CN111189346B - 一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环路热管用多孔铜‑木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯及其制备方法，取氯化钠或无水碳酸钠研磨后过筛，得到粒径为50‑75μm的造孔剂，干燥备用；将聚苯乙烯、木质纤维与造孔剂混合压片，通过烧结、洗涤得到多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯；将电解铜粉与造孔剂混合压片，通过烧结、洗涤得到多孔铜‑木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯；再将两者叠加复合，其中多孔铜芯靠近环路热管蒸发端，多孔复合材料毛细芯靠近环路热管补偿室。本发明将双层复合毛细芯应用于环路热管中，既可以强化内部的传热传质，又可以在径向上形成递变热阻，进而减小背向漏热，有效降低环路热管运行温度，稳定相变界面，从而提高环路热管的运行性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种毛细芯，具体涉及一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯及其制备方法，属于传热技术领域。
背景技术
环路热管是一种利用工质相变传递热量的高效被动传热装置，具有传热能力强、传热热阻低、传输距离长、等温性好、无运动部件等优点，适用于高热流密度电子器件的散热和航天器热控等领域。环路热管是一种分离式热管，主要由蒸发器、冷凝器、蒸汽管道、液体管道和补偿腔组成。其蒸发器与冷凝器相分离，通过光滑的蒸汽管道和液体管道连接起来，仅在蒸发器处布置多孔毛细芯，不仅减小了系统的运行阻力，而且方便了系统管路的布置。其工作过程为散热部件发热面与蒸发器加热面贴合,热量通过蒸发器壁面导入毛细芯，毛细芯内的液态工质吸收热量发生相变，产生的蒸汽通过蒸汽管道进入冷凝器冷凝为液体，冷凝的液态工质在蒸发器内毛细芯的毛细抽吸作用下经液体管道回流到补偿腔，补充蒸发器毛细芯内的液体蒸发，形成蒸发一冷凝循环,实现将散热部件的热量不断传递到外界。
环路热管毛细芯提供了系统运行的动力，是其关键部件。毛细芯的有效导热系数决定了环路热管蒸发器的传热性能。为增大环路热管的换热效率，应尽量提高毛细芯的有效导热系数，以降低环路热管的蒸发换热热阻，但高的有效导热系数会导致环路热管蒸发器向补偿器有较高的漏热量，使环路热管启动变慢，工作温度升高，严重影响环路热管的运行，甚至造成环路热管运行失效；较低的有效导热系数虽然能有效降低环路热管漏热，降低环路热管的启动温度，但也严重影响环路热管的蒸发换热效率，导致升工况运行时蒸发器温度升温梯度较大，工作负荷区间较窄。为提高环路热管的性能，应该寻求毛细芯接近热源的有效蒸发与低背向传导问题(热泄漏)之间的平衡。为此，设计一种能够高效蒸发且能够稳定蒸发界面的高性能的复合毛细芯是一个亟需解决的问题。
常用粉末烧结毛细芯，如CN103182509A公开的一种多孔烧结芯，一般为单孔径，虽可提供抽吸力，但孔径过小，烧结形成的闭口孔隙较多，蒸汽排出时所受阻力大，路径曲折，影响了环路热管整体性能。因此，出现了其他形成孔隙的方法，如CN106066131A公开的一种多孔氮化硅毛细芯，使用造孔剂形成较多开孔孔隙促进吸液及排汽。然而上述设计都没有综合考虑环路热管中毛细芯接近热源的有效蒸发与低背传导问题(热泄漏)之间的平衡问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，工艺简单，生产成本低。
本发明的另一目的是提供由上述方法制得的环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯，可以实现毛细芯接近热源的有效蒸发和热泄漏问题之间的平衡，从而提高环路热管的运行性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取适量氯化钠颗粒或无水碳酸钠颗粒，球磨后过筛，得到粒径为50-75μm的造孔剂，干燥除去水分备用；
步骤二：在室温条件下，将粒径为50-75μm的聚苯乙烯与长度为100-200μm的木质纤维按质量比6:4混合，得到聚苯乙烯/木质纤维混合粉体；
步骤三：在室温条件下，将聚苯乙烯/木质纤维混合粉体与粒径50-75μm的造孔剂按质量比1:3混合，得到的聚苯乙烯/木质纤维/造孔剂混合物采用冷压法压制成型，得到压片A；再将粒径为1-10μm的电解铜粉与粒径为50-75μm的造孔剂按体积比2:8混合，以无水乙醇为球磨介质，一起放入行星式球磨机中进行球磨混合，得到的铜/造孔剂混合物采用冷压法压制成型，得到压片B；
步骤四：分别将压片A、压片B埋入均温颗粒中，再放入管式炉中分别进行真空烧结，得到烧结片A、烧结片B；
步骤五：将烧结片A置于去离子水中浸泡12h，直至洗净内部造孔剂，得到多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯，依次用去离子水、有机溶剂对烧结片B进行超声清洗，直至洗净内部造孔剂，得到多孔铜毛细芯；
步骤六：将多孔铜毛细芯和多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯堆放在一起，组成多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯，其中多孔铜毛细芯靠近环路热管蒸发端，多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯靠近环路热管的补偿室。
优选的，步骤一中，所述干燥方式为真空干燥，干燥温度为40℃，干燥时间为24h。
优选的，步骤三中，所述球磨时间为3-4h，球磨转速为150-250r/min。
优选的，步骤三中，压制压片A的压强为105-115MPa，压制压片B的压强为250-300MPa。
优选的，步骤四中，烧结片A的真空烧结温度为160℃，升温速率10℃/min，烧结时间为30min，烧结片B的真空烧结温度为750℃，升温速率10℃/min，烧结时间为180min。
优选的，步骤四中，所述均温颗粒为碳化硅、二氧化硅、氧化铝的其中一种。
优选的，步骤五中，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。
本发明还提供由上述制备方法所制得的环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯。
本发明的双层复合毛细芯由高导热的多孔铜主芯和低导热的多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯组成，其中多孔铜毛细主芯导热系数约为28.4W/m/K，多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯导热系数约为0.16W/m/K，所制得的毛细芯孔径在50μm-75μm范围之内，整体孔隙率可以控制在70％-80％范围之内。
与现有技术相比，本发明的双层复合毛细芯由高导热金属粉末烧结的多孔铜主芯和低导热木质纤维/聚苯乙烯复合材料的附加芯组成，其中多孔铜主芯靠近环路热管蒸发端，多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯靠近环路热管的补偿室。多孔铜毛细主芯具有较高的导热系数，其表面蒸发率高，加载到蒸发器上的热量更多的被多孔铜毛细芯内的液体工质吸收，增大了环路热管的换热效率，同时木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯的导热系数较低，整体的有效热导率较低,毛细芯的背向导热减小，降低了补偿腔的温度和压力，降低系统的运行温度，有利于环路热管的启动和运行。且该复合毛细芯孔隙较小为50-75μm，孔隙分布均匀，孔隙率较大约80％，有足够的毛细抽吸力和渗透率，同时为相变界面提供附着面，起到稳定相变界面的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的毛细芯的SEM图：(a)多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯；(b)多孔铜毛细芯；
图2为本发明实施例1制得的单层多孔铜毛细芯的换热性能测试图；
图3为本发明实施例1制得的多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的换热性能测试图；
其中T1为环路热管上盖板温度、T2为冷凝入口温度、T3为蒸汽管路温度、T4为冷凝出口温度、T5为蒸发器出口温度、T6为补偿器入口温度、T7为底座温度、T8为液线温度。
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说明。
实施例1
一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取适量氯化钠颗粒，球磨后过筛，得到粒径为50μm的造孔剂，干燥除去水分备用；
步骤二：在室温条件下，将粒径为50μm的聚苯乙烯(PS)与长度为100μm的木质纤维(WF)按质量比6:4混合，以200rpm转速搅拌混合4h，得到聚苯乙烯/木质纤维混合粉体；
步骤三：在室温条件下，将聚苯乙烯/木质纤维混合粉体与粒径50μm的造孔剂按质量比1:3的混合，得到的PS/WF/NaCl混合物采用冷压法压制成型，得到压片A，压强为110MPa；再将粒径为5μm的电解铜粉与粒径为50μm的造孔剂按体积比2:8混合，以无水乙醇为球磨介质，一起放入行星式球磨机中进行球磨混合，以200rpm转速混合4h，得到的Cu/NaCl混合物采用冷压法压制成型，得到压片B，压强为280MPa；
步骤四：将压片A埋在二氧化硅细颗粒中，放入管式炉中进行真空烧结，升温速率10℃/min，保温温度160℃，烧结时间30min，得到烧结片；将压片B埋在二氧化硅细颗粒中，放入管式炉中进行真空烧结，升温速率10℃/min，保温温度750℃，烧结时间180min，得到烧结片；
步骤五：将烧结片A置于去离子水中浸泡12h，直至洗净内部造孔剂，得到多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯，依次用去离子水、无水乙醇对烧结片B进行超声清洗，直至洗净内部造孔剂，得到多孔铜毛细芯；
步骤六：将多孔铜毛细芯和多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯堆放在一起，组成多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯，其中多孔铜芯靠近环路热管蒸发端，多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯靠近环路热管的补偿室。
图1为本实施例制得的毛细芯的SEM图：(a)多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯，其靠近环路热管的补偿室；(b)多孔铜毛细芯，其靠近环路热管的蒸发端。如图a所示，多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯中木质纤维之间及木质纤维与聚苯乙烯颗粒间相互联接，NaCl颗粒被溶解后形成许多相互贯通的孔洞，这为水的传输和蒸汽的逃逸提供了便携的通道。如图b所示，烧结后的铜颗粒之间形成了良好的烧结颈，且保留了一些微米级的孔洞，这能为环路热管的持续运行提供良好的抽吸能力，同样NaCl颗粒被溶解后形成了为工质传输和蒸汽逃逸提供便携通道的连通孔隙。
本实施例制得的其多孔铜毛细主芯导热系数约为28.4W/m/K，木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯导热系数约为0.160W/m/K，所制得的双层毛细芯孔径为50μm，整体孔隙率可以控制在70％-80％范围之内。
环路热管用毛细芯换热性能测试对比，电源功率为10W，充灌率70％，工质为蒸馏水。结果如图2、图3所示，其中T1为环路热管上盖板温度、T2为冷凝入口温度、T3为蒸汽管路温度、T4为冷凝出口温度、T5为蒸发器出口温度、T6为补偿器入口温度、T7为底座温度、T8为液线温度。
对比之后的结论如下：
环路热管热阻计算公式：
蒸发器热阻计算公式：
(1)与单层多孔铜毛细芯相比，双层复合毛细芯由于上层木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加毛细芯的加入显著降低了环路热管的运行温度，提高了系统的稳定性。
(2)由公式1、2计算，与仅使用了单层多孔铜毛细芯的环路热管相比，使用了双层复合毛细芯的环路热管系统的热阻降低了58.4％，同样蒸发器热阻由3.06K/W降低到0.23K/W，这有效地抑制了径向的热泄露。
实施例2
本实施例制备环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的方法与实施例1基本相同，区别在于：步骤一至七中的造孔剂为无水碳酸钠。
本实施例制得的其多孔铜毛细主芯导热系数约为27.6W/m/K，木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯导热系数约为0.151W/m/K，所制得的毛细芯孔径在50μm-75μm范围之内，整体孔隙率可以控制在70％-80％范围之内。
实施例3
本实施例制备环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的方法与实施例1基本相同，区别在于：步骤三中，球磨混合的时间为3h，球磨转速为250r/min；步骤三中，压片A的压制压强为115MPa，压片B的压制压强为300MPa。
本实施例制得的其多孔铜毛细主芯导热系数约为29.1W/m/K，木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯导热系数约为0.168W/m/K，所制得的毛细芯孔径为50μm，整体孔隙率可以控制在70％-80％范围之内。
实施例4
本实施例制备环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的方法与实施例1基本相同，区别在于：步骤三中，电解铜粉的粒径为1μm；步骤三中，球磨混合的时间为4h，球磨转速为150r/min；步骤三中，压片A的压制压强为105MPa，压片B的压制压强为250MPa。
本实施例制得的其多孔铜毛细主芯导热系数约为25.9W/m/K，木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯导热系数约为0.155W/m/K，所制得的毛细芯孔径为50μm，整体孔隙率可以控制在70％-80％范围之内。
实施例5
一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取适量氯化钠颗粒，球磨后过筛，得到粒径为75μm的造孔剂，干燥除去水分备用；
步骤二：在室温条件下，将粒径为75μm的聚苯乙烯(PS)与长度为200μm的木质纤维(WF)按质量比6:4混合，以200rpm转速搅拌混合4h，得到聚苯乙烯/木质纤维混合粉体；
步骤三：在室温条件下，将聚苯乙烯/木质纤维混合粉体与粒径75μm的造孔剂按质量比1:3的混合，得到的PS/WF/NaCl混合物采用冷压法压制成型，得到压片A，压强为110MPa；再将粒径为10μm的电解铜粉与粒径为75μm的造孔剂按体积比2:8混合，以无水乙醇为球磨介质，一起放入行星式球磨机中进行球磨混合，以200rpm转速混合4h，得到的Cu/NaCl混合物采用冷压法压制成型，得到压片B，压强为280MPa；
步骤四：将压片A埋在碳化硅细颗粒中，放入管式炉中进行真空烧结，升温速率10℃/min，保温温度160℃，烧结时间30min，得到烧结片；将压片B埋在二氧化硅细颗粒中，放入管式炉中进行真空烧结，升温速率10℃/min，保温温度750℃，烧结时间180min，得到烧结片；
步骤五：将烧结片A置于去离子水中浸泡12h，直至洗净内部造孔剂，得到多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯，依次用去离子水、无水乙醇对烧结片B进行超声清洗，直至洗净内部造孔剂，得到多孔铜毛细芯；
步骤六：将多孔铜毛细芯和多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯堆放在一起，组成多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯。
本实施例制得的其多孔铜毛细主芯导热系数约为25.6W/m/K，木质纤维/聚苯乙烯复合材料附加芯导热系数约为0.149W/m/K，所制得的毛细芯孔径为75μm，整体孔隙率可以控制在70％-80％范围之内。
Claims (6)
1.一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：取适量氯化钠颗粒或无水碳酸钠颗粒，球磨后过筛，得到粒径为50-75μm的造孔剂，干燥除去水分备用；
步骤二：在室温条件下，将粒径为50-75μm的聚苯乙烯与长度为100-200μm的木质纤维按质量比6:4混合，得到聚苯乙烯/木质纤维混合粉体；
步骤三：在室温条件下，将聚苯乙烯/木质纤维混合粉体与粒径50-75μm的造孔剂按质量比1:3混合，得到的聚苯乙烯/木质纤维/造孔剂混合物采用冷压法压制成型，得到压片A；再将粒径为1-10μm的电解铜粉与粒径为50-75μm的造孔剂按体积比2:8混合，以无水乙醇为球磨介质，一起放入行星式球磨机中进行球磨混合，得到的铜/造孔剂混合物采用冷压法压制成型，得到压片B；压制压片A的压强为105-115MPa ，压制压片B的压强为250-300Mpa；
步骤四：分别将压片A、压片B埋入均温颗粒中，再放入管式炉中分别进行真空烧结，得到烧结片A、烧结片B；烧结片A的真空烧结温度为160℃，升温速率10℃/min，烧结时间为30min，烧结片B的真空烧结温度为750℃，升温速率10℃/min，烧结时间为180min；
步骤五：将烧结片A置于去离子水中浸泡12h，直至洗净内部造孔剂，得到多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯，依次用去离子水、有机溶剂对烧结片B进行超声清洗，直至洗净内部造孔剂，得到多孔铜毛细芯；
步骤六：将多孔铜毛细芯和多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯堆放在一起，组成多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯，其中多孔铜毛细芯靠近环路热管蒸发端，多孔木质纤维/聚苯乙烯复合材料毛细芯靠近环路热管的补偿室。
2.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述干燥方式为真空干燥，干燥温度为40℃，干燥时间为24h。
3.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，其特征在于，步骤三中，所述球磨时间为3-4h，球磨转速为150-250r/min。
4.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，其特征在于，步骤四中，所述均温颗粒为碳化硅、二氧化硅、氧化铝的其中一种。
5.根据权利要求1所述的一种环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯的制备方法，其特征在于，步骤五中，所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。
6.权利要求1至5任一项所述的制备方法制得的环路热管用多孔铜-木质纤维/聚苯乙烯双层复合毛细芯。
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