CN108267035B - 一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，所述复合吸液芯包括金属粉末烧结形成的多孔基体、多孔基体表面上加工形成的平行槽道结构、以及槽道壁面一侧的针絮状微细纤维；所述针絮状微细纤维沿槽道内壁面一侧向另一侧生长并填充部分槽道结构。该多孔复合吸液芯结构能够增大比表面积、提高毛细压力和渗透率、强化蒸发沸腾、大大提高热管的传热性能。制造时，只需通过单道次微铣削工艺即可实现槽道与微细纤维的同时成形，无需先分别制备槽道和纤维结构、再进行二次粘接加工，具有加工工艺简单、效率高、成本低，易于实现工业化生产等优点。
Description
技术领域
本发明涉及热管吸液芯技术领域，特别涉及一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构及其制造方法。
背景技术
热管作为相变传热元件，被广泛应用于航空航天、核能、太阳能、地热能、生物质能及微电子元器件散热领域。热管主要由管壳、吸液芯和工作介质组成，通过吸液芯内的工质蒸发、冷凝相变实现热量的快速传导和散失。吸液芯是其中重要组成部分，整个工作循环依靠吸液芯进行，工质的热传导和相变都在吸液芯毛细多孔材料结构内发生，同时吸液芯提供毛细吸力驱使液体的即使回流、保证相变循环正常进行。
现有热管吸液芯主要包括丝网型吸液芯、沟槽型吸液芯和粉末烧结型吸液芯。，丝网型吸液芯渗透性能好，但存在毛细压力小的缺陷；沟槽型吸液芯具有高渗透率，但是毛细力较小，传热量小，而烧结型具有较大的毛细力，传热量大，但是渗透率较低。单一结构吸液芯毛细压力和渗透率无法同时最佳，从而导致传热性能有限。
针对单一吸液芯结构的不足，通过两种吸液芯的复合成为热管散热器的理想选择。专利CN102359746和CN102345994采用紫铜粉末与紫铜纤维掺混复合多孔吸液芯结构来改善传热性能，专利CN202221259U和CN105091648A则是通过在微沟槽结构表面再分别添加微纤维和微细铜颗粒来生成复合吸液芯结构。然而上述方法均需先制备两种单独的吸液芯结构、再进行两种吸液芯的粘接复合，存在加工工艺复杂、成本高、结合热阻大的缺陷。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构及其制造方法，该复合吸液芯结构具有传热效果好、制造工艺简单、成本低廉、容易实现工业化生产等优点。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构，所述复合吸液芯包括金属粉末烧结形成的多孔基体、多孔基体表面上加工形成的平行槽道结构、以及槽道壁面一侧的针絮状微细纤维；所述针絮状微细纤维沿槽道内壁面一侧向另一侧生长并填充部分槽道结构。
在一较佳实施例中：所述针絮状微细纤维的当量直径为0.1-0.3mm，长度为0.2-0.7mm。
在一较佳实施例中：所述槽道结构的横截面为矩形和圆弧组合形成的内凹陷圆弧形状。
在一较佳实施例中：所述槽道基体为铜粉或铝粉烧结而成，粉末形状为球形或者不规则形状，粉末颗粒直径为25-150um。
本发明还提供了上述的槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，包括如下步骤：
1)选取所需粒径的粉末，在无压力状态下填充至石墨模具组成的腔体内，充分填满腔体为止；
2)将填充好后的粉末连同模具置于真空烧结炉中烧结，烧结过程分为四个部分：先对烧结炉抽真空并通入还原性或惰性气体作为保护气体防止粉末氧化；在5-10℃/min的升温速度下升温至合适烧结温度；接着保温45min-75min，使得粉末充分成型；最后炉内自然冷却至室温，脱模获得颗粒均匀分布的烧结多孔基体；
3)定位夹紧烧结多孔基体后，通过微铣刀在烧结多孔基体对烧结基体平面进行内凹陷结构微铣削；具体为：
先采用平底微铣刀，在烧结多孔基体中加工获得矩形槽道结构；
然后更换两刃球头微铣刀对槽道结构进行单次加工成型，使得槽道的单侧壁面生长出针絮状微细纤维；所述针絮状微细纤维沿槽道内壁面一侧向另一侧生长并填充部分槽道结构；
4)将微铣削加工后的多孔基体放置在超声波清洗机中先用清洗液进行清洗，然后冲洗并烘干，完成槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制备。
在一较佳实施例中：所述平底微铣刀的直径为0.5mm。
在一较佳实施例中：所述两刃球头微铣刀的刀柄直径D1为0.8mm,刀刃直径D2为4mm，刀具总长度L为45mm,刀刃长度为0.73mm。
在一较佳实施例中：在步骤3的微铣削加工过程中，主轴转速n＝15000r/min，进给速度f＝90mm/min，背吃刀量ap＝100um。
本发明相比现有技术，具有如下有益效果：
(1)该多孔复合吸液芯结构中的槽道与针絮状微细纤维之间形成的复合吸液芯结构不仅增大了比表面积、提高了毛细压力和渗透率，而且粉末颗粒和微细纤维之间形成的多孔结构有利于强化工作介质蒸发沸腾，从而大大提高热管的传热性能。
(2)槽道与微细纤维复合吸液芯结构无需先分别制备槽道和纤维结构、再进行二次粘接加工，只需通过单道次微铣削工艺即可实现槽道与微细纤维的同时成形，从而大大减少了制造工序、提高了加工效率、降低了加工成本，且容易实现工业化生产。
附图说明
图1绘示了本发明优选实施例中槽道与微细纤维复合吸液芯结构的横截面SEM图；
图2绘示了本发明优选实施例中槽道与微细纤维复合吸液芯结构的俯视SEM图以及局部放大图；
图3绘示了本发明优选实施例中槽道与微细纤维复合吸液芯结构的横截面形状示意图；
图4绘示了本发明优选实施例中槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法的制造流程示意图；
图5绘示了本发明优选实施例中在烧结基体微铣削加工槽道与微细纤维复合吸液芯结构的示意图；
图6绘示了本发明优选实施例中加工槽道与微细纤维复合吸液芯结构的球头微铣刀示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
参考图1和2，一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构，所述复合吸液芯包括金属粉末烧结形成的多孔基体、多孔基体表面上加工形成的平行槽道结构、以及槽道壁面一侧的针絮状微细纤维；所述针絮状微细纤维沿槽道内壁面一侧向另一侧生长并填充部分槽道结构。
所述针絮状微细纤维的当量直径为0.1-0.3mm，长度为0.2-0.7mm。如图3，所述槽道结构横截面可以为矩形和圆弧组合形成的内凹陷圆弧形状。
该多孔复合吸液芯结构中的槽道与针絮状微细纤维之间形成的复合吸液芯结构不仅增大了比表面积、提高了毛细压力和渗透率，而且粉末颗粒和微细纤维之间形成的多孔结构有利于强化工作介质蒸发沸腾，从而大大提高热管的传热性能。
该槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法如图4所示，下面通过一个实施例进行详细说明，包括如下步骤：
(S01)选取颗粒直径为75-100um的球形铜粉末，在无压力状态下填充至石墨模具组成的腔体内。填充到使铜粉末充分填满腔体为止，填充时适当震荡模具，使铜粉末填充充分均匀。为防止脱模时发生粘连，腔体内可涂抹适当脱模剂。
(S02)将填充好后的粉末连同模具置于烧结炉中烧结，首先对烧结炉进行抽真空至-0.1Mpa，然后通入氮气作为清洗气体清洗烧结炉。在5-10℃/min的升温速度下对烧结炉内的温度进行升温，在温度高于400℃后，改用氢气作为保护气以防止铜粉末在烧结过程中发生氧化。温度生至850-950℃保温烧结45-75min，使得铜粉末充分成型。保温结束后，在炉内自然冷却至室温25℃时，取出烧结模具，然后拔模获得颗粒均匀分布的烧结基体。
(S03)如图5所示，将烧结基体定位夹紧后，对烧结基体平面进行内凹陷结构微铣削。先采用直径为0.5mm的平底微铣刀，加工去除大部分材料，获得深度为0.8mm的矩形槽道结构。然后更换刀柄直径D1为0.8mm,刀刃D2＝4mm，刀具总长度L为45mm,刀刃长度L1为0.73mm，刀头支撑段长度L2为0.5mm，刀柄至刀头长度L3为5mm的两刃球头微铣刀对槽道结构进行单次加工成型，如图6所示。在加工过程中槽道的单侧壁面生长出针絮状微细纤维，该微纤维长度为0.3-0.7mm，直径为0.1-0.3mm，并且所述针絮状微细纤维沿槽道内壁面一侧向另一侧生长，并填充部分槽道结构。从而获得槽道与微细纤维复合吸液芯结构。加工过程中主轴转速n＝15000r/min，进给速度f＝90mm/min，背吃刀量ap＝100um，该加工参数通过几次实验优化所得。
(S04)对微铣削加工后的烧结基体进行超声波清洗并烘干。将微铣削加工后的烧结基体放置于超声波清洗机中，取5～15％的清洗剂与95％～85％的清水配成清洗液进行超声波清洗2-5min，然后换用清水超声波清洗干净，最后取出用热风烘干。完成该槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造，得到如附图1-2所示的一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构。
在步骤1中，所述槽道基体还可以用铝粉烧结而成，粉末形状为球形或者不规则形状，粉末颗粒直径的范围可以扩大至25-150um。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的构思和技术方案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 (6)
1.一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，其特征在于：所述槽道与微细纤维复合吸液芯结构，包括金属粉末烧结形成的多孔基体、多孔基体表面上加工形成的平行槽道结构、以及槽道壁面一侧的针絮状微细纤维；所述针絮状微细纤维沿槽道内壁面一侧向另一侧生长并填充部分槽道结构；
其包括如下制造步骤：
1)选取所需粒径的粉末，在无压力状态下填充至石墨模具组成的腔体内，充分填满腔体为止；
2)将填充好后的粉末连同模具置于真空烧结炉中烧结，烧结过程分为四个部分：先对烧结炉抽真空并通入还原性或惰性气体作为保护气体防止粉末氧化；在5-10℃/min的升温速度下升温至合适烧结温度；接着保温45min-75min，使得粉末充分成型；最后炉内自然冷却至室温，脱模获得颗粒均匀分布的烧结多孔基体；
3)定位夹紧烧结多孔基体后，通过微铣刀在烧结多孔基体对烧结基体平面进行内凹陷结构微铣削；具体为：
先采用平底微铣刀，在烧结多孔基体中加工获得矩形槽道结构；
然后更换两刃球头微铣刀对槽道结构进行单次加工成型，使得槽道的单侧壁面生长出针絮状微细纤维；
4)将微铣削加工后的多孔基体放置在超声波清洗机中先用清洗液进行清洗，然后冲洗并烘干，完成槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制备。
2.根据权利要求1所述的一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，其特征在于：所述平底微铣刀的直径为0.5mm。
3.根据权利要求2所述的一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，其特征在于：在步骤3的微铣削加工过程中，主轴转速n＝15000r/min，进给速度f＝90mm/min，背吃刀量ap＝100um。
4.根据权利要求1所述的一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，其特征在于：所述针絮状微细纤维的当量直径为0.1-0.3mm，长度为0.2-0.7mm。
5.根据权利要求1所述的一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，其特征在于：所述槽道结构的横截面为矩形和圆弧组合形成的内凹陷圆弧形状。
6.根据权利要求1所述的一种槽道与微细纤维复合吸液芯结构的制造方法，其特征在于：所述多孔基体为铜粉或铝粉烧结而成，粉末形状为球形，粉末颗粒直径为25-150um。
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