CN108889950A - 一种中空散热器的制备方法及中空散热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中空散热器的制备方法及中空散热器，该制备方法其包括以下步骤：1)提供喂料以及嵌件原料；2)将所述嵌件原料成型为嵌件；3)将所述嵌件置于模具型腔内，通过注射成型将所述喂料填充所述型腔并包裹在所述嵌件周围，以得到带有嵌件的坯体；4)对所述带有嵌件的坯体进行脱脂处理，以去除所述嵌件，得到具有中空结构的生坯；以及5)对所述生坯进行烧结，以得到所述中空散热器。根据本发明的中空散热器的制备方法，其可以加工出具有复杂中空结构的散热器，提高散热器的散热效果，且能够长期保证散热器的密闭及防漏水性能。

Description

一种中空散热器的制备方法及中空散热器
技术领域
本发明涉及散热器领域，尤其是涉及一种中空散热器的制备方法及由该方法制备得到的中空散热器。
背景技术
MIM(Metal Injection Molding，金属注射成型)生产技术是一种制造高质量精密零件的近净成形技术，其具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造方法无法比拟的优势，因此，其在金属成型近两年的加工中得到了广泛的应用。
散热器是一种用于传导、释放热量的装置，传统散热器的散热效果不佳；而且，传统散热器的制件工艺不能满足技术要求，其最主要表现在散热效果满足不了要求和因纤焊无法长期保证破损漏水两方面。因此，研究一种新的散热器的制备工艺具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种中空散热器的制备方法及中空散热器，该制备方法可以加工出具有复杂中空结构的散热器，提高散热器的散热效果，且能够长期保证散热器的密闭及防漏水性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种中空散热器的制备方法，其包括以下步骤：
1)提供喂料以及嵌件原料；
2)将所述嵌件原料成型为嵌件；
3)将所述嵌件置于模具型腔内，通过注射成型将所述喂料填充所述型腔并包裹在所述嵌件周围，以得到带有嵌件的坯体；
4)对所述带有嵌件的坯体进行脱脂处理，以去除所述嵌件，得到具有中空结构的生坯；以及
5)对所述生坯进行烧结，以得到所述中空散热器。
在本发明的一些实施例中，所述步骤1)中所述喂料由金属粉末和粘结剂在转速为20～30r/min、温度为170～200℃的条件下混炼2～4小时制得；所述喂料中的所述金属粉末的体积含量为55％～65％。
在本发明的一些实施例中，所述步骤1)还包括将所述喂料经片状、棒状两次挤压制成粒状。
在本发明的一些实施例中，所述金属粉末为Cu粉末，所述Cu粉末的粒径为30～50um；所述粘结剂为选自石蜡，蜂蜡，高熔点聚乙烯，低熔点聚乙烯，聚丙烯，聚苯烯，聚醛树脂，以及乙酸乙酯中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述嵌件原料为POM、PMMA或HIPS，在所述步骤2)中，通过注射成型工艺将所述嵌件原料成型为嵌件，在将所述嵌件原料成型为嵌件前，还包括将所述嵌件原料在80～90℃下干燥2～4小时。
在本发明的一些实施例中，所述步骤4)中的脱脂处理为催化脱脂处理；所述催化脱脂处理采用的催化剂为草酸，所述催化脱脂处理的温度为120～ 135℃，所述催化剂的供给速度为2～3g/min。
在本发明的一些实施例中，所述催化脱脂处理前还包括溶剂脱脂处理；所述溶剂脱脂处理采用的溶剂为酒精、二氯甲烷或乙酸乙酯；所述溶剂脱脂处理的温度为20～30℃，时间为48～56h。
在本发明的一些实施例中，所述步骤S5)中，在氢气环境下对所述生坯进行烧结，以得到所述中空散热器，所述氢气环境的气压为50～86KPa；所述烧结的最高温度为980～1050℃。
在本发明的一些实施例中，所述烧结包括先将所述生坯加热至600℃保温60～90min，然后加热至800℃保温60～90min，再加热至950℃保温30～ 60min，最后加热至最高温度保温60～120min，然后自然冷却至室温。
另外，本发明还提供一种中空散热器，其由上述的制备方法制备得到。
根据本发明提供的中空散热器的制备方法及中空散热器，其至少具有以下有益效果：
1、通过本发明的制备方法可以提升产品的设计自由度，可以实现传统方法无法脱模的倒扣、中空等三维形状复杂以及具有特殊性能要求的中空结构。
2、本发明提供的制备方法在制备三维形状复杂结构的产品时，可以减少二次加工等工序造成的质量问题和成本问题。
3、通过本发明提供的制备方法制备得到的中空散热器具有很好的密封性，而且能够长期保证无破损漏水的情况发生。
4、通过本发明提供的制备方法制备具有中空结构的散热器时，可以设计更加合理的中空结构，使得散热器的散热接触面积更加大，进而可以大大提升散热效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的中空散热器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明，下面结合具体实施方式与具体实施例对本发明做进一步说明。可以理解的是，这些具体实施方式与具体实施例均为示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的实施例提供一种中空散热器的制备方法，其包括以下步骤：
1)提供喂料以及嵌件原料；
2)将所述嵌件原料成型为嵌件；
3)将所述嵌件置于模具型腔内，通过注射成型将所述喂料填充所述型腔并包裹在所述嵌件周围，以得到带有嵌件的坯体；
4)对所述带有嵌件的坯体进行脱脂处理，以去除所述嵌件，得到具有中空结构的生坯；以及
5)对所述生坯进行烧结，以得到所述中空散热器。
本发明的原理可以简述为：先制作出结构复杂的嵌件(该嵌件与所要制备的中空散热器的中空结构的形状相匹配)，然后，将该嵌件放置在MIM模具内，再通过金属注射成型工艺在模具内进行注射成型，使得形成散热器的原料(例如，金属铜)把该嵌件包裹，进而形成一个生胚件，然后通过脱脂处理去除生胚件内部的嵌件，使嵌件消失，以到具有中空结构的生坯，然后通过烧结工艺得到中空散热器。
具体而言，本发明提供的中空散热器的制备方法主要包括以下步骤：
第一步：原料准备
本发明需要准备的原料有两种，一种是形成嵌件的嵌件原料；一种是形成散热器的原料，即喂料。
在本发明的一些实施例中，嵌件原料可以为POM(聚甲醛树脂)、PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或PS(聚苯乙烯)。
由于金属铜具有很好的导热性能，在本发明的一些实施例中，选择金属 Cu(铜)作为形成散热器的材料。
例如，在本发明的一些实施例中，喂料为由金属Cu粉末和粘结剂在转速为20～30r/min、温度为170～200℃的条件下在密炼机中混炼2～4小时制得。可以理解的是，混炼工艺为本领域普通技术人员所公知，本发明对此不再进行赘述。进一步的，在本发明的一些实施例中，所述Cu粉末的粒径为30～50um。
可以理解的是，可以采用本领域各种常用的方法制备金属注射成型工艺的喂料，本发明对此没有特殊限制，因此，本发明对此不再进行赘述。
进一步的，在本发明的一些实施例中，所述粘结剂为选自石蜡(PW)，蜂蜡，高熔点聚乙烯(HDPE)，低熔点聚乙烯(LDPE)，聚丙烯(PP)，聚苯烯(EPS)，聚醛树脂(POM)，以及乙酸乙酯(EVA)中的至少一种。
进一步的，为获得较好的注射成型效果，在本发明的一些实施例中，所述喂料中的所述金属粉末的体积含量为55％～65％。
进一步的，在本发明的一些实施例中，还可以将所述喂料制备成粒状喂料。进而，制成的粒状喂料便于运输，而且存放时间更久，不宜结块，有利于后续的注射工艺。
可以理解的是，可以采用本领域常用的各种方法将喂料制备成粒状喂料。在本发明的一些实施例中，将混炼好的喂料经片状、棒状两次挤压制成所述粒状喂料。可以理解的是，片状和棒状挤压的具体工艺及方法为本领域技术人员所公知，本发明对此不再进行赘述。
第二步：嵌件成型
可以理解的是，可以采用各种常用的方法成型所述嵌件，本发明对此没有特殊限定，只要能得到与所需的中空结构相匹配的形状即可。
在本发明的一些实施例中，采用注射成型工艺成型所述嵌件，例如，在注射压力为40-60MPa，温度为190-245℃下将所述嵌件原料注射成型为嵌件，其中，浇注时间为5s(具体的浇注时间可以根据实际进行确定，例如，具体以打饱满为准)。
进一步的，在本发明的一些实施例中，在将所述嵌件原料成型为嵌件前，还包括将所述嵌件原料在80～90℃下干燥2～4小时。采用干燥后的嵌件原料，有利于注射成型，可以防止嵌件原料在含水量高的情况下进行注射成型时产生粘模的现象。
第三步：成型带有嵌件的坯体
本发明采用注射成型工艺制备中空散热器，具体的，将上一步成型得到的嵌件置于MIM模具型腔内，然后注射所述喂料，喂料填充模具型腔内并包裹在所述嵌件周围，以得到带有嵌件的坯体。在本发明的一些实施例中，带有嵌件的坯体的注射成型的条件为：注射压力为50～70MPa，温度为185～ 205℃，浇注时间为3-5s。
为防止将嵌件在MIM模具内发生融化，在本发明的一些实施例中，料温低于200℃，模温低于120℃。可以理解的是，为防止注射成型过程中，嵌件在MIM模具中发生变形，在注射过程中需要保证嵌件在MIM模具中的定位支撑力。
第四步：去除嵌件
在得到带有嵌件的坯体后，对带有嵌件的坯体进行脱脂处理，以去除所述嵌件，进而得到具有中空结构的生坯。可以理解的是，在本发明提供的制备方法中，脱脂处理能够同时去除嵌件以及坯体中的部分粘结剂。
在本发明的一些实施例中，脱脂处理为催化剂脱脂处理。催化剂脱脂是利用催化剂把有机载体分子解聚为较小的可挥发的分子，这些分子比脱脂过程中的其他有机载体分子具有更高的蒸汽压，能迅速地扩散出坯体。在本发明的一些实施例中，催化脱脂处理采用的催化剂为草酸。进一步的，在本发明的一些实施例中，催化脱脂处理的温度为120～135℃，催化剂的供给速度为2～3g/min，进而保证嵌件完全溶解，提高产品的良率。
在本发明的一些实施例中，所述催化脱脂处理的温度为130℃，所述催化脱脂处理包括：先在2g/min的催化剂供给速度下脱脂150min，以保证坯体在较慢的脱脂速率下整体成为多孔结构，坯体不出现开裂，然后在3g/min 的催化剂供给速度下脱脂240min，即通过加大进酸量从而加快脱脂速度；最后在2g/min的催化剂供给速度下脱脂90min，以保证部分残留的粘结剂被完全去除干净。
在本发明的一些实施例中，在催化脱脂处理前还包括溶剂脱脂。溶剂脱脂是利用有机物分子的相似相溶原理来脱除粘结剂中可溶组元的方法。在本发明的一些实施例中，所述溶剂脱脂处理采用的溶剂为酒精、二氯甲烷或乙酸乙酯。在本发明的一些实施例中，所述溶剂脱脂处理的温度为20～30℃，脱脂时间为48～56h，进而可以保证嵌件能够完全溶解，提高产品的良率。
第五步：烧结成型
在去除嵌件，得到具有中空结构的生坯后，对生坯进行烧结，以得到中空散热器。烧结的具体操作及原理为本领域技术人员所公知，本发明对此不再进行赘述。
在本发明的一些实施例中，烧结的最高温度为980～1050℃。例如，在本发明的一些实施例中，喂料所采用的金属粉末为金属Cu粉末，铜的熔点为1080℃，因此，采用接近熔点的温度烧结，可以使得烧结后样品更加致密，密度更高，进而可以得到性能更加好的产品。
为提高产品良率，防止烧结过程中产生开裂和氧化现象，在本发明的一些实施例中，采用多段烧结的工艺对所述生坯进行烧结，具体的，先将所述生坯加热至600℃保温60～90min，然后加热至800℃保温60min，再加热至 950℃保温90min，最后加热至最高温度保温60～90min，然后自然冷却至室温，以得到产品。
在本发明的一些实施例中，所述烧结是在在氢气环境下进行的，所述氢气环境的气压为50～86KPa。金属(例如铜)在高温下很容易氧化，一旦生成氧化产物，会阻碍铜粉末烧结收缩的过程，氢气的还原性比铜要强，更容易和氧气结合，因此，采用氢气氛围可以使得铜在烧结过程中不被氧气氧化，保证整个粉末烧结的连续性。
另外，本发明还提供一种中空散热器，其由上述的制备方法制备得到。
以下通过具体实施例进一步描述本发明，但所述的具体实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。
实施例1(此实施例中采用POM材料制备嵌件)
将喂料好的金属粉末(购自BASF公司的Cu粉末，粒径为30um，喂料中的粘结剂为聚醛树脂，Cu粉末的体积含量为60％)放入造粒机中，在转速为 20r/min、温度为170℃的工况下混炼2小时，混炼好的喂料分别经片状、棒状挤压制粒，使喂料进一步均匀、密实，得到适于注射的粒状喂料。
将POM料在80℃下干燥4h，然后将干燥后的POM料倒入料斗，注射成嵌件形状，得到POM嵌件。其中，注射压力为40MPa，温度为190℃，浇注时间为2s(具体以打饱满为准)。
然后，将得到的POM嵌件冷却后放入MIM模具型腔内，将上述的粒状喂料注射进型腔内，得到带有嵌件的坯体，其中，注射压力为50mpa,温度为 185℃，浇注时间为3s。
然后，采用催化脱脂技术对得到的带有嵌件的坯体进行脱脂处理，去除坯体内的嵌件，得到具有中空结构的多空隙生坯，其中，催化脱脂处理的温度为130℃，脱脂的时间为11h，达到生坯脱脂率为8.0％即可。具体的催化脱脂工艺参数设定如表1所示。
表1
最后，对上述的生坯进行烧结以得到中空散热器，其中，烧结的最高温温度为1000℃，具体的烧结参数设定如表2所示。
表2
实施例2(此实施例采用PMMA材料制备嵌件)
将喂料好的金属粉末(购自BASF公司的Cu粉末，粒径为50um，喂料中的粘结剂为乙酸乙酯，Cu粉末的体积含量为55％)放入造粒机中，在转速为 30r/min、温度为200℃的工况下混炼3小时，混炼好的喂料分别经片状、棒状挤压制粒，使喂料进一步均匀、密实，得到适于注射的粒状喂料。
将PMMA料在90℃下干燥3h，然后将干燥后的PMMA料倒入料斗，注射成嵌件形状，得到PMMA嵌件。其中，注射压力为60MPa，温度为245℃，浇注时间为3s(具体以打饱满为准)。
然后，将得到的PMMA嵌件冷却后放入MIM模具型腔内，将上述的粒状喂料注射进型腔内，得到带有PMMA嵌件的坯体，其中，注射压力为65mpa, 温度为200，浇注时间为4s。
然后，采用溶剂脱脂技术对得到的带有PMMA嵌件的坯体进行脱脂处理，去除坯体内的PMMA嵌件，得到具有中空结构的生坯。其中，溶剂脱脂处理的温度为20℃，脱脂的时间为56h(视脱完PMMA嵌件为准)。然后，采用催化脱脂技术对中空结构的生坯进行催化脱脂处理，得到具有中空结构的多空隙生坯。其中，催化脱脂处理的温度为120℃，脱脂的时间为11h,以达到生坯脱脂率为8.0％即可。具体的催化脱脂工艺参数设定如表3所示。
表3
最后，对上述的生坯进行烧结以得到中空散热器，其中，烧结的最高温温度为1050℃，具体的烧结参数设定如表4所示。
表4
实施例3(此实施例采用PS材料制备嵌件)
将喂料好的金属粉末(购自BASF公司的Cu粉末，粒径为40um，喂料中的粘结剂为石蜡，Cu粉末的体积含量为65％)放入造粒机中，在转速为 25r/min、温度为185℃的工况下混炼4小时，混炼好的喂料分别经片状、棒状挤压制粒，使喂料进一步均匀、密实，得到适于注射的粒状喂料。
将PS料在85℃下干燥2h，然后将干燥后的PS料倒入料斗，注射成嵌件形状，得到PS嵌件。其中，注射压力为50MPa，温度为220℃，浇注时间为2.5s(具体以打饱满为准)。
然后，将得到的PS嵌件冷却后放入MIM模具型腔内，将上述的粒状喂料注射进型腔内，得到带有PS嵌件的坯体，其中，注射压力为70mpa,温度为205，浇注时间为5s。
然后，采用溶剂脱脂技术对得到的带有PS嵌件的坯体进行脱脂处理，去除坯体内的PS嵌件，得到具有中空结构的生坯。其中，溶剂脱脂处理的温度为30℃，脱脂的时间为48h(视脱完PS嵌件为准)。然后，采用催化脱脂技术对中空结构的生坯进行催化脱脂处理，得到具有中空结构的多空隙生坯。其中，催化脱脂处理的温度为135℃，脱脂的时间为11h,达到生坯脱脂率为8.0％即可。具体的催化脱脂工艺参数设定如表5所示。
表5
最后，对上述的生坯进行烧结以得到中空散热器，其中，烧结的最高温温度为980℃，具体的烧结参数设定如表6所示。
表6
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种中空散热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)提供喂料以及嵌件原料；
2)将所述嵌件原料成型为嵌件；
3)将所述嵌件置于模具型腔内，通过注射成型将所述喂料填充所述型腔并包裹在所述嵌件周围，以得到带有嵌件的坯体；
4)对所述带有嵌件的坯体进行脱脂处理，以去除所述嵌件，得到具有中空结构的生坯；以及
5)对所述生坯进行烧结，以得到所述中空散热器。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述喂料由金属粉末和粘结剂在转速为20～30r/min、温度为170～200℃的条件下混炼2～4小时制得；所述喂料中的所述金属粉末的体积含量为55％～65％。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1)还包括将所述喂料经片状、棒状两次挤压制成粒状。
4.如权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末为Cu粉末，所述Cu粉末的粒径为30～50um；所述粘结剂为选自石蜡，蜂蜡，高熔点聚乙烯，低熔点聚乙烯，聚丙烯，聚苯烯，聚醛树脂，以及乙酸乙酯中的至少一种。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述嵌件原料为POM、PMMA或PS，在所述步骤2)中，通过注射成型工艺将所述嵌件原料成型为嵌件，在将所述嵌件原料成型为嵌件前，还包括将所述嵌件原料在80～90℃下干燥2～4小时。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的脱脂处理为催化脱脂处理；所述催化脱脂处理采用的催化剂为草酸，所述催化脱脂处理的温度为120～135℃，所述催化剂的供给速度为2～3g/min。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述催化脱脂处理前还包括溶剂脱脂处理；所述溶剂脱脂处理采用的溶剂为酒精、二氯甲烷或乙酸乙酯；所述溶剂脱脂处理的温度为20～30℃，时间为48～56h。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S5)中，在氢气环境下对所述生坯进行烧结，以得到所述中空散热器，所述氢气环境的气压为50～86KPa；所述烧结的最高温度为980～1050℃。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述烧结包括先将所述生坯加热至600℃保温60～90min，然后加热至800℃保温60～90min，再加热至950℃保温30～60min，最后加热至最高温度保温60～120min，然后自然冷却至室温。
10.一种中空散热器，其特征在于，所述中空散热器由所述权利要求1～9任一所述的制备方法制备得到。
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