CN111112600A - 复合粉体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种复合粉体,包括金属粉末、造孔剂和粘结剂,造孔剂和金属粉末之间通过粘结剂粘连。本申请还公开了一种复合粉体的制备方法,本申请还公开一种具有毛细结构材料的制备方法和一种散热结构。本发明通过引入粘接剂来包覆粉体表面,使金属粉体与造孔剂粘连,同时通过选用具有特定形貌和粒径的造孔剂保证粉体具有很好的流动性及与金属粉的良好匹配性,来获得成分均匀一致的粉体材料。

Description

复合粉体及其制备方法
技术领域
本申请涉及一种复合粉体及其制备方法,该复合粉末烧结后可以形成具有毛细结构的导热层,该导热层形成于热导管的内壁,可以应用于航空航天、电气、电子和机械等领域。
背景技术
随着半导体和微电路技术的发展,电子产品和电力设备的发展日新月异,芯片运算速度越来越快,芯片尺寸也朝微小化方向发展,芯片运算过程中产生出大量热量,不同运算区域产生的热量不同,局部热量累积区域形成高温,被称为“热点”(hot spot)。据统计,由于热点而造成的器件寿命缩短,占电子系统故障率的60%以上。采用真空工作流体相变散热原理制作的热导管是一种最有效实用的散热技术。目前,笔记型和桌面型电脑、游戏机和服务器芯片的散热都是采用热管技术,另外,在一些新兴领域,如LED、太阳能的散热系统也都开始应用此项技术。热导管作为一个被动式的导热装置,利用热管内部工作流体的相变化,可以借由很小的温差快速带走热量,被誉为超导热组件。
热导管传热量的高低主要由毛细结构层的特性决定,毛细结构层属于多孔材料结构,它是由金属粉末在高温下烧结制成。金属粉末烧结成毛细结构后,孔隙率的高低将决定工作流体量的多少,孔隙率高,则可填入的工作流体量多,其相变带走的热量多,热导管和散热模组的传热功率高,反之则传热功率低。
采用现有雾化技术、氧化还原技术和电解工艺制备的金属粉体材料制造的毛细结构其孔隙率已基本接近极限,也很难再有突破。如何能进一步提高粉体烧结后的孔隙率,是本领域技术人员长期以来渴望解决的难题。
中国专利申请200910259391.8公布了一种含有造孔剂的复合铜粉,其材料由铜粉与尿素、纤维素或石蜡等低气化温度的物质组成,这些低气化温度的物质可有效实现造孔的功能,但是,由于这些造孔材料与铜粉(铜的密度8.96g/cm3)比重差异大,且颗粒形态或表面摩擦力也与铜粉不同,导致在实际批量生产过程中,造孔材料与铜粉出现严重偏析而分离,同一烧结体不同部位或不同烧结体孔隙率分布不均匀,从而使复合铜粉无法获得均一的性能,无法实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合粉体及其制备方法,以克服现有技术中材料无法获得均一的性能的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本申请实施例公开一种复合粉体,包括金属粉末、造孔剂和粘结剂,
造孔剂和金属粉末之间通过粘结剂粘连。
优选的,在上述的复合粉体中,粘结剂包覆于金属粉末和/或造孔剂的外侧。
优选的,在上述的复合粉体中,金属粉末选自铜粉、铜合金粉、铝粉、铝合金粉、铁粉、铁基合金粉、镍粉、镍基合金粉,或其组合。
优选的,在上述的复合粉体中,金属粉末的粒径范围为0.1um~1000um。
优选的,在上述的复合粉体中,造孔剂的气化温度在600℃以下,优选为400℃以下。
优选的,在上述的复合粉体中,造孔剂的粒径为0.1um~100um,优选为1um~30um。
优选的,在上述的复合粉体中,粘结剂选自植物油、动物油、矿物油、植物胶、溶解有淀粉、植物或动物提取胶粉作为增稠剂的溶液,或其组合。
优选的,在上述的复合粉体中,粘结剂粘度为50~50000cP,优选为200~8000cP。
优选的,在上述的复合粉体中,粘结剂在600℃以下可以完全分解,优选为在400℃以下可以完全分解。
优选的,在上述的复合粉体中,复合粉体中按照重量比,粘结剂的添加量为0.001%~1%,优选为0.01%~0.5%
优选的,在上述的复合粉体中,复合粉体中按照重量比,造孔剂的添加量为0.1%~10%,优选0.5%~5%。
优选的,在上述的复合粉体中,金属粉末采用铝粉,铝粉的重量比为91%(占所述复合粉体总重量的百分比,下同),粒径300~800um;
造孔剂的重量比为8.3%,粒径80~100um;
粘结剂的重量比为0.7%。
相应的,本申请还公开了一种复合粉体的制备方法,包括:
将粘结剂包覆于金属粉末表面;
再将已包覆的金属粉末与造孔剂混合。
优选的,在上述的复合粉体的制备方法中,采用雾化喷淋或螺旋搅拌方式将粘结剂涂覆于金属粉末表面。
相应的,本申请还公开了一种复合粉体的制备方法,包括:
将粘结剂涂覆于造孔剂表面;
再将已涂覆的造孔剂与金属粉末混合。
优选的,在上述的复合粉体的制备方法中,采用雾化喷淋或螺旋搅拌方式将粘结剂涂覆于金属粉末表面。
本申请还公开了一种具有毛细结构材料的制备方法,包括:
制备所述的复合粉体;
烧结,烧结温度小于金属粉末的熔点,且大于造孔剂和粘结剂的气化温度。
本申请还公开了一种由所述的复合材料烧结形成的毛细结构。
本申请还公开了一种散热结构,其包括由所述的复合材料烧结形成的毛细结构层。
优选的,在上述的散热结构中,散热结构为热导管,所述热导管内壁上设置有所述的毛细结构层。
本申请还公开了一种装置,包括基体,所述基体表面和/或内部还设置有所述的毛细结构或所述的散热结构。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
本发明通过引入粘接剂来包覆粉体表面,使金属粉体与造孔剂粘连,同时通过选用具有特定形貌和粒径的造孔剂保证粉体具有很好的流动性及与金属粉的良好匹配性,来获得成分均匀一致的粉体材料。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为本发明具体实施例4中烧结完成后形成多孔的由金属颗粒组成的结构的电子显微照片。
具体实施方式
本发明实施例公开一种复合粉体,包括金属粉末、造孔剂和粘结剂,造孔剂和金属粉末之间通过粘结剂粘连。
这里的粘连包括三种方式:
第1种:先将粘结剂涂覆于金属粉末表面;再将已涂覆的金属粉末与造孔剂混合
第2种:先将粘结剂涂覆于造孔剂表面;再将已涂覆的造孔剂与金属粉末混合。
第3种:先将粘结剂涂覆于金属粉末表面,并将粘结剂涂覆于造孔剂表面;然后将两种涂敷有粘结剂的金属粉末和造孔剂混合。
在优选的实施例中,造孔剂是一种在600℃以下,可以气化的粉末,造孔剂的形貌为球形、多面体结晶状或其它形状的颗粒,粒径为0.1um~100um,但优选为气化温度400℃以下,形状为球形,粒径1um~30um。
在优选的实施例中,粘结剂是一种流体,包括植物油、动物油、矿物油、植物胶、各种胶粉和或各种增稠剂在水和或醇类和或醚类中溶解分散后的具有一定粘度的混合溶液,粘度50~50000cP,在600℃以下可以完全分解,但优选为粘度200~8000cP,在400℃以下可以分解的流体。
在优选的实施例中,涂覆工艺可以采用将粘结剂雾化喷淋方式涂覆于粉末表面,也可将粘结剂与粉末通过三维强力混合的方式,或者可以采用螺旋搅拌的方式将粘结剂与粉末搅拌均匀,只要能混合均匀可不限定混合方式,优选采用雾化喷淋和螺旋搅拌的方式。
本案复合粉体材料可被应用于热导管或采用相变散热方式的散热组件,将粉体材料与金属腔体在金属粉末的熔点以下烧结,烧结过程中造孔剂和粘接剂气化或分解,烧结完成后形成多孔的由金属颗粒组成的结构,再将具有毛细结构的腔体注入工作流体,最后抽真空和密封。
本发明实施例公开一种复合粉体,包括金属粉末、造孔剂和粘结剂,粘结剂包覆于金属粉末的表面,造孔剂通过粘结剂粘连于金属粉末。
金属粉末包括铜粉和或铜合金粉、铝粉和或铝合金粉、铁粉和或铁基合金粉、镍粉和或镍基合金粉,金属粉末的粒径范围0.1um~1000um。
铜粉可以选自但不限于气雾化铜粉、水雾化铜粉、还原铜粉或电解铜粉。
造孔剂是一种在600℃以下,可以气化的粉末,造孔剂的形貌为球形、多面体结晶状或其它形状的颗粒,粒径为0.1um~100um,但优选为气化温度400℃以下,形状为球形,粒径1um~30um。
在一实施例中,造孔剂可以为甲基纤维素,碳酸铵、聚乙烯醇和尿素的混合物,石蜡和偶氮二异丁腈的混合物。
粘结剂是一种流体,包括植物油、动物油、矿物油、植物胶、各种胶粉和或各种增稠剂在水和或醇类和或醚类中溶解分散后的具有一定粘度的混合溶液,粘度50~50000cP,在600℃以下可以完全分解,但优选为粘度200~8000cP,在400℃以下可以分解的流体。
本发明实施例还公开了一种复合粉体的制备方法:先将粘结剂涂覆于金属粉末或造孔剂粉末表面上,让粉末表面具有粘连性能,再将已涂覆的粉末与造孔剂或金属粉末充分混合。
本发明通过下列实施例作进一步说明:根据下述实施例,可以更好地理解本发明。然而,本领域的技术人员容易理解,实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明,而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
将金属粉末置于可旋转的腔体内,粘结剂通过喷淋雾化装置喷出,边雾化边旋转,喷淋完成后继续旋转腔体一定时间,直至金属粉末表面被粘结剂全部包覆。之后,加入造孔剂进行混合,混合时间根据物料重量来确定,直至混合均匀。
采用以上工艺制备的高孔隙金属粉末,采用震动填粉的方式,填充至模具,在金属熔点以下烧结,烧结时间不少于15分钟,测量孔隙率。样品随机取样,每种方案测量10组数据,取平均值,结果如表1。
表1
Figure BDA0001850720180000061
注:铜粉烧结温度980℃,烧结时间30分钟;铝粉烧结温度630摄氏度,烧结时间30分钟;铁粉烧结温度1450℃,烧结时间45分钟
从以上结果可以看出,加入造孔剂后可以显著提高毛细结构的孔隙率。其中,实施例4所示为烧结完成后形成多孔的由金属颗粒组成的结构的金相照片。
此外,直接将铜粉与造孔剂批量混合制成复合粉末,与本案工艺和配方制成粉末,生产量为500kg。将产品进行烧结测量孔隙率,样品随机取样,每种方案测量10组数据,结果如表2。
表2
Figure BDA0001850720180000071
将以上两种材料,分别制成长度为200mm,直径6mm的热导管20支,注入等量工作流体,测量热性能。测试过程为,输入功率35W,根据行业通用的热阻值(要求R值<0.1℃/W)判定合格率,结果参表3。
表3
合格率
实施例7 100%
对比例4 70%
从以上对比例和实施例可以看出,粘接剂的引入和合力的涂覆工艺可有效改善造孔剂在材料中的均匀分布,孔隙率趋近更加稳定和一致,制成相变散热器后成品率更高。
在此,还需要说明的是,为了避免因不必要的细节而模糊了本发明,在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤,而省略了与本发明关系不大的其他细节。
最后,还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

Claims (21)

1.一种复合粉体,其特征在于,包括金属粉末、造孔剂和粘结剂,
造孔剂和金属粉末之间通过粘结剂粘连。
2.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,粘结剂包覆于金属粉末和/或造孔剂的外侧。
3.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,金属粉末选自铜粉、铜合金粉、铝粉、铝合金粉、铁粉、铁基合金粉、镍粉、镍基合金粉,或其组合。
4.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,金属粉末的粒径范围为0.1um~1000um。
5.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,造孔剂的气化温度在50℃~600℃,优选为50℃~400℃。
6.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,造孔剂的粒径为0.1um~100um,优选为1um~30um。
7.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,粘结剂选自植物油、动物油、矿物油、植物胶、胶粉、溶解有增稠剂的溶液,或其组合。
8.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,粘结剂粘度为50~50000cP,优选为200~8000cP。
9.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,粘结剂在600℃以下可以完全分解,优选为在400℃以下可以完全分解。
10.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,复合粉体中按照重量比,粘结剂的添加量为0.001%~1%,优选为0.01%~0.5%。
11.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,复合粉体中按照重量比,造孔剂的添加量为0.1%~10%,优选0.5%~5%。
12.根据权利要求1所述的复合粉体,其特征在于,金属粉末采用铝粉,铝粉的重量比为91%,粒径300~800um;
造孔剂的重量比为8.3%,粒径80~100um;
粘结剂的重量比为0.7%。
13.权利要求1至12任一所述的复合粉体的制备方法,其特征在于,包括:
将粘结剂包覆于金属粉末表面;
再将已包覆的金属粉末与造孔剂混合。
14.根据权利要求13所述的复合粉体的制备方法,其特征在于,采用雾化喷淋或螺旋搅拌方式将粘结剂涂覆于金属粉末表面。
15.权利要求1至12任一所述的复合粉体的制备方法,其特征在于,包括:
将粘结剂涂覆于造孔剂表面;
再将已涂覆的造孔剂与金属粉末混合。
16.根据权利要求15所述的复合粉体的制备方法,其特征在于,采用雾化喷淋或螺旋搅拌方式将粘结剂涂覆于金属粉末表面。
17.一种具有毛细结构材料的制备方法,其特征在于,包括:
制备权利要求1至12任一所述的复合粉体;
烧结,烧结温度小于金属粉末的熔点,且大于造孔剂和粘结剂的气化温度。
18.由权利要求1至12任一所述的复合材料烧结形成的毛细结构。
19.一种散热结构,其特征在于,其包括由权利要求1至12任一所述的复合材料烧结形成的毛细结构层。
20.根据权利要求19所述的散热结构,其特征在于,散热结构为热导管,所述热导管内壁上设置有所述的毛细结构层。
21.一种装置,包括基体,其特征在于:所述基体表面和/或内部还设置有权利要求18所述的毛细结构或权利要求19或20所述的散热结构。
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