CN106066131B - 一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯 - Google Patents

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Abstract

一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂的原料烧制而成，其中氮化硅含量不少于90％wt。氮化硅粉末的平均粒径介于0.1～10μm之间，α相氮化硅占比大于90％。多孔氮化硅毛细芯所含微孔互相连通，微孔孔径介于0.5μm～5μm之间，开孔孔隙率大于50％。本发明提供的多孔氮化硅毛细芯由氮化硅粉末烧结而成，具有良好的化学稳定性，耐酸碱腐蚀，可以有效抑制环路热管内部工质的分解，提高了环路热管的寿命。同时本发明多孔氮化硅毛细芯脆性高，机械加工性能好，在外壁精加工时，不会使表面微孔闭合，保证了较高的毛细芯开孔孔隙率。

Description

一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯
技术领域
本发明属于热控领域，涉及一种环路热管，特别是该种环路热管上使用的毛细芯组件。
背景技术
随着空间遥感技术的不断发展，传统的槽道热管逐渐难以满足遥感器内热源数量多、尺寸小、功率大、控温精度高及传热路径需要柔性环节等散热或控温需求。环路热管是一种利用毛细力驱动工质循环并完成热量传递的两相流体回路系统，具有热阻低、传输热量大、传热距离远、控温精度高、柔性导热以及安装灵活等优点，可以有效解决上述难题。
蒸发器是环路热管的核心部件，其主要由蒸发器壳体和其内部的毛细芯紧密结合而成。毛细芯成品既要求微米级的孔径、较高的孔隙率，同时表面还需具有非常高的尺寸精度。
目前，绝大多数毛细芯毛坯通过金属粉末烧结而成，再通过机械精加工外表面达到高尺寸精度。但由于金属材料塑性较高，现有的车、磨、电火花等加工方法容易导致毛细芯外表面微孔闭合，大大降低了开孔孔隙率，进而造成环路热管性能的下降，甚至失效。金属粉末烧结毛细芯还存在掉渣掉粉现象，严重时会使环路热管因局部阻塞失效。除此之外，金属粉末烧结毛细芯导热系数高，蒸发器背向漏热(蒸发器向储液器漏热)大，不利于环路热管的启动及稳定运行。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种可以用于环路热管的多孔氮化硅毛细芯，化学性质稳定、脆性高，可以保证较高的开孔孔隙率，同时毛细芯与蒸发器壳体内壁面贴合率高，可以减小蒸发器热阻，减少蒸发器向储液器的反向漏热，并且长期使用不出现掉渣掉粉现象，提高了环路热管的工作效率和可靠性。
本发明的技术解决方案是：一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂的原料烧制而成，其中氮化硅含量不少于90％wt。
所述氮化硅粉末的平均粒径介于0.1～10μm之间，α相氮化硅占比大于90％。所述的多孔氮化硅毛细芯所含微孔互相连通，微孔孔径介于0.5μm～5μm之间，开孔孔隙率大于50％。
所述的多孔氮化硅毛细芯的外形为圆柱形、碟形、矩形或者平椭圆形。
所述的多孔氮化硅毛细芯由长棒状晶柱相互交错搭接而成。
所述的多孔氮化硅毛细芯导热系数小于4W/(m·K)，抗弯强度大于10MPa。
所述的多孔氮化硅毛细芯外壁面与蒸发器壳体内壁面贴合率大于80％。所述的多孔氮化硅毛细芯外壁面沿轴向和径向设置若干蒸汽槽道或者为无蒸汽槽道的光滑表面，所述的蒸汽槽道截面为三角形、矩形、梯形或者Ω形。
所述的烧结助剂为氧化钇、氧化铝以及氧化镥中的一种或其组合。所述的造孔剂为淀粉、锯末、碳粉、尿素颗粒、硬脂酸颗粒、苯甲酸、萘粉、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、石油焦、酚醛树脂、有机晶须、H3PO4中的一种或其组合。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯由氮化硅粉末烧结而成，氮化硅具有良好的化学稳定性，耐酸碱腐蚀，耐高温，与水、氨、丙酮、氟利昂等多种工质有良好相容性，有效抑制了环路热管内部工质的分解，提高了环路热管的寿命。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯脆性高，机械加工性能好，在外壁精加工时，不会使表面微孔闭合，保证了较高的毛细芯开孔孔隙率。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯在保证较高的开孔孔隙率的同时，表面可采用机械精加工手段提高尺寸精度，毛细芯与蒸发器壳体内壁面贴合率高，减小了蒸发器热阻，提高了环路热管性能。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯微孔呈细长狭缝形，能够在保持小孔径的同时提高孔隙率，使毛细芯在提供相同毛细力时产生的流动阻力更小。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯，导热系数小于4W/(m·K)，远低于金属毛细芯导热系数，可减少蒸发器向储液器的反向漏热，改善环路热管的启动性能，提高环路热管的工作效率和可靠性。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯由高长径比的长棒状晶柱相互交错搭接而成，这种结构可以抵抗裂纹的扩展，使裂纹在扩展中得以分支、偏转搭接，从而增大了断裂所需能量，提高了毛细芯的强度和韧性。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯具有良好的物理稳定性，强度高，长期使用不出现掉渣掉粉现象，可有效提高环路热管产品寿命。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯保证开孔孔隙率的同时提高了表面加工精度，与蒸发器壳体内壁面贴合率高，减小了蒸发器热阻，提高了环路热管性能。
本发明提供的多孔氮化硅毛细芯可制成圆柱形、碟形、矩形或者平椭圆形，适用于圆柱型环路热管和平板型环路热管。
附图说明
图1为本发明圆柱形毛细芯结构示意图；
图2为本发明碟形毛细芯外形图；
图3为本发明矩形毛细芯外形图；
图4为本发明平椭圆毛细芯外形图。
具体实施方式
一种用于环路热管的多孔氮化硅毛细芯，由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂粉末的原料烧制而成，其中氮化硅含量不少于90％wt。
这里的烧结助剂可以为氧化钇、氧化铝以及氧化镥中的一种或其组合。而造孔剂可以为淀粉、锯末、碳粉、尿素颗粒、硬脂酸颗粒、苯甲酸、萘粉、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、石油焦、酚醛树脂、有机晶须、H3PO4中的一种或其组合。
为了保证使用效果，在选用氮化硅粉末时，最好是其中α相＞90％，平均粒径介于0.1～10μm之间。成型后，所述多孔氮化硅毛细芯所含微孔互相连通，微孔孔径介于0.5μm～5μm之间，开孔孔隙率大于50％。
如图1所示，多孔氮化硅毛细芯外形可以为圆柱形，一端沿中心轴线设置盲孔。多孔氮化硅毛细芯壁厚均匀，外径6～30mm，壁厚为1.5～10mm。多孔氮化硅毛细芯内外壁面同轴度优于0.5mm，外圆壁面圆柱度优于0.1mm。
如图2所示，多孔氮化硅毛细芯外形可以为碟形。多孔氮化硅毛细芯壁厚均匀，外径30～110mm，壁厚为3～15mm。多孔氮化硅毛细芯外圆周壁面圆柱度优于0.1mm，上下表面平面度优于0.2mm，平行度优于0.2mm。
如图3所示，多孔氮化硅毛细芯外形可以为矩形。多孔氮化硅毛细芯壁厚均匀，壁厚为2～50mm。多孔氮化硅毛细芯外壁面各表面平面度优于0.2mm，各平行表面平行度优于0.2mm。
如图4所示，多孔氮化硅毛细芯外形可以为平椭圆形。多孔氮化硅毛细芯壁厚均匀，壁厚为2～10mm。多孔氮化硅毛细芯外壁面各平面的平面度优于0.2mm，两侧曲面圆柱度优于0.1mm，各平行表面平行度优于0.2mm。
无论采用何种外形，多孔氮化硅毛细芯所含微孔呈长狭缝形。多孔氮化硅毛细芯由长棒状晶柱相互交错搭接而成，抗弯强度大于10MPa，导热系数小于4W/(m·K)。
多孔氮化硅毛细芯外壁面与蒸发器壳体内壁面贴合率大于80％，多孔氮化硅毛细芯外壁面沿轴向和径向设置若干蒸汽槽道或者为无蒸汽槽道的光滑表面。蒸汽槽道截面可以是三角形、矩形、梯形或者Ω形。
多孔氮化硅毛细芯制备过程分为生坯烧结和机械精加工两大步骤。生坯烧结又分为生坯成型和烧结两大工艺，生坯成型可通过压制成型、注浆成型等工艺方法实现，烧结有大气烧结、真空烧结、气氛烧结等工艺方法。机械精加工有车、磨、钻等工艺方法，车、磨可实现多孔氮化硅毛细芯外壁形状及蒸汽槽道的尺寸精度，钻可实现圆柱形多孔氮化硅毛细芯内部盲孔的形状、位置尺寸。
蒸汽槽道和内部盲孔的另一种实现方法是，在毛细芯生坯成型及烧结过程中采用内置模具实现。多孔氮化硅毛细芯的内部微孔孔径和开孔孔隙率的大小可通过选择不同粒径的氮化硅粉末、烧结助剂粉末和不同粒径、不同比例的挥发性/可燃性造孔剂实现。
例如，采用模压成型工艺进行毛细芯制备时，可以采用以下流程：
(1)混粉。将90wt％的α相氮化硅粉末与5％wt氧化钇粉末、5％wt氧化铝粉末混合后，加入无水乙醇，搅拌均匀得到浆料。
(2)湿磨。将配好的浆料倒入球磨罐中，以氮化硅球为球磨介质在球磨罐中球磨24～48h。
(3)干燥。将磨好的浆料放入烘箱干燥，60℃干燥6小时，将料浆烘干。
(4)过筛。将烘干的混料过40目筛。
(5)模压成型。将过筛后的混料放入模具，压力80MPa模压成型。
(6)气压烧结。将成型生坯放在0.2～1MPa氮气气氛的碳管炉烧结，烧结温度为1700～1800℃，保温60min～120min，完成毛细芯的烧结。
(7)机械加工。将烧结好的毛细芯进行机械加工，达到要求精度。
采用注浆成型工艺进行毛细芯制备时，可以采用以下流程：
(1)混粉。将90wt％的α相氮化硅粉末与5wt％氧化钇粉末、5wt％氧化铝粉末混合，搅拌均匀。
(2)悬浮液制备。将混合粉末及2wt％的聚乙烯醇溶液加入去离子水中。添加0.6％～0.9wt％聚丙烯酸铵，用浓氨水调节悬浮液的pH值至10，并加入适量丙三醇(0.05％wt)作为消泡剂，搅拌均匀，形成固相含量为60％的悬浮液。
(3)球磨。将配好的悬浮液倒入球磨罐中，加入磨球，在行星式球磨机上球磨3～6h，制备料浆。
(4)注浆成型。将料浆陈腐10h～12h后注入石膏模具中吸水成型制备出生坯。
(5)干燥。将脱模后的毛细芯烧结生坯置于恒温恒湿箱中干燥12h～24h，温度控制在40℃～60℃，湿度控制在50％～70％。
(6)脱胶。将干燥后的毛细芯烧结型坯置于马弗炉中，在700～900℃下保温1～2h。
(7)气压烧结。将脱胶的毛细芯烧结素坯放入0.2～1MPa氮气气氛的碳管炉烧结，烧结温度为1700～1800℃，保温60min～120min，完成毛细芯的烧结。
(8)机械加工。将烧结好的毛细芯进行机械加工，达到要求精度。
需要说明的是，为了实现蒸发器壳体与毛细芯之间较高的贴合率，毛细芯表面要求较高的加工精度，故通常需要对毛细芯进行机械精加工，常用的方法有车削和线切割。车削是通过机械力对毛细芯进行挤压、撕裂，达到尺寸精度，其影响区域不只限于加工表面。由于金属毛细芯较好的塑性，车削时金属毛细芯的挤压撕裂和撕裂后的金属碎屑会使毛细芯孔径分布不均，堵塞毛细孔。线切割是用电腐蚀的方法对毛细芯进行加工，加工面上的金属材料会高温熔化流入微孔进而堵塞毛细芯表面微孔。而本发明所述多孔氮化硅毛细芯脆性较高，机械加工时氮化硅碎屑直接从毛细芯表面断裂剥落，不发生塑性变形，因而毛细芯表面微孔不受影响。
本发明所述多孔氮化硅毛细芯已成功应用于卫星相机环路热管对CCD器件进行精确控温，环路热管地面测试传热功率达到400W以上，控温精度达到±0.4℃，目前已连续在轨运行9个月，产品预期寿命15年以上。在蒸发器直径相近条件下，多孔氮化硅毛细芯环路热管传热性能具有明显优势。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：由包括氮化硅粉末、烧结助剂以及造孔剂的原料烧制而成，其中氮化硅含量不少于90％wt；所述氮化硅粉末的平均粒径介于0.1～10μm之间，α相氮化硅占比大于90％；所述的多孔氮化硅毛细芯由长棒状晶柱相互交错搭接而成，所述的多孔氮化硅毛细芯所含微孔互相连通呈细长狭缝形，微孔孔径介于0.5μm～5μm之间，开孔孔隙率大于50％。
2.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：所述的多孔氮化硅毛细芯的外形为圆柱形、碟形、矩形或者平椭圆形。
3.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：所述的多孔氮化硅毛细芯导热系数小于4W/(m·K)，抗弯强度大于10MPa。
4.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：所述的多孔氮化硅毛细芯外壁面与蒸发器壳体内壁面贴合率大于80％。
5.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：所述的多孔氮化硅毛细芯外壁面沿轴向和径向设置若干蒸汽槽道或者为无蒸汽槽道的光滑表面，所述的蒸汽槽道截面为三角形、矩形、梯形或者Ω形。
6.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：所述的烧结助剂为氧化钇、氧化铝以及氧化镥中的一种或其组合。
7.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔氮化硅毛细芯，其特征在于：所述的造孔剂为淀粉、锯末、碳粉、尿素颗粒、硬脂酸颗粒、苯甲酸、萘粉、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、石油焦、酚醛树脂、有机晶须、H3PO4中的一种或其组合。
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