的混合物，紫铜基管1内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应的时间为5min，通过控制碱辅助表面氧化溶液中各物质的组分配比以及氧化时间，可以实现对柱状金属颗粒结构直径、多孔结构孔径尺寸进行调节；
(3)高温固相烧结，将经过步骤(2)处理后的紫铜基管1置于0.3Mpa氢气保护氛围烧结炉中烧结，烧结温度600℃，保温时间2h，紫铜基管1内壁表面形成由多孔结构的微纳金属颗粒组成的超亲水结构层2；
(4)紫铜管封口，将经过步骤(3)处理后的紫铜管抽真空，注入去离子水作为工质液体，密封紫铜管。
本发明的上述实施例仅为本发明的较佳实施例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的内容和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管，其特征在于：。
所述铜热管包括紫铜基管(1)，所述紫铜基管1两端封闭，中间为容纳工质液体的真空容腔(3)，所述紫铜基管(1)内壁表面设有超亲水结构层(2)，所述超亲水结构层(2)由具有多孔结构的微纳金属颗粒组成，所述金属颗粒结构直径为2-5μm，金属颗粒上的多孔结构孔径尺寸为200-500nm。
2.根据权利要求1所述的具微纳尺度超亲水铜表面结构的铜热管，其特征在于：所述超亲水结构层(2)的去离子水接触角为0-5°。
3.一种如权利要求1至2任一项所述的铜热管的制备方法，其特征在于，包括步骤：
(1)铜表面的预处理，对紫铜基管(1)进行清洗和吹干处理；
(2)碱辅助表面氧化，将步骤(1)预处理后的紫铜基管(1)内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应，反应结束用去离子水清洗残留化学物质并用氮气吹干；
(3)高温固相烧结，将经过步骤(2)处理后的紫铜基管(1)置于保护氛围烧结炉中烧结，紫铜基管(1)内壁表面形成由多孔结构的微纳金属颗粒组成的超亲水结构层(2)；
(4)紫铜管封口，将经过步骤(3)处理后的紫铜管抽真空，注入工质液体，密封紫铜管。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：将紫铜基管(1)依次浸入浓度为120g/L为NaOH溶液中碱洗1～5min和浓度为5wt％的HCl溶液中酸洗1～5min，最后用去离子水清洗干净，氮气吹干。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中碱辅助表面氧化溶液为1～3mol/L NaOH和0.05～0.2mol/L K2S2O8的去离子水溶液的混合物，紫铜基管(1)内壁表面浸泡在碱辅助表面氧化溶液中进行沉积反应的时间为5min～2h。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的烧结温度300～600℃，保温时间0.5～2h。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的工质液体为去离子水。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中保护氛围为0.3Mpa氢气。
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