CN111992723B - 一种高导热金属散热片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及导热材料领域，尤其涉及一种高导热金属散热片的制备方法。所述方法包括：将铜粉和锰钢粉末混合，加入粘结剂混炼后利用注射成型工艺制为片状，进一步进行脱脂、烧结和表面处理后即得到高导热金属散热片。本发明大幅度地降低了原料成本，实现了低成本制备高性能散热片的目的；散热片导热散热性能良好，且均匀性高，不会出现集中发热等现象；散热片的力学性能较优，强度和韧性均衡；所制得散热片具有良好的耐腐蚀性能，具有更长的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及导热材料领域，尤其涉及一种高导热金属散热片的制备方法。
背景技术
散热片即散热翅，常用于翅片式散热器的组装和制备，通常通过在普通的基管上加装翅片来达到强化传热的目的，是一种常见的散热、导热结构。如汽车空调中平行流换热器即采用有波形散热片，用以实现传热、换热的目的。
其中，基管通常采用钢管、不锈钢管和铜管等，翅片也采用钢带、不锈钢带、铜带和铝带等，但是，采用钢带、不锈钢带和铝带等传热、导热性能有限，而采用金属铜虽然导热性能优异，但是抗腐蚀性较差，成本高昂，力学性能也相对较差。
此外，部分本领域技术人员为提高散热片的性价比，采用了合金化处理，以成本较低的不锈钢作为基体，在不锈钢表面通过电镀或化学镀等方式制备铜层，以采用较低的成本制备得到了传热性能较好的铜钢复合散热片材料，但是，该方式所制得铜层抗腐蚀性差，在使用过程中容易腐蚀，并且其导热性均匀性差，同一铜钢复合散热片表面的温度出现明显的梯度差，在使用腐蚀后温度梯度差更加明显，甚至产生部分集中发热的现象。
为解决上述散热片所存在的问题，本领域技术人员进行了多方面的研究和改进。如中国专利局于2017年1月18日公开的一种多孔铜散热片及其制备方法的发明专利授权，授权公开号为CN103747659B，其采用高压气体配合的方式利用高压气在熔融铜中形成气泡进一步固化形成垂直且平行的气孔，以增大散热面积，实现提高传热效率、散热效果的目的。但是，该技术方案仍存在原料成本较为高昂的问题。
发明内容
为解决现有的散热片存在导热性差，或成本高昂、耐腐蚀性差和力学性能差，整体性能和成本上难以协调，性价比较为有限，而改进方案或存在导热性不均、或仍存在成本较高等问题，本发明提供了一种高导热金属散热片的制备方法。本发明的目的在于：一、采用较低的成本制备具有优异导热性能的散热片；二、确保整体散热片的导热性均匀，能够实现均匀散热；三、提高散热片的导热散热性能；四、确保整体散热片保持较优的力学性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种高导热金属散热片的制备方法，
所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，加入粘结剂混炼后利用注射成型工艺制为片状，进一步进行脱脂、烧结和表面处理后即得到高导热金属散热片。
本发明方法选用铜钢粉末复合，且特选采用锰钢复合铜粉，利用金属注射成型工艺(Metal Injection Molding，简称MIM)实现散热片的一体化制备，该方式制备所得的散热片成本、密度以及各方面性能均更加均匀，不会出现明显的如散热梯度差等问题，并且，MIM工艺所制得的散热片致密性较佳，整体力学性能较优，尤其在铜和锰钢配合时，成分之间产生固溶强化，提高了散热片的韧性和强度，有利于后续的烧结和表面处理。并且，锰钢相较于常规散热片采用的不锈钢，成本也更加低廉，以相同目数的材料而言，原料成本可降低约70％以上。
作为优选，
所述铜粉和锰钢粉均为500～600目粉体；
所述锰钢粉中锰含量为14～16wt％锰。
采用高目数的粉料作为原料能够进一步提高所制得散热片的致密性，不会由于原料粉体粒径过大而出现注射成型难度增大、脱脂烧结后产生较大空腔、气孔导致散热片力学性能下降等问题发生。实际在生产过程中，也可采用300～500目的粉体，仍能够实现较好的制备效果，但更优还是选用500及以上的粉体，但目数过大也容易提高原料成本。
作为优选，所述铜粉中氧化亚铜含量为2.6～3.2wt％、氧化铜含量为1.7～2.2wt％，余量为金属铜。
所选用的铜粉中掺杂有氧化亚铜和氧化铜，是为了能够直接提供铜离子和亚铜离子，在后续的扩散和固溶强化过程中，分别与三价锰、三价铁和亚铁离子产生置换固溶，有目的性地形成一部分缺陷性氧化物。缺陷性氧化物通常是应当进行避免的，但本发明技术人员通过通过研究发现，其虽会对散热片的力学性能产生不良的影响，但合理调控后能将力学性能的下降控制在可接受的范围内，并且能够显著提高整体散热片的散热均匀性。
作为优选，
所述粘结剂为蜡基粘结剂；
所述蜡基粘结剂为PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂；
所述PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂中PW：EVA：HDPE：SA的质量比为75：(15～18)：(5～8)：(1～2)。
蜡基粘结剂是常见且常用的金属注射成型工艺粘结剂。本发明优选采用PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂，是因为该体系中各组分方便在脱脂过程中去除，去除后整体散热片的收缩率较大，能够减少散热片空腔、孔隙的形成，有效提高散热片的致密性，并且各组分的脱脂分解温度不同，能够实现分布、分段地脱脂和去除，避免散热片在脱脂过程中发生变形。此外，本发明所用PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂与常规的PW-EVA-HDPE-SA体系也存在一定的区别，即各组分的质量比不同。本发明通过改进粘结剂体系，进一步提高了散热片脱脂烧结以及表面处理后的致密性，对散热片的导热散热均匀性也产生了一定的提升效果。
作为优选，
所述铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量比为20：(72～75)：(5～8)。
经试验，上述配比所制得的高导热金属散热片具有更优的导热散热效果。
作为优选，所述混炼时混炼机中粉末装载量为46～52％VOL，混炼温度为80～95℃，混炼时长为1～2h；所述混炼时进行低氧保护；
所述低氧保护为控制混炼机中氧含量≤5％VOL。
采用低氧保护而非在空气中或隔绝氧的保护气氛(氮气气氛、氩气气氛等)中进行，是因为在低氧保护环境中，能够对锰钢和铜粉中的锰铁铜进行较为可控的缓慢氧化，形成更多的金属离子置换固溶，提高置换固溶比例，并且本身氧化过程也有利于促进粉料的粘结成型、形成连续的整体，因此可采用较低的粘结剂用量比例即实现良好的注射成型效果。此外，若在空气气氛中进行则氧化速率过大，反而同一导致散热片的力学性能下降。
作为优选，
所述脱脂为：
依次进行210～230℃保温1～2h、380～410℃保温1～1.5h和460～480℃保温0.5～1h；
所述烧结为：
置于860～910℃条件下煅烧2～3h，随后空冷冷却。
在该粘结剂体系体系中，PW的分解温度约为180～350℃，EVA的分解温度约为365～530℃，而HDPE的分解温度约为450～505℃，选用上述三段式脱脂，能够确保各组分的分段去除各组分，避免脱脂过程中散热片产生变形。进一步的，在上述烧结温度条件下，能够确保所制得的散热片具有良好的韧性，以便后续表面处理的进行。
作为优选，
所述表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用0～4℃的低温气体冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为1600～2100W、激光扫速为230～240mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为12～15％。
利用激光辐照处理在片材表面形成极薄的氧化层，提高整体散热片的耐腐蚀性，并且，激光表面处理能够非常有效地提高散热片的表面硬度和强度，提高散热片的力学性能。而设置上述比例的激光搭接率能够进一步形成波状氧化层，提高整体散热片的力学性能。
本发明的有益效果是：
1)大幅度地降低了原料成本，实现了低成本制备高性能散热片的目的；
2)散热片导热散热性能良好，且均匀性高，不会出现集中发热等现象；
3)散热片的力学性能较优，强度和韧性均衡；
4)所制得散热片具有良好的耐腐蚀性能，具有更长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明实施例1所制得高导热金属散热片的截面示意图；
图2为自然冷却散热性能测试结果图；
图3为强制冷却散热性能测试结果图；
图4为实施例1于强制冷却状态下的温度-相对时间示意图；
图5为热腐蚀后强制冷却散热性能测试结果图；
图6为温度均匀性测试示意图；
图中：1基体层，2氧化层。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员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，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法；本发明实施例中所用锰钢粉末均由市售含锰量为14～16wt％的锰钢材料，通过常规超细粉制备工艺(破碎和研磨等操作)制备后过筛分离得到的500～600目粉料。
实施例1
一种高导热金属散热片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，铜粉中氧化亚铜含量为2.6wt％、氧化铜含量为2.2wt％，余量为金属铜，加入PW：EVA：HDPE：SA的质量比为75：15：8：2的PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂混炼，混炼时控制混炼机中氧含量为4～5％VOL且混炼机中粉末装载量为52％VOL，混炼温度为80℃，混炼时长为2h，铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量质量比为20：72：8，混炼结束后利用注射成型工艺制为长65cm、宽25cm、厚8mm的片材，对片材依次进行210℃保温2h、380℃保温1.5h和460℃保温1h脱脂，进一步置于860℃条件下煅烧3h，随后空冷冷却，最后进行表面处理，表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用0～4℃的低温空气冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为1600W、激光扫速为230mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为15％；
激光处理结束后即得到高导热金属散热片。
实施例2
一种高导热金属散热片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，铜粉中氧化亚铜含量为3.2wt％、氧化铜含量为1.7wt％，余量为金属铜，加入PW：EVA：HDPE：SA的质量比为75：18：5：2的PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂混炼，混炼时控制混炼机中氧含量为4～5％VOL且混炼机中粉末装载量为52％VOL，混炼温度为95℃，混炼时长为1h，铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量质量比为20：75：5，混炼结束后利用注射成型工艺制为长65cm、宽25cm、厚8mm的片材，对片材依次进行230℃保温1.5h、410℃保温1h和480℃保温0.5h脱脂，进一步置于910℃条件下煅烧2h，随后空冷冷却，最后进行表面处理，表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用0～4℃的低温空气冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为2100W、激光扫速为240mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为12％；
激光处理结束后即得到高导热金属散热片。
实施例3
一种高导热金属散热片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，铜粉中氧化亚铜含量为3.0wt％、氧化铜含量为2.0wt％，余量为金属铜，加入PW：EVA：HDPE：SA的质量比为75：18：6：1的PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂混炼，混炼时控制混炼机中氧含量为4～5％VOL且混炼机中粉末装载量为52％VOL，混炼温度为85℃，混炼时长为2h，铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量质量比为20：75：5，混炼结束后利用注射成型工艺制为长65cm、宽25cm、厚8mm的片材，对片材依次进行220℃保温2h、390℃保温1h和460℃保温0.5h脱脂，进一步置于880℃条件下煅烧3h，随后空冷冷却，最后进行表面处理，表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用0～4℃的低温空气冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为1800W、激光扫速为240mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为15％；
激光处理结束后即得到高导热金属散热片。
实施例4
一种高导热金属散热片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，铜粉中氧化亚铜含量为3.0wt％、氧化铜含量为2.0wt％，余量为金属铜，加入PW：EVA：HDPE：SA的质量比为75：16：8：1的PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂混炼，混炼时控制混炼机中氧含量为4～5％VOL且混炼机中粉末装载量为52％VOL，混炼温度为85℃，混炼时长为2h，铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量质量比为20：75：5，混炼结束后利用注射成型工艺制为长65cm、宽25cm、厚8mm的片材，对片材依次进行220℃保温2h、390℃保温1h和460℃保温0.5h脱脂，进一步置于880℃条件下煅烧3h，随后空冷冷却，最后进行表面处理，表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用0～4℃的低温空气冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为1800W、激光扫速为240mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为12％；
激光处理结束后即得到高导热金属散热片。
实施例5
一种高导热金属散热片的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，铜粉中氧化亚铜含量为3.0wt％、氧化铜含量为2.0wt％，余量为金属铜，加入PW：EVA：HDPE：SA的质量比为75：16：8：1的PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂混炼，混炼时控制混炼机中氧含量为4～5％VOL且混炼机中粉末装载量为52％VOL，混炼温度为85℃，混炼时长为2h，铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量质量比为20：75：5，混炼结束后利用注射成型工艺制为长65cm、宽25cm、厚8mm的片材，对片材依次进行220℃保温2h、390℃保温1h和460℃保温0.5h脱脂，进一步置于880℃条件下煅烧3h，随后空冷冷却，最后进行表面处理，表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用0～4℃的低温空气冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为1800W、激光扫速为240mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为15％；
激光处理结束后即得到高导热金属散热片。
对比例1
具体制备与实施例1，所不同的是：不添加铜粉，锰钢粉末与粘结剂的用量质量比为92：8。
对比例2
具体制备与实施例1，所不同的是：不进行表面处理。
对比例3
具体制备与实施例1，所不同的是：PW-EVA-HDPE-SA体系粘结剂中PW：EVA：HDPE：SA的质量比为79：10：10：1。
对比例4
具体制备与实施例1，所不同的是：烧结温度为920℃。
对所制得的高导热金属散热片进行各方面的检测。
首先实施例1所制得的高导热金属散热片垂直于长度方向的截面如图1所示，从图中可明显看出，基体层1表面形成致密氧化层2，并且，在图中A部分的搭接区形成了弧形的凸起，即形成了波形的氧化层，搭接区中氧化物增多膨胀，并且向内外两个方向扩散、生长。同样进行该处理的对比例1和对比例4中，对比例1所制得的高导热金属散热片未产生波形氧化层，即未发生膨胀凸起，并且搭接区出现少量裂痕，而对比例4虽形成了凸起，但凸起表面开裂严重。
进行散热性能试验，以等规格常规市售的不锈钢散热片和致密的铜散热片进行比对，并以不锈钢散热片降温至25℃的时间作为基准散热时间计算。散热性能试验分两个阶段进行：第一阶段，将散热片加热至80℃，置于20±1℃的室温条件下自然冷却，记录冷却过程中温度-时间数据，并绘制为曲线；
第二阶段，将散热片加热至80℃，置于20±1℃的室温条件下，以3m/s的风速吹冷进行强制冷却，记录冷却过程中温度-时间数据，并绘制为曲线。
散热性能测试结果如图2和图3所示，图2为第一阶段测试结果，图3为第二阶段测试结果。从图2可明显看出，在自然冷却条件下，由于铜本身的优良导热性，导致其散热至20℃左右的时长约为不锈钢散热片散热至25℃左右的时长的80～90％，而本申请通过铜和锰钢的协同，产生了良好的协同导热效果，使得散热至20℃左右的时长约为不锈钢散热片散热至25℃左右的时长的40～50％，极大幅度地提高了散热速率，并且相较于致密铜而言，其散热能力也有显著的提升。再看图3，图3为强制散热冷却的测试结果图。在强制散热冷却过程中，在冷风作用下，仍以散热速率最低的不锈钢散热片作为基准散热时间计算，相较于自然冷却，致密铜在强制冷却的过程中表现更好，其散热至20℃左右的时长约为不锈钢散热片散热至25℃左右的时长的70～80％，而本发明所制得的高导热金属散热片散热至20℃左右的时长约为不锈钢散热片散热至25℃左右的时长的30％，进一步对实施例1进行精确测温，测试结果如图4所示，从图中可明显看出，实施例1所制得的高导热金属散热片散热至20℃左右的时长约为不锈钢散热片散热至25℃左右的时长的25％，其降温至25℃约为不锈钢散热片散热至25℃左右的时长的20％，相当于在强制冷却过程中，本发明所制得的高导热金属散热片的散热效率约为常规不锈钢散热片的五倍，产生了极为优异的技术效果。
另一方面，进行耐腐蚀性测试，将实施例1所制得的高导热金属散热片、对比例1至4所制得的散热片和等规格常规市售的不锈钢散热片共同置于300℃环境中恒温放置3d，计算单位面积增重。测试结果如下表表1所示。
表1：耐腐蚀性测试。
从上述结果可明显看出，本发明所制得的高导热金属散热片具有良好的耐腐蚀性能，虽与不锈钢散热片相比较之下略有不及，但相较于对比例而言均有着提升，尤其对于对比例1、对比例2和对比例4而言，产生显著的提升。对比例1由于未添加铜粉，整体并未形成缺陷氧化物，并且锰钢具有一定的硬脆性，在表面处理过程中搭接区出现裂痕，导致其中的锰元素较容易在晶界处析出氧化，进而在散热片表面进一步形成氧化。对比例2由于未进行表面处理，并未形成致密的氧化层，在热环境中表面形成了岛状的氧化，岛状氧化易剥落、无法对内层实现保护，因此整体耐腐蚀性最差。对比例4则是由于烧结温度过高，导致整体散热片硬脆性增大，韧性减弱，在表面处理时搭接区形成大量的裂痕，导致氧化严重。
对经过热腐蚀后的上述试样进一步进行散热性能测试，采用强制冷却的方式进行，同样记录结果如图5所示。从图中可明显看出，实施例1、对比例3和不锈钢散热片所测得的结果与进行热腐蚀前相差并不大，而对比例2由于严重氧化，其散热性能出现了严重地下降，而对比例1和对比例4热腐蚀后的散热性能表现也较差，尤其对比例4，其散热性能表现最差。
对散热片的整体温度均匀性进行测定，以实施例1为主要测试对象，并以不锈钢散热片和常见的市售钢镀铜散热片进行比较。沿散热片长方向画宽边的中线，每隔5cm设置一个测量点(排除端点)，共设置11个测量点，依次标记为J1～J11，其中J1为远离基管的最远端，将实施例1所制得的高导热金属散热片、不锈钢散热片和常见的市售钢镀铜散热片接到同一基管上，加热基管至80℃，达到80℃后五分钟测试各个测量点的温度，并记录。测试结果如图6所示。从图6中可明显看出，本发明所制得的高导热金属散热片在各个测量点温度均匀性较高，不锈钢散热片也处于一个较为均衡的状态，并未出现明显较大的波动。而图中钢镀铜散热片(Cu@Stainless steel)则出现了显著的温度梯度波动，表明其整体的热量处于不均匀的状态，更甚者容易发生热量集中的问题。
综上可明显看出，本发明所制得的高导热金属散热片具有良好的导热散热性能、耐腐蚀性能以及良好的传热均匀性，能够实现均匀快速地导热和散热，并且由于其具有良好的耐腐蚀性，其使用寿命接近与不锈钢散热片，相较于铜散热片或钢镀铜散热片而言，其使用寿命明显更长，效果更优。
Claims (5)
1.一种高导热金属散热片的制备方法，其特征在于， 所述方法包括以下步骤：
将铜粉和锰钢粉末混合，加入粘结剂混炼后利用注射成型工艺制为片状，进一步进行脱脂、烧结和表面处理后即得到高导热金属散热片；
所述铜粉中氧化亚铜含量为 2.6～3.2wt%、氧化铜含量为 1.7～2.2wt%，余量为金属铜；
所述表面处理为：
对所形成的片状材料表面进行激光辐照处理并采用 0～4℃的低温气体冷却；
所述激光辐照处理中激光功率为 1600～2100W、激光扫速为 230～240mm/s，所采用的激光带类型为条带型，激光辐照处理的激光搭接率为 12～15%；
所述铜粉、锰钢粉末和粘结剂的用量比为 20：（72～75）：（5～8）。
2.根据权利要求 1 所述的一种高导热金属散热片的制备方法，其特征在于：
所述铜粉和锰钢粉均为 500～600 目粉体；
所述锰钢粉中锰含量为 14～16wt%锰。
3.根据权利要求 1 所述的一种高导热金属散热片的制备方法，其特征在于：
所述粘结剂为蜡基粘结剂；
所述蜡基粘结剂为 PW-EVA-HDPE-SA 体系粘结剂；
所述 PW-EVA-HDPE-SA 体系粘结剂中 PW：EVA：HDPE：SA 的质量比为 75：（15～18）：（5～ 8）：（1～2）。
4.根据权利要求 1 所述的一种高导热金属散热片的制备方法，其特征在于：
所述混炼时混炼机中粉末装载量为 46～52%VOL，混炼温度为 80～95℃，混炼时长为1～2h；所述混炼时进行低氧保护；
所述低氧保护为控制混炼机中氧含量≤5%VOL。
5.根据权利要求 1 所述的一种高导热金属散热片的制备方法，其特征在于：
所述脱脂为：
依次进行 210～230℃保温 1～2h、380～410℃保温 1～1.5h 和 460～480℃保温0.5～1h； 所述烧结为：
置于 860～910℃条件下煅烧 2～3h，随后空冷冷却。
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