CN109321212A - 纳米管复合pcm组合相变温控组件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，旨在提供一种相变潜热大，导热效果更好的相变温控组件的制备方法，本发明通过下述技术方法予以实现：将热解石墨铸造在金属导体封装容器的热沉底部及垂直热壁面中；采用超声振荡方式对碳纳米管与相变材料进行复合，形成碳纳米管复合相变材料，并通过真空共融方式将液态碳纳米管复合相变材料填充在导热增强骨架内部；将导热增强骨架焊接在所述相变腔腔体中，构成热解石墨U形包绕导热增强骨架的多层相变潜热自控调节层次，由相变腔形成隔温缓冲层；最后采用电子束焊方式将盖板焊接在金属导体封装容器阶梯孔口上，围成封闭型相变温控组件，并根据需要加工出外形尺寸。

Description

纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种电子器件热控制领域的一种基于导热增强骨架的碳纳米管复合材料相变温控组件的制备方法。
背景技术
随着电子设备向着小型化、高集成化方向的高速发展，相变温控所具有的独特性质使其在间隙性或周期性运转的电子设备的温控上获得了广泛应用和高速发展。
相变温控技术的原理是利用相变材料(Phase Change Material,PCM)在某一特定温度下，从低熵聚集态转变到高熵聚集态物质时需吸收大量热量而转变过程中温度基本保持不变的性质，进而调整、控制温控对象周围环境温度。待温控对象停机期间相变材料再将吸收的热量释放到环境中,为下一次工作周期做好准备。相变材料是利用工质在熔化过程中吸收大量相变潜热，并保持温度相对恒定的特点达到温控的目的。针对内部没有冷源可以利用的电子设备，利用相变装置吸收多余热量是解决电子设备热短路区域局部高温的有效途径之一。实验结果表明：用相变材料进行温控的集成电路的温度比不使用相变材料进行温控的集成电路的温度平均低7～8℃。
通常，相变温控组件主要由相变材料、导热增强体或导热填料和封装容器等三个主要部分组成。封装在组件内部的相变材料是整个组件的核心，其作用是实现温控功能。导热增强型相变材料由于良好的导热性能，能够很好地发挥相变吸热能力，对降低集成电路热短路区域的局部高温具有显著效果；金属壳体内、外同时使用低温和中温相变装置，能够将集成电路周围金属壳体温度控制在允许工作温度范围内。目前采用的导热增强体通常包括金属泡沫、肋片、蜂窝等，或是采用金属粉、石墨粉等填充的导热填料。泡沫金属是一种在金属基体中均匀分布着大量连通和不连通的孔洞的新型轻质多功能材料，其结构具有密度小，孔隙率高'比表面积大等特点，将其作为填充材料运用到相变储能装置中，可以提高装置的整体热性能。导热增强体的作用是提高相变材料的导热能力，减小相变过程中产生的温度梯度等。外部封装容器的作用是防止相变材料在相变过程中熔化所导致的液相流失(固-液相变)或升华导致的气相损失(相变)，若没有合适的容器盛装，相变材料会发生泄露，导致相变温控组件的温控能力下降，甚至会对温控目标件造成破坏。一般而言，封装容器的材料为铝合金材料，但其导热系数仅为180～240W/mK，单纯的铝材料导热系数难以进一步提高。
相变材料主要包括有机物、无机物以及含水盐三类。有机类相变材料主要包括石蜡类相变材料、脂肪酸类相变材料、多元醇类相变材料和其他有机物。以石蜡类和脂肪酸类为代表的有机类相变材料温度适应性好、密度低、单位体积的相变焓值较高、物理化学性能稳定、对容器无腐蚀性，没有过冷以及析出导致的分层现象，腐蚀性也较小。常见的石蜡属于有机相变材料，由于其熔点范围与电子器件安全工作温度较为接近，且具有高潜热、价格低廉、温度及化学性质稳定、无毒等优点，是电子器件被动冷却组件中比较理想的相变材料。但在实际应用中，由于石蜡等有机相变材料导热系数低(0.21-0.24W/mK)，在芯片热流密度较高的情况下，所需相变材料质量较多，工作芯片散发出的热量不能迅速传导到整个石蜡区域中，相变区只是出现在热源附近，产生局部熔化，随着相界面的推移，传热的热阻逐渐增大，成为固液相变温控中的关键问题。因此，在应用石蜡的冷却组件中，提高石蜡导热性能则成为组件的关键。为提高有机相变材料的当量导热系数，很多学者对相关方面进行了研究，其主要思想是在相变材料中添加高导热系数的添加物来提高其当量导热系数，目前所采用的技术包括在石蜡中添加石墨、高导热性能纳米纤维或纳米颗粒以及铝泡。上述方法主要通过实验和数值模拟的方法研究相变材料填充量、物性以及相变结构参数等对相变材料当量导热系数的影响。因此有机类相变材料低的导热系数是其应用的最大障碍,必须对其进行传热强化。
目前广泛采用的办法是在有机类相变材料中添加导热增强骨架等导热增强材料形成复合相变材料，再将该复合相变材料封装于封装容器中，从而形成相变温控组件。在相变早期金属骨架和相变材料存在较大的温差，热不平衡明显。采用复合储能材料可以使得其传热性能得到很大提高，但是也会使复合材料的储能能力有所降低。该方式的主要缺点在于导热增强骨架与封装容器之间多采用直接挤压方式，依靠过盈配合实现导热增强骨架与封装容器的连接，这种方式容易在导热增强骨架与封装容器接触面之间产生间隙，影响了相变温控组件的热响应速率。
随着纳米技术的飞速发展，高导热的纳米尺寸材料，典型的如碳纳米管等成为了新的相变材料导热填料，其密度低，室温下沿轴向的理论热导率能够达到6600W/m·K，几乎是金刚石室温下导热率3320W/m·K的2倍，同时具有极高的比表面积，较之传统的导热增强骨架具有更好的导热强化作用。碳纳米管又名巴基管，自身重量轻，具有中空的结构，内部可以填充金属、氧化物等物质，是一种具有特殊结构，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～20nm。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润和金属形成材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强的金属基复合材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有相变温控组件的不足，提供一种热响应速率更高、热响应时间更短、相变潜热大，导热效果更好的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，以进一步提升现有相变温控组件的热响应速率。
为实现上述目的，本发明提供的种碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，具有如下技术特征：制备一个带有阶梯孔口相变腔的金属导体封装容器(4)和一个以通孔率大于98％的高孔隙率泡沫合金/泡沫金属材料作为导热增强骨架(2)，导热增强骨架(2)与所述相变腔形状尺寸相同；然后将表面进行改性后的热解石墨(3)铸造在金属导体封装容器(4)的热沉底部及垂直热壁面中；采用超声振荡方式对碳纳米管与相变材料进行复合，利用碳纳米管与相变材料复合形成液态碳纳米管复合相变材料，并通过真空共融方式将上述液态碳纳米管复合相变材料填充在导热增强骨架(2)内部；将导热增强骨架(2)注入尺寸相同的相变腔，焊接构成热解石墨(3)U形包绕导热增强骨架(2)的多层相变潜热自控调节层次，使热沉底部和侧壁与腔体紧密接触，金属导体封装容器内壁流道组成封闭的相变腔形成隔温缓冲层；最后采用电子束焊方式将盖板(1)焊接在金属导体封装容器(4)阶梯孔口上，围成封闭型相变温控组件，并根据需要加工出外形尺寸。将导热增强骨架注入尺寸相同的相变腔构成相变潜热自控调节层。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
热响应速率高，热响应时间短。本发明采用导热增强骨架与碳纳米管对相变材料进行复合，从宏观和微观两个尺度对相变材料的导热性能进行加强，通过预先将石墨铸造在金属导体封装容器4内，提升了封装容器的等效导热系数。同时通过将高导热的石墨材料与铝基材进行共同铸造，利用石墨材料提升铝材料的导热系数，可以将复合材料的导热系数提升至1700W/mK左右，极大地增强封装容器铝材料的导热系数，进而提升相变温控组件的导热性能，提升热响应速率。一方面采用焊接封装容器4上在导热增强骨架2作为宏观导热增强体，另一方面，采用碳纳米管作为微观导热增强体，从宏观和微观两个维度加强了液态相变材料在液相中的传递，增加了热流密度，使同一时刻有更多的PCM参与相变，更多的热量转化为潜热被储存，从而达到降低温度梯度，减缓组件的升温速度的效果，进一步提高了相变温控组件的热响应速率。相比导热骨架和封装容器之间直接采用过盈配合或不采用微观导热增强的方式，进一步提高了相变温控组件的等效导热系数，改善了传热性能。
本发明采用超声振荡方式对碳纳米管与相变材料进行复合，形成碳纳米管复合相变材料，并通过真空共融方式将液态碳纳米管复合相变材料填充在导热增强骨架(2)内部，固、液相导热系数高，比热和密度较大。由于两种材料在各自的相变温区最大程度地发挥了相变吸热作用。相变过程中体积变化小，具有化学稳定性和热稳定性放入较大的相变潜热，既增强了相变材料的导热性能，又加强了导热增强骨架的强度，还可以保证温控装置具有较小的体积和重量，满足更苛刻的温控要求。同时也解决了导热增强骨架及相关设备的温度波动问题。导热增强骨架内部填充液态碳纳米管复合相变材料可以在各自的相变温区有效地发挥吸热能力。碳纳米管把封装有相变材料温控两者的优势互补，即突破了相变温控的工作时长局限性，又消除了相变材料温控的动态不稳定性。相变材料利用相变材料在相变过程中能够吸收或释放大量潜热，而其温度基本保持不变的特性来实施温控的。当相变材料温度升高到它的熔点时，便开始熔化，吸收、储存与熔化潜热相的热量，同时介面温度维持在熔点附近，从而使设备的温升得到控制。
相变潜热大。本发明将表面进行改性后的热解石墨(3)铸造在金属导体封装容器(4)的热沉底部及垂直热壁面中；相变材料吸收穿过金属导体封装容器壁层的余热，阻断热量通过，起到热屏蔽作用；金属导体封装容器内壁流道组成封闭的相变腔形成隔温缓冲层，稳定工作点温度。导热增强型相变材料由于良好的整体导热性能，很好地发挥了相变材料的热耗散作用，对降低电阻器件及周围金属壳体局部高温具有显著的效果，
导热效果更好。本发明将导热增强骨架注入尺寸相同的相变腔构成相变潜热自控调节层。使热沉底部和侧壁与腔体紧密接触，整体密封入热沉空腔中后，减小与腔体内壁之间的接触热阻。整个换热过程液态碳纳米管复合相变材料的自然对流和以高孔隙率泡沫金属材料作为骨架制备而成的金属骨架的热传导，具有较大的换热面积，以碳纳米管复合相变储能材料的导热系数将大大高于相变材料本身的导热系数在储能过程中具有更好的传热效果。
附图说明
图1是本发明碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明,但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
参阅图1。根据本发明，首先对热解石墨(3)表面进行改性，铸造在金属导体封装容器(4)内，并加工出用于焊接导热增强骨架(2)的腔体；将导热增强骨架(2)加工至腔体尺寸，并焊接在所述腔体中；采用超声振荡方式对碳纳米管与相变材料进行复合，利用碳纳米管与相变材料复合形成液态碳纳米管复合相变材料，并通过真空共融方式将上述液态碳纳米管复合相变材料填充在导热增强骨架(2)内部；将导热增强骨架(2)焊接在所述相变腔腔体中，构成热解石墨(3)U形包绕导热增强骨架(2)的多层相变潜热自控调节层次，由相变腔形成隔温缓冲层；最后采用电子束焊方式将盖板(1)焊接在金属导体封装容器(4)阶梯孔口上，围成封闭型相变温控组件，并根据需要加工出外形尺寸。
电子器件处于工作状态时，相变材料吸收电子器件芯片散发出的热量，将其转化为相变潜热，并使其温度控制在熔点附近；当电子器件处于工作停止状态时，相变材料重新凝固并释放出其存储的潜热。固液相变的优势在于固液相变体积变化范围小、相变潜热较大，电子芯片温度可通过选择不同熔点范围的相变材料进行有效的控制，且将器件的散热和温控分开，减小了电子芯片的温控对散热环境条件的依赖程度。通过相变材料吸收导热增强骨架的多余热量，降低导热增强骨架周围金属壳体的温度。相变材料按一定的热流密度吸收热量，并随着温度升高开始熔化。在这个过程中，吸收热量同时温度维持在熔点附近，直至装置内的相变材料全部熔化为止。此时，当热源继续放热时，相变温控失效，材料温度继续上升；当热源停止放热时，相变材料与外界环境进行热交换，释放热量并维持温度不变，并从液相转变为固相，温度也逐渐回复到环境温度，即相变温控完成一个工作周期。
碳纳米管增强的相变温控组件主要包括封装容器4、铸造在封装容器4内部的石墨3、焊接在封装容器4上的导热增强骨架2和盖板1。其中，导热增强骨架2可以是泡沫石墨、泡沫铜、泡沫陶瓷或泡沫铝、Al-Si、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu和Zn-A1系的一些合金的泡沫骨架。所选用的导热增强骨架为泡沫石墨、泡沫铜、泡沫铝、Al-Si、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu和Zn-A1系合金泡沫中的一种。
相变温控组件最佳实施例由封装容器4、石墨3、泡沫石墨2、盖板1与碳纳米管及合适相变温度的石蜡所形成的碳纳米管复合相变材料构成。
所采用的封装容器4、盖板2为6061铝材制成；石墨金属壳体材料为铝合金；所采用的泡沫石墨3的密度为0.2g/cm3，孔径为3mm，孔隙率为98％；
优选地，所采用的相变材料为石蜡类相变材料；所选用的相变材料为石蜡类、多元醇类中的任意一种或几种的混合物。所采用的石蜡的相变温度为82℃，导热率为0.2W/m·K，相变焓值为220J/cm3。
优选地，所采用的石墨(3)通过表面改性后铸造在金属导体封装容器(4)中；
优选地，所采用的导热增强骨架(2)、金属导体封装容器(4)之间采用软钎焊方式相连。
在真空环境中将液态复合相变材料填充至导热增强骨架2的封装容器4内部；采用电子束焊方式将盖板1焊接在组件上相应位置；根据要求完成相变温控组件外形的加工。
将石墨铸造在铝金属导体封装容器4内，石墨材料与铝基材进行共同铸造，利用石墨材料提升铝材料的导热系数。石墨的表面张力小，大面积无缺陷，其表面还存在约0.45％的挥发性有机物，这些均恶化了石墨的润湿性。石墨表面的强疏水性，恶化了浇注料的流动性，且石墨容易聚集而不能均匀分散在耐火材料中，因此很难制备出均匀致密的不定型材料。高温烧成后的组织结构及性能，在很大程度上取决于液态相变材料对石墨的润湿性。当润湿时，相变材料液相在毛细管力的作用下，流入颗粒间隙，靠它们间的附着力把石墨颗粒粘结起来，在石墨周围形成一层薄膜，冷却后形成连续体，与石墨形成粘结力较高的界面。若二者不润湿，石墨颗粒形成聚集体，相变材料液相局限在颗粒间隙中形成孤立体，高温下很难烧结形成致密的复合体。因此，要想制备性能优良的含碳材料，必须先改善石墨的润湿性。近年来，人们对石墨进行了大量表面改性研究，取得了一定进展，并探讨出了多种表面改性方法，但直至今天，其改性效果并不理想。将石墨和其他耐火物料按照一定比例混合均匀，在压力机上压制成坯体，经一定温度焙烧处理而得到致密的高强度坯体，然后坯体破碎成不同粒级的物料，将这种物料引入不定型材料料中，在300-400℃下低温煅烧后，利用表面活性剂的特殊结构，使其一端的疏水基吸附在石墨表面上，而另一端的亲水基指向水中，使表面由疏水性转变为亲水性，使其亲水性得到改善，从而改变了石墨的表面性质。用高速气流冲击法在鳞片石墨表面涂上一层亲水性的Si C颗粒，生成了Si C或Bi C薄膜，而得到润湿性较好的石墨粉体。不仅改变了石墨表面的结构和性质，还使石墨由鳞片状变为球状，使改性后石墨的润湿性大大提高。
由于所选泡沫石墨具有较高孔隙率和连通性，泡沫石墨在导热增强骨架(2)的腔体内融化过程中会出现一定程度的自然对流，且加热温度越高，自然对流越强烈，自然对流对石蜡的融化起推动作用，泡沫石墨的良好导热性能加速的石蜡的导热，并使得内部温差减小，整体温度快速趋于均匀一致，融化过程中，尤其是低温加热工况下，温度随时间分布的曲线图上没有明显的相变区域，这是因为自然对流作用比较小，以及泡沫石墨的良好导热性能，将融化所需的潜热迅速传递到固液相界面处，使得融化过程快速完成。
本实施例中，按照下述步骤实现：将石墨3表面进行的改性，改性的目的是通过铸造方式将石墨3铸造在金属导体封装容器4内；在金属导体封装容器4内加工出用于焊接导热增强骨架的腔体，并对腔体表面进行酸洗；将导热增强骨架2加工至腔体内部焊接导热增强骨架的相应尺寸；通过软钎焊方式将导热增强骨架2焊接在所述金属导体封装容器4的腔体内部；通过真空共融方式对碳纳米管与石蜡相变材料进行复合，形成液态复合相变材料；在真空环境中将液态复合相变材料填充至焊接有导热增强骨架2的封装容器4内部；采用电子束焊方式将盖板1焊接在组件上相应位置；根据要求完成相变温控组件外形的加工。

Claims (9)

1.一种碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，具有如下技术特征：制备一个带有阶梯孔口相变腔的金属导体封装容器(4)和一个以通孔率大于98％的高孔隙率泡沫合金/泡沫金属材料作为导热增强骨架(2)，导热增强骨架(2)与所述相变腔形状尺寸相同；然后将表面进行改性后的热解石墨(3)铸造在金属导体封装容器(4)的热沉底部及垂直热壁面中；采用超声振荡方式对碳纳米管与相变材料进行复合，利用碳纳米管与相变材料复合形成液态碳纳米管复合相变材料，并通过真空共融方式将上述液态碳纳米管复合相变材料填充在导热增强骨架(2)内部；将导热增强骨架(2)注入尺寸相同的相变腔，焊接构成热解石墨(3)U形包绕导热增强骨架(2)的多层相变潜热自控调节层次，使热沉底部和侧壁与腔体紧密接触，金属导体封装容器内壁流道组成封闭的相变腔形成隔温缓冲层；最后采用电子束焊方式将盖板(1)焊接在金属导体封装容器(4)阶梯孔口上，围成封闭型相变温控组件，并根据需要加工出外形尺寸，将导热增强骨架注入尺寸相同的相变腔构成相变潜热自控调节层。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：碳纳米管增强的相变温控组件包括封装容器4、铸造在封装容器4中的石墨3、焊接在封装容器4上的导热增强骨架2和盖板1。
3.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：其中，导热增强骨架2是泡沫石墨、泡沫铜、泡沫陶瓷或泡沫铝、Al-Si、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu和Zn-A1系的中的一种泡沫骨架。
4.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：相变材料为石蜡类、多元醇类中的任意一种或几种的混合物。
5.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：所采用的石蜡的相变温度为82℃，导热率为0.2W/m·K，相变焓值为220J/cm3。
6.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：导热增强骨架(2)、金属导体封装容器(4)之间采用软钎焊方式相连。
7.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：将石墨铸造在铝金属导体封装容器4内，石墨材料与铝基材进行共同铸造，利用石墨材料提升铝材料的导热系数。
8.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：在真空环境中将液态复合相变材料填充至导热增强骨架2的封装容器4内部；采用电子束焊方式将盖板1焊接在组件上相应位置；根据要求完成相变温控组件外形的加工。
9.如权利要求1所述的碳纳米管复合PCM组合相变温控组件的制备方法，其特征在于：泡沫石墨在导热增强骨架(2)的腔体内融化自然对流，泡沫石墨加速石蜡的导热、融化，将融化所需的潜热迅速传递到固液相界面处，快速完成得融化过程。
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