CN111473671A - 一种石墨烯vc均热板及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯vc均热板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯VC均热板及其制备方法，采用冲压工艺制备上壳和下壳，采用3D打印技术，在上壳的内表面和下壳的上表面打印上石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料，经发泡烘烤处理得到贴附于上壳内表面的吸液芯，最后上壳和下壳进行组装焊接，再通过带安全阀的充注口往内部注射流体工质，然后进行抽真空并将充注口焊接封口，得到石墨烯VC均热板。本发明利用3D打印技术制备出不同梯度的孔径的石墨烯孔状结构组成通道，解决高毛细力和低流动阻力的矛盾，回流速度慢的问题，提高散热效率，且制备吸液芯时采用石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料无需高温烧结，可加快生产效率以及降低能耗。

Description

一种石墨烯VC均热板及其制备方法
技术领域
本发明属于导热材料领域，具体涉及一种石墨烯VC均热板及其制备方法。
背景技术
均热板是一个内壁具有微细结构的真空腔体，通常由铜制成。当热由热源传导至蒸发区时，腔体里的冷却液在低真空度的环境中受热后开始产生冷却液的气化现象，此时吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的冷却介质迅速充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象。借由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热，凝结后的冷却液会借由微结构的毛细管道再回到蒸发热源处，此运作将在腔体内周而复始进行。
目前市面上均热板中的吸液芯大部分都是烧结式吸液芯，常见结构有丝网纤维、铜粉颗粒、泡沫铜等；丝网纤维烧结结构是将编织好的网状铜丝纤维或者是零散的铜丝网纤维烧结在均热板上下壳板内表面上形成的毛细结构；铜粉烧结结构是将合适的铜粉颗粒烧结在上下壳板上形成的吸液芯结构；上述烧结式吸液芯均采用铜制，密度大，质量较重，且制作吸液芯需要对铜质均热板加热焙烧，焙烧温度较高，一般焙烧温度控制在 900℃—1000℃，能耗较大，烧结时间较长3-4小时；此外，吸液芯内的工作液体容易与吸液芯的某些成分发生化学反应或电化学反应，产生不凝性气体，该气体被蒸汽吹扫到冲凝段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减少，热阻增大，传热性能恶化，传热下降甚至失效。
发明内容
本发明的目的是解决目前市面上均热板的缺陷，提供一种石墨烯VC均热板及其制备方法。
为达上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种石墨烯VC均热板，包括上壳和下壳，所述上壳的内表面设有吸液芯A，所述下壳的上表面设有吸液芯B，所述吸液芯A和吸液芯B形成空腔部分，所述吸液芯A和吸液芯B内充有流体工质。
进一步地，所述上壳呈四边凸起，下壳为平板且在相应位置设有凹槽，便于上壳与下壳衔接。
进一步地，所述上壳的侧壁设有带安全阀的充注口。
进一步地，所述吸液芯A和吸液芯B由不同梯度的孔径的石墨烯孔状结构组成。
上述石墨烯VC均热板的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用冲压工艺制备出板体厚度为0.3-0.6mm的铜制上壳和下壳，上壳呈四边凸起，下壳为平板且在相应位置有一定的凹槽，以便于上下壳衔接，上壳的侧壁留有带安全阀的充注口；
（2）采用3D打印技术，在上壳的内表面和下壳的上表面打印上石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料，经发泡烘烤处理得到贴附于上壳内表面的吸液芯A和贴附于下壳上表面的吸液芯B；
具体的：在上壳的内表面上打印中间大孔径的毛细芯，沿四周孔径按递减梯度打印上小孔径的毛细芯，在下壳的上表面打印上与上壳相反的孔密度分布梯度，中间小孔径，沿四周孔径按递增梯度打印上大孔径的毛细芯，可根据均热板大小以及形状选择孔密度分布梯度。3D打印所采取的打印头为扁形结构，石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料具有一定的粘度，打印后不会流淌，固化后不同梯度的孔密度连接处将自动衔接。在发泡结构上可以通过不同的控制方式实现：多种发泡剂结合，不同温度发泡固化、不同发泡剂含量，以及控制不同压强等这些在操作上都可以实现控制发泡数量和孔径大小，实现所需结构。
所述石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料主要成分为：树脂、石墨烯或石墨烯/碳纳米管、溶剂、分散剂、发泡剂。树脂可以是PVDF树脂或其他具有耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性等树脂；溶剂可以是NMP、DMAC、DMF、DMS其中一种或多种混合；所述增稠剂可以是聚氨酯类增稠剂、非离子型增稠剂、离子型增稠剂等；所述发泡剂可以是物理发泡剂、化学发泡剂、活性发泡剂等进行择优选择；所述分散剂主要是针对石墨烯/碳纳米管，碳黑等分散剂，可根据体系进行择优，所述石墨烯片径4-8um，密度0.01-0.03g/ml，碳纳米管管径5-15nm，管长1-5um，密度0.31g/cm3，可根据所需产品设计，寻找相应的尺寸；在上下壳体打印上调好的一定配比的石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料，按照设定好的发泡工艺参数下进行发泡固化，使得贴于铜板内部的打印层产生不同梯度孔径大小及孔密度，形成通道。
（3）将步骤（2）得到的上壳和下壳进行组装焊接，再通过带安全阀的充注口往内部注射流体工质，然后进行抽真空（1.3×（10-1-10-4)Pa）并将充注口焊接封口，得到石墨烯VC均热板。
进一步地，所述步骤（3）中流体工质为水、乙醇、丙酮等可凝性液体中的一种或多种，可根据本热传导结构实际工作温度合理设计。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明的石墨烯VC均热板带有含石墨烯或石墨烯/碳纳米管新材料的不同梯度的孔密度通道的吸液芯，可作为冷凝液回流的通道，解决高毛细力和低流动阻力之间的矛盾，提高流体工质回流。在本发明中可以这样实现，设计不同配方的石墨烯或石墨烯/碳纳米管的浆料，经过烘烤后形成不同梯度的孔密度结构，并让其粘附在上下壳板上，形成具有不同梯度的孔密度通道，形成吸液芯。
（2）本发明制备吸液芯时采用石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料经过70-120℃烘烤候即可完成，无需在经过900-1000℃的烧结，可加快生产效率以及降低能耗。
（3）本发明采用3D打印技术制备出不同梯度的孔密度通道的吸液芯，技术参数稳定，所制备出的VC均热板质量有保证。
附图说明
图1为本发明的石墨烯VC均热板的结构示意图；
图2为本发明的石墨烯VC均热板的剖面图；
图3为本发明的3D打印机打印途径示意图；
图4为本发明的能量传输工作原理图；
图中：1-上壳，2-充注口，3-吸液芯A，301-梯度一，302-梯度二，303-梯度三， 4-吸液芯B，401-梯度四，402-梯度五，403-梯度六，5-下壳，6-空腔部分。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合实施例，对本发明方案进行更加具体的描述。所述实施例，仅是本发明的一部分实施例，但非全部实施例。本实施例仅为进一步描述本发明，不应被理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据上述发明的内容做出一些非实质性的改变和调整，或其他在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均应当属于本发明的保护范围。
实施例1
参考图1，一种石墨烯VC均热板，包括上壳1和下壳5，所述上壳1的内表面设有吸液芯A3，所述下壳5的上表面设有吸液芯B4，所述吸液芯A3和吸液芯B4形成空腔部分6，所述吸液芯A3和吸液芯B4内充有流体工质。
本实施例中，所述上壳呈四边凸起，下壳为平板且在相应位置设有凹槽，便于上壳与下壳衔接。
本实施例中，所述上壳的侧壁设有带安全阀的充注口2。
本实施例中，所述吸液芯A3和吸液芯B4由不同梯度的孔径的石墨烯孔状结构组成，具体的：吸液芯A3设有变化的孔径，其具体分布方式为中间大孔径，沿四周孔径按递减孔径的石墨烯毛细芯，由内到外为梯度一301（孔数50-80，孔隙率变化为0.9-0.98）、梯度二302（孔数80-110，孔隙率变化为0.9-0.98）、梯度三303（孔数110-150，孔隙率变化为0.9-0.98）；吸液芯B4也设有变化的孔径，其具体分布方式为中间小孔径，沿四周孔径按递增孔径的石墨烯毛细芯，由外到内为梯度四401（孔数150-210，孔隙率变化为0.7-0.9）、梯度物402（孔数210-280，孔隙率变化为0.7-0.9）、梯度六403（孔数280-350，孔隙率变化为0.7-0.9），其中上壳与下壳相接部分，所采用的与上壳板最外层孔数及孔隙率同一级别，可以与上壳板最外层一起打印。
上述石墨烯VC均热板的制备方法包括以下步骤：
（1）采用冲压工艺制备出板体厚度为0.3mm的铜制上壳1和下壳5，上壳1呈四边凸起，下壳5为平板且在相应位置有一定的凹槽，以便于上下壳衔接，上壳1的侧壁留有带安全阀的充注口2；
（2）先配制石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料，配方如下：浆料1：PVDF树脂30-40%，聚氨酯类增稠剂1-3%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂3-4%，溶剂DMAC 43-61.7%。浆料2：PVDF树脂40-50%，聚氨酯类增稠剂0.5-2%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂2.5-3%，溶剂DMAC 35-50%。浆料3：PVDF树脂50-60%，聚氨酯类增稠剂0.3-1%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂2-2.5%，溶剂DMAC 26.5-40.7%。浆料4：PVDF树脂60-70%，聚氨酯类增稠剂0.1-0.5%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂1.8-2.3%，溶剂DMAC 17.2-31.1%。浆料5：PVDF树脂60-70%，聚氨酯类增稠剂0.1-0.5%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂1.5-2%，溶剂DMAC 17.5-31.4%。浆料6：PVDF树脂65-75%，聚氨酯类增稠剂0.1-0.5%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂1.0-1.5%，溶剂DMAC 13-26.9%。
采用3D打印技术，所述打印头为扁头型4mm*2mm，打印机精度0.01mm，打印厚度为0.4mm-0.5mm，成型后吸液芯的厚度为0.2-0.25mm；根据附图3的打印路径，上壳1由外向内打印所用浆料顺序为3-2-1，下壳5由外向内打印所用打印浆料为4-5-6,；打印好的上壳、下壳分别置于不同的真空干燥箱，上壳烘烤温度设定110℃，压强为0.05Mpa，烘烤时间30min，下壳烘烤温度设定80℃，压强为0.1Mpa，烘烤时间60min，制备出不同梯度孔径的吸液芯A3和吸液芯B4。
（3）将步骤（2）得到的上壳1和下壳5进行组装焊接，再通过带安全阀的充注口2往内部注射流体工质（乙醇），然后进行抽真空（1.3×10-3Pa）并将充注口2焊接封口，得到石墨烯VC均热板。
参考图4，本发明的工作原理为：蒸发端热源传导至蒸发区时，腔体里的流体工质在低真空度的环境中受热后开始产生流体工质的气化现象，此时吸收热能并且体积迅速膨胀，气相的冷却介质迅速充满整个腔体，当气相工质接触到一个比较冷的区域（散热端）时，便会产生凝结的现象。借由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热，凝结后的流体工质会借由吸液芯微结构的毛细管道再回到蒸发热源处，此运作将在腔体内周而复始进行。由于石墨烯的面内高导热特性，比普通的金属泡沫，铜粉吸液芯的热板，传到效率可高处2-3倍。
实施例2
参考图1，一种石墨烯VC均热板，包括上壳1和下壳5，所述上壳1的内表面设有吸液芯A3，所述下壳5的上表面设有吸液芯B4，所述吸液芯A3和吸液芯B4形成空腔部分6，所述吸液芯A3和吸液芯B4内充有流体工质。
本实施例中，所述上壳呈四边凸起，下壳为平板且在相应位置设有凹槽，便于上壳与下壳衔接。
本实施例中，所述上壳的侧壁设有带安全阀的充注口2。
本实施例中，所述吸液芯A3和吸液芯B4由不同梯度的孔径的石墨烯孔状结构组成，具体的：吸液芯A3设有变化的孔径，其具体分布方式为中间大孔径，沿四周孔径按递减孔径的石墨烯毛细芯，由内到外为梯度一301（孔数52-81，孔隙率变化为0.9-0.96）、梯度二302（孔数83-99，孔隙率变化为0.91-0.99）、梯度三303（孔数105-150，孔隙率变化为0.9-0.95）；吸液芯B4也设有变化的孔径，其具体分布方式为中间小孔径，沿四周孔径按递增孔径的石墨烯毛细芯，由外到内为梯度四401（孔数156-215，孔隙率变化为0.72-0.86）、梯度物402（孔数211-275，孔隙率变化为0.7-0.91）、梯度六403（孔数280-335，孔隙率变化为0.7-0.9）。
上述石墨烯VC均热板的制备方法包括以下步骤：
（1）采用冲压工艺制备出板体厚度为0.3mm的铜制上壳1和下壳5，上壳1呈四边凸起，下壳5为平板且在相应位置有一定的凹槽，以便于上下壳衔接，上壳1的侧壁留有带安全阀的充注口2；
（2）先配制石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料，配方如下：浆料1：PVDF树脂30-40%，聚氨酯类增稠剂1-3%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂3-4%，溶剂DMAC 43-61.7%。浆料2：PVDF树脂40-50%，聚氨酯类增稠剂0.5-2%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂2.5-3%，溶剂DMAC 35-50%。浆料3：PVDF树脂50-60%，聚氨酯类增稠剂0.3-1%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂2-2.5%，溶剂DMAC 26.5-40.7%。浆料4：PVDF树脂60-70%，聚氨酯类增稠剂0.1-0.5%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂1.8-2.3%，溶剂DMAC 17.2-31.1%。浆料5：PVDF树脂60-70%，聚氨酯类增稠剂0.1-0.5%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂1.5-2%，溶剂DMAC 17.5-31.4%。浆料6：PVDF树脂65-75%，聚氨酯类增稠剂0.1-0.5%，分散剂HY-268 3-5%，石墨烯或石墨烯/碳纳米管4-5%，化学发泡剂1.0-1.5%，溶剂DMAC 13-26.9%。
采用3D打印技术，所述打印头为扁头型4mm*2mm，打印机精度0.01mm，打印厚度为0.4mm-0.5mm，成型后吸液芯的厚度为0.2-0.25mm；将上下壳分别置与打印机指定打印位置放置处，按照打印设定参数进行打印，根据图3打印途径，现将分别在上下壳打印第一条线路，上壳所用浆料为3，下壳所用打印浆料为4；打印好的上壳、下壳分别置于不同的真空干燥箱，上壳烘烤温度设定100℃，压强为0.05Mpa，烘烤时间30min，下壳烘烤温度设定70℃，压强为0.1Mpa，烘烤时间60min；烘烤完后打印第二条线路，上壳所用浆料为2，下壳所用打印浆料为5；打印好的上壳、下壳分别置于不同的真空干燥箱，上壳烘烤温度设定105℃，压强为0.05Mpa，烘烤时间30min，下壳烘烤温度设定75℃，压强为0.1Mpa，烘烤时间60min；烘烤完后打印第三条线路，上壳所用浆料为1，下壳所用打印浆料为6；打印好的上壳、下壳分别置于不同的真空干燥箱，上壳烘烤温度设定110℃，压强为0.05Mpa，烘烤时间30min，下壳烘烤温度设定80℃，压强为0.1Mpa，烘烤时间60min；，打印出完整的上下壳板，制备出不同梯度孔径的吸液芯A3和吸液芯B4。
（3）将步骤（2）得到的上壳1和下壳5进行组装焊接，再通过带安全阀的充注口2往内部注射流体工质（乙醇），然后进行抽真空（1.3×10-4Pa）并将充注口2焊接封口，得到石墨烯VC均热板。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种石墨烯VC均热板，其特征在于，包括上壳和下壳，所述上壳的内表面设有吸液芯A，所述下壳的上表面设有吸液芯B，所述吸液芯A和吸液芯B形成空腔部分，所述吸液芯A和吸液芯B内充有流体工质。
2.根据权利要求1所述的石墨烯VC均热板，其特征在于，所述上壳呈四边凸起，下壳为平板且在相应位置设有凹槽，便于上壳与下壳衔接。
3.根据权利要求1所述的石墨烯VC均热板，其特征在于，所述上壳的侧壁设有带安全阀的充注口。
4.根据权利要求1所述的石墨烯VC均热板，其特征在于，所述吸液芯A和吸液芯B由不同梯度孔径的石墨烯孔状结构组成。
5.一种如权利要求1-4任一项所述石墨烯VC均热板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备上壳和下壳，上壳的侧壁留有带安全阀的充注口；
（2）采用3D打印技术，在上壳的内表面和下壳的上表面打印上石墨烯或石墨烯/碳纳米管浆料，经发泡烘烤处理得到贴附于上壳内表面的吸液芯A和贴附于下壳上表面的吸液芯B；
（3）将步骤（2）得到的上壳和下壳进行组装焊接，再通过带安全阀的充注口往内部注射流体工质，然后进行抽真空并将充注口焊接封口，得到石墨烯VC均热板。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中流体工质为水、乙醇、丙酮中的一种或多种。
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