CN111504105A

CN111504105A - 采用复相造孔剂造孔的热管或均热板用吸液芯及其制法

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Publication number: CN111504105A
Application number: CN202010363537.XA
Authority: CN
Inventors: 王群; 孙涛峰; 金鑫; 李永卿
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-04-30
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2040-04-30
Also published as: CN111504105B

Abstract

本发明属于热管或均热板用吸液芯制备技术领域，具体涉及一种采用复相造孔剂造孔的热管或均热板用吸液芯及其制法。所述吸液芯的制备方法包括以下步骤：使氯化钠和硫酸钠共结晶，得到氯化钠/硫酸钠共结晶物；将两种粒径粗、细不同的氯化钠/硫酸钠共结晶物按一定质量比混合，得到复相造孔剂；将所述复相造孔剂与铜粉混合均匀，加入模具中焙烧，得到含有复相造孔剂的吸液芯，溶解除去其中复相造孔剂，即得所述吸液芯。本发明的吸液芯具有孔径可控、高孔隙度和毛细力强的特点，其在制备过程中使用所述复相造孔剂，加快了造孔剂的溶解速率，防止氧化，同时可制得兼顾高毛细力与低流动阻力的吸液芯，提高了热管的传热传质效率。

Description

采用复相造孔剂造孔的热管或均热板用吸液芯及其制法

技术领域

本发明属于热管或均热板用吸液芯制备技术领域，具体涉及一种采用复相造孔剂造孔的热管或均热板用吸液芯及其制备方法。

背景技术

电子产业高性能、微型化、集成化的三大发展趋势直接造成的必须面临的问题就是散热问题。热量的聚集会直接影响到其温度的升高和热应力的增加,同时对周围的器件也产生影响，致使有的设备、组件、电路板、元器件在较高的温度下不能可靠地工作，甚至缩短其工作寿命。热管和均热板作为一种高效的相变传热元件，以其高导热率、高冷却能力、高稳定性和长寿命等优点已在电子元件散热领域得到了广泛应用，逐步成为高端CPU、显卡、以及笔记本电脑的主流散热方式。热管和均热板的超薄化是解决当前电子设备在狭小空间内高热流密度问题的理想方案。作为热管和均热板核心的吸液芯结构的超薄化，就必须得考虑在降低厚度的同时兼顾毛细力与通量的要求，及毛细管径分布和孔隙度。

粉末烧结吸液芯具有良好的毛细力，但是同时具有孔隙度低和流动阻力大的缺点；沟槽式吸液芯流动阻力小，但是毛细力较低，且方向性较强无法用于均热板；丝网烧结由于其比表面积较大二加工难度较大，不适用于工业化生产；复合吸液芯虽然具有毛细力大和阻力较小的特点，但在加工过程中较复杂的工艺和对孔隙度的影响都限制了它的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种毛细力大、流动阻力小、孔隙度高且工艺简单的热管或均热板用吸液芯的制备方法，使用复相造孔剂和铜粉烧结制备吸液芯，通过对复相造孔剂粒径的控制实现对吸液芯孔径的控制，制备具有两种孔隙结构，兼顾高毛细力与低流动阻力且孔隙度高的吸液芯，提高了热管的传热传质效率。

具体来说，本发明提供了如下技术方案。

一种热管或均热板用吸液芯的制备方法，包括以下步骤：

(1)使氯化钠和硫酸钠共结晶，得到氯化钠/硫酸钠共结晶物；

(2)将两种粒径粗、细不同的氯化钠/硫酸钠共结晶物按一定质量比混合，得到复相造孔剂；

(3)将所述复相造孔剂与铜粉混合均匀，加入模具中焙烧，得到含有复相造孔剂的吸液芯，溶解除去其中复相造孔剂，即得所述吸液芯。

毛细管中的毛细力取决于工质与毛细管材质的接触角和表面接触角以及毛细孔半径，当工质与材质固定时，表面接触角和表面张力系数固定，只受毛细孔半径的影响，毛细孔的毛细力值可通过下式计算：

式中：σ为工质的表面张力系数，θ为工质与吸液芯的接触角，r_c为毛细管的毛细孔半径；从公式可得毛细孔半径越小，毛细力越大；但当毛细孔半径处于纳米级时，吸液芯比表面积太高，具有极高的表面能，在加工过程中被空气迅速氧化，降低材料的表面张力系数，反而会降低毛细力。

毛细孔半径减小，会提高毛细力，但是在细孔中工质流动具有较高的阻力，造成多孔结构的渗透率降低，而且加入的复相造孔剂如果全部为小粒径复相造孔剂，会减少吸液芯的连接强度，因此在级配时需加入一定量的大粒径复相造孔剂，在保证孔隙度和连接强度的同时，提升渗透率，热管吸液芯的渗透率可通过下式计算：

式中：ε为吸液芯孔隙度，b为表示吸液芯内部孔径连通与弯曲程度的无因次常数；因此提高管径可以提升吸液芯的渗透率，降低阻力以提升流量。

吸液芯内部是大孔多层次交错排列，大孔连接部位为小孔填充，热管吸液芯内的轴向工质传递过程中，工质在大小孔内交错流动，每个大孔的工质都是多个小孔工质的集合，可通过控制复相造孔剂中粗、细粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物的比例实现对吸液芯中大小孔集群的占比控制，使大小孔集群之间实现类似图1或图2所示的结构。图1是当复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物占比较少时，得到的吸液芯中孔道结构的局部示意图，由图可以看出，吸液芯中大孔之间不联通，通过小孔相互联通。图2是当复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物占比较高时，得到的吸液芯中孔道结构的局部示意图，由图可以看出，吸液芯中大孔相互直接联通，小孔在大孔之间构成了相互连通的集群。

小孔之间的并非独立流动，较细孔内流速较快的液体会拖曳相对较大孔径的孔内的流体，最终使小孔集群部位的流速达到一个统一的平均值，而孔内流体的流速与孔径有着直接的联系，根据毛细力、重力与流动阻力的平衡关系，在小孔体系内的质量流量与管径的关系如下：

式中，σ为工质表面张力系数，θ_c为工质与吸液芯的接触角，，R为细孔集群的平均孔径，ΔP_a为两端气相压差，ρ为工资密度，b为表示毛细孔的弯曲与联通程度的无因次常数，μ_l为液态工质的粘度，L为小孔集群的长度，g为重力系数。

提高大粒径复相造孔剂占比可以降低小孔集群的长度，但是会对孔隙度与面积造成一定的影响，因此，需要设计与实验合适的复相造孔剂配比来提升工质的质量流量，及提升工质的传热能力。

优选的，上述制备方法中，步骤(1)中，所述氯化钠/硫酸钠共结晶物是通过饱和溶液脱水结晶法或加热熔融再结晶法形成的。氯化钠和硫酸钠的熔点和及二元相图如图3所示。

优选的，上述制备方法中，步骤(1)中，所述氯化钠/硫酸钠共结晶物中氯化钠的质量分数为60～98％。

以氯化钠/硫酸钠共结晶物为原料得到的复相造孔剂具有溶解速率高的优点，室温下1g方块状的不同硫酸钠质量分数的氯化钠/硫酸钠共结晶物在50ml水的溶解用时进行实验，得到图4所示的结果，发现加入少量的硫酸钠制备共结晶物可显著提升溶解速率。

优选的，上述制备方法中，步骤(2)中，所述两种粒径粗、细不同的氯化钠/硫酸钠共结晶物通过将氯化钠/硫酸钠共结晶物破碎造粒或熔融喷雾造粒后筛分得到。

优选的，上述制备方法中，步骤(2)中，所述两种粒径粗、细不同的氯化钠/硫酸钠共结晶物的粒径范围分别为100-300μm和5-90μm。

优选的，上述制备方法中，步骤(2)中，所述复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物的质量分数为10-90％，余量为细粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物，更优选的，所述复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物的质量分数为10-50％。

优选的，上述制备方法中，步骤(3)中，将所述复相造孔剂与铜粉混合均匀得到的混合物中铜粉的质量分数为50-90％，余量为复相造孔剂。

优选的，上述制备方法中，步骤(3)中，在氮气或氩气等惰性气氛保护下焙烧，所述焙烧分为三个阶段：

第一阶段，控制温度为100～140℃，恒温10～30min，除去复相造孔剂中的结晶水；

第二阶段，控制温度为650～796℃，恒温30～300min进行铜粉预烧结；

第三阶段，控制温度为801～884℃，恒温10～30min进行短时强化烧结。

本发明还提供一种热管或均热板用吸液芯，其通过上述制备方法制备得到。

本发明所取得的有益效果：

(1)使用复相造孔剂，可制得孔隙度高的吸液芯，加入两种粒径级配的复相造孔剂使吸液芯具有高的通量，同时通过控制不同粒径的复相造孔剂的比例实现对吸液芯孔径分布的调节，可制得兼顾高毛细力与低流动阻力且孔隙度高的吸液芯，提高了热管的传热传质效率；

(2)所使用复相造孔剂溶解速率远大于常用的复相造孔剂，在脱盐处理时可减少用时，防止氧化；

(3)制备片状样品可简单裁剪后用于热管的装配，无需太复杂的工艺，易于工业化生产。

附图说明

图1为当复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物占比较少时，得到的吸液芯中孔道结构的局部示意图，图中斜线部分为铜粉，空白部分为孔道；

图2为当复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物占比较高时，得到的吸液芯中孔道结构的局部示意图，图中斜线部分为铜粉，空白部分为孔道。

图3为氯化钠与硫酸钠二元相图。

图4为氯化钠/硫酸钠共结晶物中硫酸钠质量分数与溶解用时关系图。

图5为实施例1制备的吸液芯的扫描电镜图。

图6为实施例1制备的吸液芯中小孔形貌的扫描电镜图。

图7为实施例2制备的吸液芯的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。

以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的实验原料和相关设备等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

一种速溶复相造孔剂制备热管/均热板用超薄吸液芯方法，包括如下步骤：

(1)称取5g硫酸钠与95g氯化钠，在氮气环境下900℃恒温30min共熔后再结晶制备氯化钠/硫酸钠共结晶物；

(2)使用破碎机和研钵，将复相造孔剂破碎研磨，选取60目、100目、200目和400目的筛子筛取-60～+100目的粗粉末和-200～+400目的细粉末，按照粗/细粉比例质量比为1:3混合，得到复相造孔剂；

(3)称取20g复相造孔剂，与80g平均粒径为5微米的铜粉混合均匀；

(4)将步骤(3)得到的混合物装入模具中，装粉完毕的模具放入气氛炉内，通氩气保护，以10℃/min升温至120℃保温20min，再以10℃/min升温至770℃保温2h预烧结，后以5℃/min升温至880℃保温10min短时强化烧结，最后以5℃/min降温至室温；

(5)烧结完成后取出模具开模得到含有复相造孔剂的吸液芯，裁剪为所需形状，在40℃水中超声清洗1h除去复相造孔剂；

(6)在真空干燥箱内100℃干燥20min后降温取出样品，得到吸液芯，其扫描电镜图像如图5和图6所示。由图5可知吸液芯中的大孔虽然有部分直接连接，但大部分的大孔之间没有形成直接连通，而是通过小孔相连，且在大孔的孔壁上存在大量的小孔，形成类似图1所示结构，大孔将小孔集群分割，降低小孔长度提升工质在小孔中的流速，最终提升整个吸液芯中工质的质量流量。图6为吸液芯中小孔形貌的扫描电镜图。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，在步骤(2)按照粗/细粉比例质量比为2:1混合，得到复相造孔剂，其扫描电镜图像如图7所示。由图7可知随着大粒径造孔剂质量分数的提升，吸液芯中大孔大量直接连通，在大孔间隔处有小孔存在，形成类似图2所示结构；但随着小粒径造孔剂的质量分数减小，大孔壁上的小孔数量减少，虽然工质流动阻力减小，但为工质提供毛细力的小孔减少会使工质的质量流量随之降低。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种采用复相造孔剂造孔的热管或均热板用吸液芯的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)使氯化钠和硫酸钠共结晶，得到氯化钠/硫酸钠共结晶物；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述氯化钠/硫酸钠共结晶物是通过饱和溶液脱水结晶法或加热熔融再结晶法形成的。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述氯化钠/硫酸钠共结晶物中氯化钠的质量分数为60～98％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述两种粒径粗、细不同的氯化钠/硫酸钠共结晶物通过将氯化钠/硫酸钠共结晶物破碎造粒或熔融喷雾造粒后筛分得到。

5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述两种粒径粗、细不同的氯化钠/硫酸钠共结晶物的粒径范围分别为100-300μm和5-90μm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物的质量分数为10-90％，余量为细粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述复相造孔剂中粗粒径氯化钠/硫酸钠共结晶物的质量分数为10-50％。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其中，步骤(3)中，将所述复相造孔剂与铜粉混合均匀得到的混合物中铜粉的质量分数为50-90％，余量为复相造孔剂。

9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法，其中，步骤(3)中，所述焙烧分为三个阶段：

第一阶段，控制温度为100～140℃，恒温10～30min；

第二阶段，控制温度为650～796℃，恒温30～300min；

第三阶段，控制温度为801～884℃，恒温10～30min。

10.一种采用复相造孔剂造孔的热管或均热板用吸液芯，其特征在于，通过权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到。