CN108346633A - 一种微纳结构阵列散热表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微纳结构阵列散热表面及其制备方法。该散热表面包括散热基体以及在散热基体表面构筑的由含氟聚合物和导热颗粒组成的锥体形成的阵列结构。该散热表面能够大大增加有效换热面积、表面粗糙度、导热系数，利于热量向含氟工质的传递，有利于含氟工质的核态沸腾，可以强化含氟工质对散热表面的润湿能力，提高临界热流密度，起到强化相变传热的作用。将含氟聚合物乳液、导热颗粒、溶剂、助剂等搅拌混合均匀获得浆料，通过丝网印刷工艺将浆料印刷在散热基体表面，烘干去除溶剂，再在保护气氛下热处理，使含氟聚合物树脂固化在散热基体表面，获得具有微纳结构阵列的散热表面。制备步骤简单易行，容易实现规模生产。

Description

一种微纳结构阵列散热表面及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种改善传热表面的微纳结构阵列及其制备方法，特别涉及大功率电子集成器件的相变散热。
背景技术
近年来，随着航天技术、激光器件、大功率电子设备的快速发展，电子元件的微型化、集成化、大功率化已成为发展方向。随之而来的这些电子元器件的散热问题也成为制约其安全和使用寿命的关键问题。因此，开发更加高效的散热技术以解决这些大功率发热器件的散热降温问题势在必行。
相变换热在大功率电子集成器件换热方面得到了广泛应用。然而，目前相变换热热沉大多采用普通平面，或者带有表面结构的表面(如槽道、肋体、柱体等)。这些表面结构可以增加传热面的粗糙度，提高液体与表面的浸润性，增大固-液接触面积，或者实现冷凝液膜的减薄和“Gregorig”效应的增强，最终达到提升热传导效率的效果。然而这些强化表面结构大部分都是基于毫米级的宏观尺度范围和微米级的微观尺度，未能充分发挥出换热表面的取热能力，难以解决高热流密度的散热问题。
随着微纳米制造技术的快速发展，微纳米结构表面的制造成为可能，从而有望解决高热流密度的散热问题。目前，制备微纳米结构表面的方法主要有：化学刻蚀法、电沉积法、电解加工法、激光辐照法、水热法等等。例如，中国发明专利CN 103668367B公布了一种采用电镀技术在导电金属表面制备微纳金属柱阵列的方法；中国发明专利CN 103510132B公布了一种采用电化学沉积技术在铜材表面制备超薄超润湿纳米或微纳复合多孔镍膜的技术，该超薄超润湿纳米或微纳复合多孔镍膜具有很好的亲水性，可使水在铜材表面迅速充分铺展，可实现水的强化沸腾传热和喷雾冷却散热。中国实用新型专利CN 206073779U公布了一种采用磁控溅射技术制备微纳复合结构表面热沉，该表面热沉是由微槽道群和亲水性纳米涂层组成，可强化水的沸腾传热。目前制备微纳结构表面的这些技术一般工序繁多、设备要求高、制备效率低、难以大面积化；另外，这些技术直接制备出来的微纳结构表面往往是亲水性表面。众所周知，水的液/汽相变温度较高(100℃)，而大功率电子器件的安全工作温度较低(一般低于60℃)，通常需要低沸点的液体作为相变换热工质，如含氟工质：一氟三氯甲烷(F11，沸点23.7℃)、三氟三氯乙烷(F113，沸点45.7℃)、十氟戊烷(HFC10，沸点53.6℃)等。但亲水性微纳结构表面与含氟工质润湿性较差，对相变换热起不到强化作用，反而起到恶化效果。
发明内容
针对现有技术的上述缺点，本发明的目的之一在于提供一种微纳结构阵列散热表面，它与含氟工质具有良好的润湿性，能够强化含氟工质的相变换热，可解决采用含氟工质的高热流密度电子器件的散热问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提出的微纳结构阵列散热表面是在散热基体表面构筑的由含氟聚合物和导热颗粒组成的锥体形成的阵列结构，阵列中锥体中心的间距为50～1080微米；所述含氟聚合物/导热颗粒复合锥体的高度为5～250微米，锥体顶角为30°～150°；含氟聚合物/导热颗粒复合锥体表面有导热颗粒形成的纳米级凸起，凸起尺寸在10～500纳米；
其中所述的散热基体为铜材、铝材、铜合金、铝合金材料之一；所述的含氟聚合物为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种；所述的导热颗粒为铜粉、铝粉、银粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化铍粉之一或其组合物，粒径范围为0.1～10微米。
本发明的目的之二在于提供一种制备前述微纳结构阵列散热表面的方法，它具有工艺简单、原料廉价易得、成本低廉、易于大面积化、微纳结构易于调控等特点。
本发明提出的微纳结构阵列散热表面的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)将20～80重量份的含氟聚合物乳液、20～80重量份的导热颗粒、5～20重量份的溶剂、0.5～5重量份的助剂等搅拌混合均匀获得浆料；2)采用丝网印刷工艺将步骤1)所制得的浆料印刷在散热基体表面，烘干去除溶剂，再在保护气氛下热处理，使含氟聚合物树脂固化在散热基体表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
所述的含氟聚合物乳液为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液中的一种。
所述导热颗粒为铜粉、铝粉、银粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化铍粉之一或其组合物，粒径范围为0.1～10微米。
所述的溶剂为水、醇、四氢呋喃所组成的群组之一或其组合。
所述的助剂为分散剂、消泡剂、润湿剂、增稠剂所组成的群组之一或其组合。
所述的丝网印刷工艺采用的筛网为20目～400目的筛网，网丝直径25～250微米。
所述的散热基体为铜材、铝材、铜合金、铝合金材料之一。
所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气所组成的群组之一或其组合；热处理温度为150～250℃。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
(1)含氟聚合物与含氟工质化学性质相近，从而能够良好润湿；含氟聚合物/导热颗粒复合锥体构成的阵列以及锥体表面的纳米结构大大增加了有效换热面积和表面粗糙度，并且进一步增强了含氟工质与表面的润湿；锥体中添加高导热颗粒可增加锥体的导热系数，利于热量向含氟工质的传递，特别是在高导热颗粒表面形成局部热点，有利于含氟工质的核态沸腾；锥体表面导热颗粒间的纳米尺度的空隙和空穴可以增多沸腾核化点，利于相变成核；在这种微纳结构阵列表面上，含氟工质发生相变生成气泡时，气泡产生频率加快，脱离、爆裂尺寸减小，气泡生成处的干涸区域面积减小；微纳结构阵列表面与含氟工质良好的润湿性，可以强化含氟工质再润湿干涸表面的能力，进而推迟干涸、提高临界热流密度，起到强化相变传热的作用。
(2)以含氟聚合物乳液和导热颗粒为主要原料，采用丝网印刷和热固化工艺直接制备与含氟工质具有良好润湿的微纳结构表面，具有原料廉价易得、制备工艺简单、成本低、易于大面积制备等优点；含氟聚合物乳液热固化后，与含氟工质化学性质相近从而能够润湿；导热颗粒能够适当降低含氟聚合物乳液热固化的收缩，从而提高与导热基体的粘结强度；热固化过程中，含氟聚合物乳液与导热颗粒收缩的差异，使锥体表面形成导热颗粒的凸起和导热颗粒间的空隙，这有利于增加含氟工质相变时的沸腾核化点，强化相变换热；通过所用丝网孔径和厚度的调整可便于实现微纳结构阵列中锥体间距、锥体高度等阵列结构参数的调整；通过含氟聚合物乳液、导热颗粒、溶剂、助剂等组份的调整可实现印刷浆料粘度的调整，进而也可以调整锥体的高度以及锥体表面的纳米级凸起和空隙。
附图说明
图1是本发明的一种具体实施例的结构示意图；
图2是本发明的微纳结构阵列的锥体的结构示意图；
图中：基体1，锥体2，含氟聚合物3，导热颗粒4，颗粒间纳米空隙5。
具体实施方式
针对现有技术的诸多不足，本发明提供了一种微纳结构阵列散热表面，它是在散热基体表面构筑的由含氟聚合物和导热颗粒组成的锥体形成的阵列结构，它与含氟工质具有良好的润湿性，能够强化含氟工质的相变换热，可解决采用含氟工质的高热流密度电子器件的散热问题。
如图1-2所示，本发明的微纳结构阵列散热表面是在散热基体1的表面上构筑了由含氟聚合物3和导热颗粒4组成的锥体2阵列；在阵列中锥体中心的间距为50～1080微米，锥体的高度为5～250微米，锥体顶角为30°～150°；在含氟聚合物3和导热颗粒4组成的锥体表面具有凸起结构，凸起的尺寸在10～500纳米，凸起是由导热颗粒突出的棱角尖端等形成；纳米级凸起结构间具有纳米级的空隙5。
所述的散热基体1采用具有高导热系数的铜材、铝材、铜合金、铝合金材料之一，这样高热流密度电子器件产生的热量可由散热基体快速传递到微纳结构阵列；微纳结构阵列是由含氟聚合物3和导热颗粒4组成的锥体形成的阵列，锥体阵列具有微米尺度结构，每个锥体表面具有纳米尺度结构。含氟聚合物3与含氟工质化学性质相近从而能够良好润湿，同时微米和纳米尺度结构大大增加表面粗糙度，从而进一步增强了含氟工质与表面的润湿；锥体中添加高导热颗粒4可增加锥体的导热系数，利于热量向含氟工质的传递，特别是在高导热颗粒表面形成局部热点，有利于含氟工质的核态沸腾；锥体表面导热颗粒间的纳米尺度的空隙5可以增多沸腾核化点，利于相变成核。在这种微纳结构阵列表面上，含氟工质发生相变生成气泡时，气泡产生频率加快，脱离、爆裂尺寸减小，气泡生成处的干涸区域面积减小；微纳结构阵列表面与含氟工质良好的润湿性，可以强化含氟工质再润湿干涸表面的能力，进而推迟干涸、提高临界热流密度，起到强化相变传热的作用。
同时，本发明还提出了一种制备微纳结构阵列散热表面的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)将20～80重量份的含氟聚合物乳液、20～80重量份的导热颗粒、5～20重量份的溶剂、0.5～5重量份的助剂等搅拌混合均匀获得浆料；2)采用丝网印刷工艺将步骤1)所制得的浆料印刷在散热基体表面，烘干去除溶剂，再在保护气氛下热处理，使含氟聚合物树脂固化在散热基体表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
所述的含氟聚合物乳液为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液中的一种；所述导热颗粒为铜粉、铝粉、银粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化铍粉之一或其组合物，粒径范围为0.1～10微米；所述的溶剂为水、醇、四氢呋喃所组成的群组之一或其组合；所述的助剂为分散剂、消泡剂、润湿剂、增稠剂所组成的群组之一或其组合；所述的丝网印刷工艺采用的筛网为20目～400目的筛网，网丝直径25～250微米。所述的散热基体为铜材、铝材、铜合金、铝合金材料之一；所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气所组成的群组之一或其组合；热处理温度为150～250℃。
显然的，可以看到，本发明的制备方法是以含氟聚合物乳液和导热颗粒为主要原料，采用丝网印刷和热固化工艺直接制备与含氟工质具有良好润湿的微纳结构表面，它具有原料廉价易得、制备工艺简单、成本低、易于大面积制备等优点；含氟聚合物乳液热固化后，与含氟工质化学性质相近从而能够润湿；导热颗粒能够适当降低含氟聚合物乳液热固化的收缩，从而提高与导热基体的粘结强度；热固化过程中，含氟聚合物乳液与导热颗粒收缩的差异，使锥体表面形成导热颗粒的凸起和导热颗粒间的空隙，这有利于增加含氟工质相变时的沸腾核化点，强化相变换热；通过所用丝网孔径和厚度的调整可便于实现微纳结构阵列中锥体间距、锥体高度等阵列结构参数的调整；通过含氟聚合物乳液、导热颗粒、溶剂、助剂等组份的调整可实现印刷浆料粘度的调整，进而也可以调整锥体的高度以及锥体表面的纳米级凸起和空隙。
以下结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
以下各实施例中所使用的原料选择：聚四氟乙烯乳液，大金美国，牌号D-210；聚偏氟乙烯乳液，法国阿科玛，牌号F26；铝粉、银粉、铜粉、金粉，合肥旭阳金属粉末有限公司；氧化铝粉、氧化铍粉、氮化铝粉，北京东方泰阳科技有限公司。实施例中使用的其他化学试剂，均是分析纯，购自青岛海力泰化学试剂公司。
实施例1
将20g聚四氟乙烯乳液、30g粒度1～10微米的铝粉和50g粒度0.1～2微米的氧化铝粉、5g蒸馏水、4.5g分散剂、0.4g润湿剂、0.1消泡剂等搅拌混合均匀获得印刷浆料；采用网丝250微米的20目印刷丝网，将所制得浆料印刷在清洁的散热铝材表面，在烘箱中烘干2h去除溶剂；然后转入氮气气氛保护加热炉，在250℃热处理0.5～1h，使聚四氟乙烯和导热颗粒固化在散热铝材表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
所获得微纳结构阵列中，聚四氟乙烯/导热颗粒复合锥体的高度为200～250微米、锥体间的中心矩为950～1080微米、锥体顶角为30°～80°；复合锥体的表面具有尺寸为100～500纳米的凸起，纳米级凸起结构间具有纳米级的空隙。该微纳结构阵列散热表面与含氟工质具有良好的润湿性，润湿角为30°～60°，可提高含氟工质相变换热150～220％。
实施例2
将80g聚偏氟乙烯乳液、5g粒度0.5～3微米的银粉和15g粒度0.1～1微米的氮化铝粉、20g乙二醇、0.3g分散剂、0.2g增稠剂等搅拌混合均匀获得印刷浆料；采用网丝25微米的400目印刷丝网，将所制得浆料印刷在清洁的散热铜材表面，在烘箱中烘干1h去除溶剂；然后转入氩气气氛保护加热炉，在150℃热处理1h，使聚偏氟乙烯和导热颗粒固化在散热铜材表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
所获得微纳结构阵列中，聚偏氟乙烯/导热颗粒复合锥体的高度为5～25微米、锥体间的中心矩为50～65微米、锥体顶角为90°～150°；复合锥体的表面具有尺寸为10～200纳米的凸起，纳米级凸起结构间具有纳米级的空隙。该微纳结构阵列散热表面与含氟工质具有良好的润湿性，润湿角为10°～40°，可提高含氟工质相变换热80～200％。
实施例3
将40g聚四氟乙烯乳液、60g粒度2～5微米的铜粉、10g四氢呋喃、1g分散剂、0.1g消泡剂等搅拌混合均匀获得印刷浆料；采用网丝100微米的100目印刷丝网，将所制得浆料印刷在清洁的散热铜合金表面，在烘箱中烘干1h去除溶剂；然后转入氦气气氛保护加热炉，在200℃热处理1.5h，使聚四氟乙烯和导热颗粒固化在散热铜合金表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
所获得微纳结构阵列中，聚四氟乙烯/导热颗粒复合锥体的高度为50～100微米、锥体间的中心矩为200～250微米、锥体顶角为40°～120°；复合锥体的表面具有尺寸为100～400纳米的凸起，纳米级凸起结构间具有纳米级的空隙。该微纳结构阵列散热表面与含氟工质具有良好的润湿性，润湿角为10°～50°，可提高含氟工质相变换热80～180％。
实施例4
将60g聚偏氟乙烯乳液、25g粒度2～10微米的银粉和15g粒度0.1～1微米的氧化铍粉、10g蒸馏水、10g乙二醇、1g分散剂、0.1g增稠剂等搅拌混合均匀获得印刷浆料；采用网丝50微米的200目印刷丝网，将所制得浆料印刷在清洁的散热铝合金表面，在烘箱中烘干1h去除溶剂；然后转入氮气气氛保护加热炉，在200℃热处理1h，使聚偏氟乙烯和导热颗粒固化在散热铝合金表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
所获得微纳结构阵列中，聚偏氟乙烯/导热颗粒复合锥体的高度为20～50微米、锥体间的中心矩为100～125微米、锥体顶角为100°～140°；复合锥体的表面具有尺寸为50～500纳米的凸起，纳米级凸起结构间具有纳米级的空隙。该微纳结构阵列散热表面与含氟工质具有良好的润湿性，润湿角为20°～40°，可提高含氟工质相变换热60～150％。
从以上实施例可以看出，本发明的微纳结构阵列散热表面与含氟工质具有良好的润湿性，能够提高含氟工质的相变换热；本发明的制备方法具有原料廉价易得、制备工艺简单、成本低、易于大面积制备等优点。
应当理解的是，上述针对本发明较佳实施例的表述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种微纳结构阵列散热表面，其特征在于：所述微纳结构阵列散热表面是在散热基体表面构筑的由含氟聚合物和导热颗粒组成的锥体形成的阵列结构，阵列中锥体中心的间距为50～1080微米；所述含氟聚合物/导热颗粒复合锥体的高度为5～250微米，锥体顶角为30°～150°；含氟聚合物/导热颗粒复合锥体表面有导热颗粒形成的纳米级凸起，凸起尺寸在10～500纳米；其中所述的含氟聚合物为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯中的一种；所述的导热颗粒为铜粉、铝粉、银粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化铍粉之一或其组合物，粒径范围为0.1～10微米。
2.一种微纳结构阵列散热表面的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)将20～80重量份的含氟聚合物乳液、20～80重量份的导热颗粒、5～20重量份的溶剂、0.5～5重量份的助剂等搅拌混合均匀获得浆料；
2)采用丝网印刷工艺将步骤1)所制得的浆料印刷在散热基体表面，烘干去除溶剂，再在保护气氛下热处理，使含氟聚合物树脂固化在散热基体表面，从而获得具有微纳结构阵列的散热表面。
3.根据权利要求2所述的微纳结构阵列散热表面制备方法，其特征在于：所述的含氟聚合物乳液为聚四氟乙烯乳液、聚偏氟乙烯乳液中的一种。
4.根据权利要求2所述的微纳结构阵列散热表面制备方法，其特征在于：所述导热颗粒为铜粉、铝粉、银粉、氮化铝粉、氧化铝粉、氧化铍粉之一或其组合物，粒径范围为0.1～10微米。
5.根据权利要求2所述的微纳结构阵列散热表面制备方法，其特征在于：所述的溶剂为水、醇、四氢呋喃所组成的群组之一或其组合；所述的助剂为分散剂、消泡剂、润湿剂、增稠剂所组成的群组之一或其组合。
6.根据权利要求2所述的微纳结构阵列散热表面制备方法，其特征在于：所述的丝网印刷工艺采用的筛网为20目～400目的筛网，网丝直径25～250微米。
7.根据权利要求1或2所述的微纳结构阵列散热表面，其特征在于：所述的散热基体为铜材、铝材、铜合金、铝合金材料之一。
8.根据权利要求2所述的微纳结构阵列散热表面制备方法，其特征在于：所述的保护气氛为氮气、氩气、氦气所组成的群组之一或其组合；热处理温度为150～250℃。
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