CN107876714B - 一种高效散热金属材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高效散热金属材料的制备方法，属于散热材料技术领域。本发明基于高压气体连续吹出形成连续气体通道原理和流体动力学原理，通过将高压气体引入金属连铸成形中，使金属液体流入结晶器后就包裹着连续气体通道，然后快速完成凝固，获得具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料。本发明的方法能够短流程、近终形、高效率、低成本、柔性化、批量化生产高质量的连续直通多孔金属材料，所能制备的材质种类和产品规格多，特别适合于制备孔径小于1mm的具有高效散热性能的微通道结构连续直通多孔金属材料，同时可以推广用于高质量单孔或薄壁金属管材的高效制备。

Description

一种高效散热金属材料的制备方法

技术领域

本发明涉及散热材料技术领域，特别是提供了一种高效散热金属材料的制备方法。

技术背景

与常规单孔散热金属材料（如单孔铜管、单孔铝管等）相比，连续直通多孔金属材料（特别是孔径小于1mm的微通道结构连续直通多孔金属材料）换热系数大，换热效率高，具有优异的散热性能，是一种高效散热金属材料，可满足更高的能效标准，而且耐压性能优良，可采用CO₂为工质制冷，符合环保要求，受到了国内外的广泛关注，是目前散热领域首选材料和发展方向。

人们已开发了挤压法和脱芯连铸法用以连续制备具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料。挤压法能实现简单连续直通多孔金属材料的连续制备，但存在着所需设备复杂且造价高、工艺流程长、成材率低、能源和模具消耗大、生产成本高、产品质量的一致性与稳定性难以保证、不易制备高强度难变形及含复杂孔洞的连续直通多孔金属材料等问题，而且目前还只能用于连续直通多孔铝扁管的制备。脱芯连铸法是一种近终形连续制备具有连续直通多孔金属材料的方法，但由于连铸时需要采用芯材，芯材的特性、尺寸和强度对所需制备的连续直通多孔金属材料的孔径大小及质量有重要影响；而且由于小尺寸芯材的加工难度大且强度低，因此会极大地限制小孔径连续直通多孔金属材料的制备，一般难以制备孔径小于1mm的微通道结构连续直通多孔金属材料；另外，由于针对不同金属要选择不与之发生反应且在该金属液体中不被熔化的芯材，导致能够用于制备连续直通多孔金属的材质受限。

综上所述，为了解决目前所用具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料制备中存在的问题，开发一种流程短、近终形、生产成本低、材质适用范围广且易于获得孔径小于1mm的微通道结构的高质量连续直通多孔金属材料的高效制备方法，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明利用了高压气体连续吹出形成连续气体通道的原理，同时基于流体动力学原理，当流体（气体或液体）的流速越大时，其静压强越小。通过将高压气体引入金属连铸成形中，在金属液体尚未流入结晶器之前，让高压气体束（即多股高压气体）平行于且朝向拉坯方向进行连续直吹，使金属液体流入结晶器后就包裹着连续气体通道，然后使金属液体在含有连续直通多孔结构的基础上快速完成凝固，获得具有连续直通多孔的金属固体，并且通过连续不断的拉制，最终获得具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料。另外，由于高压气体的流速比高压气体周围的金属液体的流速大，因此金属液体的静压强将大于高压气体的静压强，会使得高压气体吹出形成的气体通道进一步变窄，将有助于形成孔径小于1mm的连续微径气孔，当含连续微径气孔的金属液体在结晶器中凝固后，就易于获得具有高效散热性能的微通道结构连续直通多孔金属材料。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于高压气体作用的连续直通多孔金属材料的近终形制备方法，获得高质量的高效散热金属材料，解决目前已有方法在制备连续直通多孔高效散热金属材料方面存在的流程长、生产成本高、适用材质和产品规格受限以及产品质量不太高等问题，特别是突破难以获得孔径小于1mm的微通道结构连续直通多孔金属材料的难题。

本发明的技术方案是：一种高效散热金属材料的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

第一步：将一端固定有介孔结构金属网的单孔金属管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构金属网靠近结晶器入口处；

第二步：开启高压气体的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为0.1~1.5mm的连续气体通道；

第三步：开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却；

第四步：让金属液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在金属液体中；

第五步：启动牵引机构，带动引锭杆移动，使得包裹连续气体通道的金属液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的金属材料；

第六步：牵引机构继续作用，使得含直通多孔的金属材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的金属液体继续在已凝固的含直通多孔的金属材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的金属材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料。

进一步，所述高压气体为氢气、氩气、氮气、氦气、氧气或空气中的至少一种。

进一步，所述连续直通多孔金属材料中每一个孔洞的中心线是相互平行的，且每一个孔洞从头至尾是连续直通的。

进一步，所述连续直通多孔金属材料中的孔洞个数与所述高压气体束中的高压气体股数相同，且数量不少于2个。

本发明的主要优点在于：

1、该方法能够短流程、近终形、高效率、低成本、柔性化、批量化生产连续直通多孔金属材料。

2、该方法所能制备的连续直通多孔金属材料的材质种类和产品规格多，特别适合于制备孔径小于1mm的微通道结构连续直通多孔金属材料。

3、该方法制备的连续直通多孔金属材料的质量高、孔洞内表面光亮，无芯材污染以及孔洞内表面质量不受芯材表面质量影响等问题，也不会出现因连铸过程中个别芯材断裂导致部分孔洞中断或完全无孔的问题。

4、该方法开辟了无芯材柔性制备连续直通多孔金属材料的新途径，可以推广用于高质量单孔或薄壁金属管材的高效制备。

5、该方法制备的连续直通多孔金属材料换热系数大，换热效率高，具有优异的散热性能，耐压性能和耐蚀性能优良，是一种高效散热金属材料。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的熟练技术人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

本发明一种高效散热金属材料的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

第一步：将一端固定有介孔结构金属网的单孔金属管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构金属网靠近结晶器入口处；

第二步：开启高压气体的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为0.1~1.5mm的连续气体通道；

第三步：开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却；

第四步：让金属液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在金属液体中；

第五步：启动牵引机构，带动引锭杆移动，使得包裹连续气体通道的金属液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的金属材料；

第六步：牵引机构继续作用，使得含直通多孔的金属材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的金属液体继续在已凝固的含直通多孔的金属材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的金属材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料。

进一步，所述高压气体包括氢气、氩气、氮气、氦气、氧气或空气中的至少一种。

进一步，所述连续直通多孔金属材料中每一个孔洞的中心线是相互平行的，且每一个孔洞从头至尾是连续直通的。

进一步，所述连续直通多孔金属材料中的孔洞个数与所述高压气体束中的高压气体股数相同，且数量不少于2个。

实施例1：

将一端固定有介孔结构不锈钢网的单孔不锈钢管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构不锈钢网靠近结晶器入口处；开启压力为100MPa高压氩气的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为0.1mm的连续气体通道；开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却，冷却水温度为10℃、冷却水流量为20L/min；让纯铜液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在纯铜液体中；启动牵引机构，带动引锭杆移动，拉坯速度为50mm/min，使得包裹连续气体通道的纯铜液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的纯铜材料；牵引机构继续作用，使得含直通多孔的纯铜材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的纯铜液体继续在已凝固的含直通多孔的纯铜材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的纯铜材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔纯铜材料。

实施例2：

将一端固定有介孔结构不锈钢网的单孔不锈钢管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构不锈钢网靠近结晶器入口处；开启压力为100MPa高压氮气的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为0.5mm的连续气体通道；开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却冷却水温度为15℃、冷却水流量为15L/min；让纯铜液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在纯铜液体中；启动牵引机构，带动引锭杆移动，拉坯速度为200mm/min，使得包裹连续气体通道的纯铜液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的纯铜材料；牵引机构继续作用，使得含直通多孔的纯铜材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的纯铜液体继续在已凝固的含直通多孔的纯铜材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的纯铜材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔纯铜材料。

实施例3：

将一端固定有介孔结构不锈钢网的单孔不锈钢管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构不锈钢网靠近结晶器入口处；开启压力为10MPa高压氢气的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为1.5mm的连续气体通道；开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却冷却水温度为25℃、冷却水流量为5L/min；让纯铜液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在纯铜液体中；启动牵引机构，带动引锭杆移动，拉坯速度为5mm/min，使得包裹连续气体通道的纯铜液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的纯铜材料；牵引机构继续作用，使得含直通多孔的纯铜材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的纯铜液体继续在已凝固的含直通多孔的纯铜材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的纯铜材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔纯铜材料。

实施例4：

将一端固定有介孔结构铜网的单孔铜管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构铜网靠近结晶器入口处；开启压力为50MPa高压氩气的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为1.0mm的连续气体通道；开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却冷却水温度为12℃、冷却水流量为10L/min；让纯铝液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在纯铝液体中；启动牵引机构，带动引锭杆移动，拉坯速度为10mm/min，使得包裹连续气体通道的纯铝液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的纯铝材料；牵引机构继续作用，使得含直通多孔的纯铝材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的纯铝液体继续在已凝固的含直通多孔的纯铝材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的纯铝材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔纯铝材料。

实施例5：

将一端固定有介孔结构铜网的单孔铜管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构铜网靠近结晶器入口处；开启压力为80MPa高压氩气的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为1.2mm的连续气体通道；开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却冷却水温度为15℃、冷却水流量为18L/min；让纯铝液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在纯铝液体中；启动牵引机构，带动引锭杆移动，拉坯速度为20mm/min，使得包裹连续气体通道的纯铝液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的纯铝材料；牵引机构继续作用，使得含直通多孔的纯铝材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的纯铝液体继续在已凝固的含直通多孔的纯铝材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的纯铝材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔纯铝材料。

Claims (4)

1.一种高效散热金属材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

第一步：将一端固定有介孔结构金属网的单孔金属管引锭杆伸入结晶器中，使介孔结构金属网靠近结晶器入口处；

第二步：开启高压气体的阀门，在结晶器入口处产生高压气体束，形成直径为0.1~1.5mm的连续气体通道；

第三步：开启结晶器循环水冷却系统，启动结晶器的冷却功能，并打开位于结晶器出口附近的二次冷却水，实现对引锭杆表面的强制冷却；

第四步：让金属液体从坩埚中流出，抵达结晶器入口处，使连续气体通道完全被包裹在金属液体中；

第五步：启动牵引机构，带动引锭杆移动，使得包裹连续气体通道的金属液体进入结晶器开始凝固，形成含直通多孔的金属材料；

第六步：牵引机构继续作用，使得含直通多孔的金属材料朝着结晶器出口方向移动，包裹连续气体通道的金属液体继续在已凝固的含直通多孔的金属材料基础上发生凝固，连续地形成含直通多孔的金属材料，实现连续拉铸具有高效散热性能的连续直通多孔金属材料。

2.如权利要求1所述的一种高效散热金属材料的制备方法，其特征在于，所述气体是氢气、氩气、氮气、氦气、氧气或空气中的至少一种。

3.如权利要求1所述的一种高效散热金属材料的制备方法，其特征在于，所述连续直通多孔金属材料中每一个孔洞的中心线是相互平行的，且每一个孔洞从头至尾是连续直通的。

4.如权利要求1所述的一种高效散热金属材料的制备方法，其特征在于，所述连续直通多孔金属材料中的孔洞个数与所述高压气体束中的高压气体股数相同，且数量不少于2个。