CN112512726A - 制品和方法 - Google Patents
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Abstract
描述了提供具有一组定向通道的制品的方法,所述一组定向通道中包括第一定向通道。所述方法包括制备混合物,所述混合物包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒。所述方法包括通过用所述混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体。所述方法包括加热所述制品前体从而聚结所述颗粒以提供所述制品。所述方法包括通过使所述第二材料反应以形成气态产物来移除图案,从而在所述制品中提供所述一组定向通道,其中所述一组定向通道对应于移除的图案。还描述了这种制品。
Description
技术领域
本发明涉及一种制品和提供制品的方法,特别是提供一种具有一组定向通道的制品,该一组定向通道中包括第一定向通道。
背景技术
多孔金属,也称为金属泡沫或蜂窝形金属,具有多种应用,包括热管理、能量吸收、催化剂载体和轻质结构。特别是,开孔多孔金属可用于热交换器和多孔电极,例如用于电池和废水处理,因为这些开孔多孔金属具有高内表面积和良好的流体渗透性。其中具有定向通道(也称为定向孔)的开孔多孔铜是一种具有多种应用(包括热管理、特别是热传递和/或冷却)的开孔多孔金属。特别地,定向通道具有沿其方向(即沿着定向通道的方向)相对低的流体流动阻力,从而改善热传递和/或冷却和/或降低泵送冷却剂通过多孔金属所需的泵送功率。
特别是,由于电子产品的增加的体积功率密度和部署它们的恶劣环境,热管理已成为电子产品中的一个关键问题。高散热率通常需要主动冷却,因为传统的被动冷却技术(例如散热器、热管和散热片叠置)是不够的。
基于微通道和开孔多孔金属的先进液体冷却系统近年来受到广泛关注。微通道和多孔金属都可以制造成芯片背面所需的小体积。材料中的强制液体对流可以以非常高的效率去除热量。然而,每个系统都有阻碍它们广泛应用的固有的缺点。微通道是昂贵的,并且多孔金属需要高泵送功率来使工作流体移动通过冷却装置。
优选地,包括多孔金属的制品,例如其内具有定向通道的开孔多孔金属,具有相对较大的定向通道体积分数,作为多孔金属体积分数。另外和/或可替代地,定向通道的长度优选地相对较长。另外和/或可替代地,定向通道的形状(例如横截面形状)优选沿着其长度相对恒定。另外和/或可替代地,定向通道的长宽比优选地相对大。另外和/或可替代地,定向通道的横截面尺寸(例如直径)优选地相对较小。另外和/或可替代地,定向通道的布置优选地被预定和/或控制。
然而,提供包括其中具有定向通道的多孔金属(例如开孔多孔金属)的制品的常规方法不能产生具有受控的尺寸、孔隙率和/或排列的连续定向通道。
因此,需要改进其中具有定向通道的制品。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种提供制品的方法以及提供这样的制品,所述制品在其中具有一组定向通道,该一组定向通道中包括第一定向通道,所述制品至少部分地消除或减轻了无论是在本文中还是在其他地方指出的现有技术的至少一些缺点。
第一方面提供一种提供具有一组定向通道的制品的方法,所述一组定向通道中包括第一定向通道,其中,该方法包括:制备混合物,所述混合物包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒;
通过用所述混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体;
加热所述制品前体从而聚结(coalesce)所述颗粒以提供所述制品;以及
通过使所述第二材料反应以形成气态产物来移除所述图案,从而在所述制品中提供所述一组定向通道,其中所述一组定向通道对应于所移除的图案。
第二方面提供了一种制品,例如热交换器,其具有一组定向通道,所述一组定向通道中包括第一定向通道,所述制品由包括第一材料的聚结颗粒形成,其中所述一组定向通道的体积为所述制品体积的5%至70%,优选20%至60%。
具体实施方式
根据本发明,提供了一种提供具有一组定向通道的制品的方法,如所附权利要求所述。还提供了具有一组定向通道的制品,例如热交换器。本发明的其它特征将从从属的权利要求和以下描述中显而易见。
方法
第一方面提供了一种提供具有一组定向通道的制品的方法,所述一组定向通道中包括第一定向通道,该方法包括:
制备混合物,所述混合物包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒;
通过用所述混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体;
加热所述制品前体从而聚结所述颗粒以提供所述制品;以及
通过使所述第二材料反应以形成气态产物来移除所述图案,从而在所述制品中提供所述一组定向通道,其中所述一组定向通道对应于所移除的图案。
以这种方式,可以提供具有开孔的、独立的和定向的通道的制品。以这种方式,可以控制制品中的通道直径、通道数量和通道分布。以这种方式,可以通过图案来预定和/或控制定向通道的布置。以这种方式,可以提供具有相对大的定向通道的体积分数(作为制品的体积分数)的制品。
第一方面提供了提供具有一组定向通道的制品的方法,所述一组定向通道中包括第一定向通道。
一组定向通道
在一个示例中,第一定向通道具有横截面尺寸(例如宽度或直径),(即横向尺寸)在20μm至1000μm的范围内,优选在50μm至500μm的范围内,和/或长度(即轴向尺寸)在1mm至1000mm的范围内,优选在20mm至100mm的范围内。
以这种方式,第一定向通道的长度可以相对较长。以这种方式,第一定向通道的形状(例如横截面形状)可以沿着其长度相对恒定。以这种方式,第一定向通道的长宽比可以相对较大。以这种方式,第一定向通道的横截面尺寸(例如直径)可以相对较小。
应当理解,该一组定向通道由许多单个(即,离散的)定向通道成,这些定向通道彼此平行或基本平行地排列和/或以预定间隔和/或图案布置,以在制品中产生预定的定向通道的体积分数。
制备混合物
该方法包括制备混合物,所述混合物包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒的。也就是说,该方法包括将该颗粒与第一结合剂混合,例如以提供均匀的混合物。
包括第一材料的颗粒
在一个示例中,第一材料包括金属和/或其合金,和/或其氧化物和/或其混合物。在一个示例中,金属是过渡金属,例如第一行、第二行或第三行过渡金属。在一个示例中,金属是Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu或Zn。优选地,该金属是Fe、Co、Ni、Cu或Zn。在一个示例中,该合金是钢、形状记忆合金或铁、钴或镍超合金。在一个示例中,形状记忆合金是铜-铝-镍基合金、镍-钛基合金、铁基合金(例如Fe-Mn-Si基合金)、铜基合金(如Cu-Zn-Al基合金或Cu-Al-Ni基合金)、锌基合金或金基合金。在一个示例中,该金属氧化物是氧化铜或氧化镍。
应当理解,该颗粒是固体并且可以包括离散的和/或凝聚的颗粒。在一个示例中,该颗粒具有规则形状,例如球形或基本球形。在一个示例中,该颗粒具有不规则形状,例如类球状、片状或粒状形状。
通常,该颗粒可以包括任何适于通过加热熔化的材料,例如金属或非金属,例如金属氧化物。
该颗粒可以包括添加剂、合金添加物、焊剂、结合剂和/或涂层。该颗粒可以包括具有不同组分的颗粒,例如具有不同组分的颗粒的混合物。
应当理解,未合金化金属是指具有相对高纯度的金属,例如,纯度至少重量比95%、至少97%、至少99%、至少99.5%、至少99.9%、至少99.95%、至少99.99wt.%、至少99.995%或至少99.999%。
应当理解,包括第一材料的颗粒至少部分地提供该制品(即,制品的主体或基底)。应当理解,该制品因此由包括第一材料的颗粒形成。应当理解,该制品由第一材料和/或可从第一材料获得的材料(例如其反应产物,例如还原的第一材料或氧化的第一材料)形成。
该颗粒可以通过雾化(例如气体雾化或水雾化)或本领域已知的其它方法来产生。该颗粒可以具有规则形状,例如球形形状和/或不规则形状,例如类球状、片状或粒状形状。
在一个示例中,该颗粒尺寸至多250μm、至多150μm、至多100μm、至多75μm、至多50μm、至多25μm、至多15μm、至多10μm、至多5μm或至多1μm。在一个示例中,该颗粒尺寸至少150μm、至少100μm、至少75μm、至少50μm、至少25μm、至少15μm、至少10μm、至少5μm或至少1μm。在一个示例中,该颗粒的尺寸在5μm至250μm的范围内,优选在10μm至50μm的范围内。在一个示例中,至少50%重量的颗粒的尺寸在5μm至250μm的范围内,优选在10μm至50μm的范围内。在一个示例中,至少90%重量的颗粒的尺寸在5μm至250μm的范围内,优选在10μm至50μm的范围内。在一个实施例中,至少95%重量的颗粒的尺寸在5μm至250μm的范围内,优选在10μm至50μm的范围内。
对于规则形状,该尺寸可以指例如球体或棒的直径,或指长方体的边。该尺寸也可指棒的长度。对于不规则形状,该尺寸可以指例如颗粒的最大尺寸。适当地,通过使用诸如马尔文·马斯特西尔3000的设备中的颗粒的光散射测量来测量颗粒尺寸分布,所述设备被布置成测量从10nm到3500微米的颗粒尺寸,其中根据设备制造商的说明书,颗粒湿分散在合适的载体液体(以及与颗粒表面化学和液体的化学性质相容的合适的分散剂)中,并假定颗粒具有均匀的密度。
在一个示例中,该混合物包括的第一材料的范围为混合物体积的50%至99.5%,优选60%至95%,更优选70%至90%。
第一结合剂
在一个示例中,第一结合剂包括:粘合剂,例如聚乙烯醇或蜡;脂肪酸,例如异硬脂酸、月桂酸、亚麻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸或花生酸;和/或溶剂,例如挥发性有机溶剂,例如甲醇、乙醇、异丁醇、甲乙酮、三氯乙烯或甲苯。
在一个示例中,该混合物包括的第一结合剂的范围为该混合物体积的0.5%至50%,优选5%至40%,更优选10%至30%。以这种方式,可以实现前体中的颗粒的结合。
混合物
在一个示例中,混合物包括可流动的混合物和/或为可流动的混合物,例如悬浮液、浆液或糊状物。以这种方式,混合物可以在图案周围流动,从而包围图案。
提供制品前体
该方法包括通过用混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体。
制品前体
应当理解,制品前体是其中具有图案的制品的生坯。
包围图案
在一个示例中,该方法包括用混合物部分地包围图案。也就是说,图案的至少一部分(例如表面)可以暴露,即不接触混合物或不被混合物涂覆。在一个示例中,该方法包括用混合物完全包围图案。也就是说,图案可以由混合物完全涂覆。
图案
应当理解,该图案由第二材料制成,并且该图案至少部分地限定一组定向通道,如下文所述。应当理解,该图案是可移除的图案,其中通过使第二材料反应以形成气态产物来移除该图案,如下文所述。
在一个示例中,第二材料包括包含热塑性聚合物的聚合物组合物,例如聚酯、聚丙烯、聚乙烯和/或聚苯乙烯。以这种方式,可以通过例如燃烧(即与氧反应)第二材料来移除图案,从而形成例如包括H2O和CO2的气态产物。
在一个示例中,该图案包括一组纤维(也称为长丝(filament)),该一组纤维包括第一纤维。在一个示例中,第一定向通道对应于(即具有相同或类似的形状、尺寸和/或取向)第一纤维。在一个示例中,该一组定向通道对应于该一组纤维。在一个示例中,该一组定向通道的相应定向通道对应于该一组纤维的相应纤维。在一个示例中,图案包括一组纤维,该一组纤维包括第一纤维和第二纤维,其优选地相互对齐和/或相互间隔开。在一个示例中,第一纤维是单丝。在一个示例中,第一纤维包括纤维束。在一个实施例中,第一纤维的横截面尺寸,例如宽度或直径,(即横向尺寸)在20μm至1000μm的范围内,优选在50μm至500μm的范围内,和/或长度(即轴向尺寸)在1mm至1000mm的范围内,优选在20mm至100mm的范围内。
以这种方式,第一定向通道的长度可以被限定为相对较长。以这种方式,第一定向通道的形状(例如横截面形状)可以沿着其长度相对恒定。以这种方式,第一定向通道的长宽比可以相对较大。以这种方式,第一定向通道的横截面尺寸(例如直径)可以相对较小。
在一个示例中,该方法包括例如在夹具上布置一组纤维。以这种方式,一组纤维的布置可被预定和/或控制,由此定向通道的布置可被预定和/或控制。
涂覆图案
在一个示例中,该方法包括在用混合物包围图案之前,用第一材料的颗粒和第二结合剂涂覆图案。以这种方式,该图案可以被颗粒更充分地包围。
在一个示例中,第二结合剂包括粘合剂,例如聚乙烯醇。
加热制品前体
该方法包括加热制品前体从而聚结颗粒以提供制品。也就是说,至少部分地通过加热颗粒以使得相邻的颗粒相互融合、形成颗粒的凝聚物来实现颗粒的聚结。应当理解,因此可以在低于颗粒熔点的温度下,例如在固态扩散过程提供聚结的温度范围内实现聚结。在一个示例中,聚结是通过仅加热颗粒(即,没有外部施加的负载(例如,在颗粒加热期间压缩颗粒))而不熔化(即,液化)颗粒来烧结颗粒。在一个示例中,聚结是通过加热颗粒并施加诸如压缩之类的外部施加的载荷(例如在颗粒加热期间对颗粒进行单轴、双轴、三轴或等静压压缩)而不熔化(即,液化)颗粒来烧结颗粒。
在一个示例中,聚结颗粒包括聚结至少一些(例如大多数)颗粒。也就是说,可以不要求聚结所有颗粒来提供制品。在一个示例中,聚结颗粒包括聚结全部或基本上全部颗粒。
存在氧气
在一个示例中,加热包括在第一温度下在氧的存在下加热制品前体持续第一时段,其中通过使第二材料反应和/或燃烧第二材料以形成气态产物来移除图案。以这种方式,可以通过其燃烧来去除图案。
在一个示例中,加热包括在第二温度下在氧的存在下将制品前体加热持续第二时段,从而使颗粒氧化以提供氧化的颗粒,其中聚结颗粒包括聚结氧化的颗粒。
在一个示例中,加热包括在第一温度下在氧的存在下加热制品前体持续第一时段,其中通过使第二材料反应和/或燃烧第二材料以形成气态产物来移除图案,并且其中聚结颗粒可选地包括使颗粒氧化以提供氧化的颗粒,例如其中第一材料包括金属或其合金,其中,聚结颗粒包括聚结氧化的颗粒,例如金属或其合金的氧化物。也就是说,移除图案,可选地颗粒的氧化和聚结氧化的颗粒是同步的,即同时的。
在一个示例中,第一温度在500℃至800℃的范围内,优选在600℃至700℃的范围内。在一个示例中,第一时段(即持续时间)在5分钟至180分钟的范围内,优选在20分钟至60分钟的范围内。
在一个示例中,第二温度在500℃至800℃的范围内,优选在600℃至700℃的范围内。在一个示例中,第二时段(即持续时间)在5分钟至180分钟的范围内,优选在20分钟至60分钟的范围内。在一个示例中,第二温度等于第一温度和/或第二时段等于第一时段。
移除图案
该方法包括通过使第二材料反应以形成气态产物来移除图案,从而在制品中提供一组定向通道,其中一组定向通道对应于移除的图案。也就是说,通过反应以形成气态产物从制品中除去图案。由于产物是气态的,因此可以例如经由一组定向通道和/或经由颗粒间孔和/或颗粒内孔从制品中除去气体,如下文所述。以这种方式,图案可从制品中完全移除,而不残留其残余物。相反,通过熔化图案来去除图案可导致熔融残留物残留在制品中,污染制品和/或至少部分地阻碍一组定向通道、颗粒间孔和/或颗粒内孔。相反,通过固态或机械地提取图案来移除图案可能导致至少一部分图案残留在制品中,污染制品和/或至少部分地阻碍一组定向通道。
还原
在一个示例中,该方法包括:
在无氧的情况下和/或在反应物中或在真空中在第三温度下加热氧化的颗粒持续第三时段,从而还原氧化的颗粒以提供其中具有一组定向通道的制品。
在一个示例中,第三温度在700℃至1300℃的范围内,优选在800℃至1200℃的范围内,更优选在900℃至1100℃的范围内。在一个示例中,第三温度在0.7Tm至0.99Tm的范围内,优选在0.8Tm至0.95Tm的范围内,其中Tm是第一材料的熔点。在一个示例中,第三时段在15分钟至48小时的范围内,优选在2小时至24小时的范围内。例如,氧化的铜可以在真空中在1000℃下还原六小时,并且氧化的镍可以在还原气氛中用氢气流在1200℃下还原二十分钟。
孔隙度
应当理解的是,具有通过聚结颗粒而形成的一组定向通道的制品可以具有由三种不同类型的孔产生的孔隙率:
a)一组定向通道(也称为定向孔);
b)聚结颗粒之间的颗粒间孔;以及
c)聚结颗粒内的颗粒内孔。
通常,孔隙率(也称为空隙率)是材料中空隙(即“空”)空间的度量,是空隙体积占制品总体积的分数,介于0-1之间,或为介于0%-100%之间的百分比。
这三种类型的孔可以互连(也称为开放孔)或隔离(也称为封闭孔)。在一个示例中,其中至少50%、至少75%或至少90%体积的孔是互连孔。
通常,制品的孔隙率可通过孔隙率测定法(例如,根据UOP 578-11的压汞法)、根据ASTMD 792或ISO 1183的密度和/或其截面的图像分析来确定。例如,孔隙率测定可用于确定由这三种类型的孔中的每一种引起的孔隙率。
在一个示例中,该一组定向通道的体积在制品体积的5%至70%的范围内,优选在20%至60%范围内。
在一个示例中,制品的密度(不包括一组定向通道)在第一材料的密度的60%至95%的范围内,优选在80%至90%的范围内。
在一个示例中,制品包括多孔制品,在其中具有一组定向通道。应当理解,多孔制品中的孔隙率是例如由于颗粒间和/或颗粒内孔而产生,以及由于一组定向通道()的设置而产生。在一个示例中,制品包括其中具有一组定向通道的开孔多孔制品。
示例路径
因此,该方法的三个示例路径包括:
A.金属颗粒(即颗粒)在氧气存在下加热期间被氧化,形成金属氧化物粉末,并例如通过在其间形成初始键,在低于包括图案的第二材料的反应温度(例如燃烧温度)的温度下被聚合。随着温度升高到高于例如燃烧温度,对金属颗粒进行进一步氧化和烧结氧化的金属颗粒,在颗粒之间形成更强的键。氧化物基体(即,聚结的金属氧化物颗粒)可随后在真空或氢气气氛中(例如取决于金属)在高温下还原成金属。
B.由于在低于包括图案的第二材料的反应温度(例如燃烧温度)的温度下进行初步烧结,金属氧化物颗粒(即颗粒)形成相对弱的键。随着温度升高到高于例如燃烧温度,进行金属氧化物颗粒的进一步烧结,在金属氧化物颗粒之间形成相对较强的键。氧化物基体(即聚结的金属氧化物颗粒)可随后在真空或氢气气氛中(例如取决于金属)在高温下还原成金属。
C.金属颗粒在压力下聚结(即压缩(compression),例如单轴、双轴、三轴或等静压)以形成相对弱的机械键。当温度升高到高于包括图案的第二材料的反应温度(例如燃烧温度)时,机械键支撑制品前体(即,维持生坯不塌缩)。随着温度升高到高于例如燃烧温度,进行金属颗粒的烧结,在金属颗粒之间形成相对较强的键。此路径不需要后续的还原步骤处理。
制品
在一个示例中,该制品包括热交换器和/或为热交换器。
例如,该制品可用于热传递和热管理应用。
例如,定向多孔Cu可以与冷却液或冷却气体结合,并提供用于冷却诸如小型化和高度集成的电子芯片和功率器件的设备的散热材料。
制品
第二方面提供了一种制品,例如热交换器,其具有一组定向通道,其中包括第一定向通道,该制品由包含第一材料的聚结颗粒形成,其中该一组定向通道的体积为所述制品体积的5%至70%,优选20%至60%。
制品、热交换器、定向通道、第一定向通道、颗粒和/或第一材料可以如关于第一方面所描述的那样。
定义
在本说明书中,术语“包括(comprising)”或“包含(comprises)”指包括指定的组分,但不排除其他组分的存在。术语“基本上由…组成(consisting essentially of)”或“基本上由…组成(consists essentially of)”包括指定的组分但不包括其他组分,但以杂质形式存在的材料、作为用于提供组分的过程的结果而存在的不可避免的材料、以及为了实现本发明的技术效果以外的目的而添加的组分(诸如着色剂等)除外。
术语“由…组成(consisting of)”或“由…组成(consists of)”指包括指定的组分,但不包括其他组分。
在适当情况下,视上下文而定,“包含(comprises)”或“包括(comprising)”一词的使用也可被视为包括“基本上由…组成(consists essentially of)”或“基本上由…组成(consisting essentially of)”的含义,还可被视为包括“由…组成(consists of)”或“由…组成(consisting of)”的含义。
本文列出的可选特征可以单独使用或者在适当的情况下彼此组合使用,特别是在所附权利要求中列出的组合中使用。如本文所阐述的,本发明的每个方面或示例性实施例的可选特征在适当时也可应用于本发明的所有其他方面或示例性实施例。换句话说,阅读本说明书的技术人员应当将本发明的每个方面或示例性实施例的可选特征视为在不同方面和示例性实施例之间可互换和可组合。
附图简要说明
为了更好地理解本发明,并且为了示出如何实现本发明的示例性实施例,将仅以示例的方式参考附图,其中:
图1示意性地描绘了根据示例性实施例的提供其中具有一组定向通道的制品的方法;
图2示意性地描绘了根据示例性实施例的提供其中具有一组定向通道的制品的方法;
图3示出了根据示例性实施例的在其中具有一组定向通道的制品的横截面的光学显微照片;
图4示出了图3的制品的纵向截面的光学显微照片;以及
图5示出了根据示例性实施例的其中具有一组定向通道的制品的横截面的光学显微照片。
附图详细说明
示例方法1
图1示意性地描绘了根据示例性实施例的提供其中具有一组定向通道的制品的方法。
该制品具有一组定向通道,其中包括第一定向通道。
在S101,制备包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒的混合物。
在S102,通过用混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体。
在S103,制品前体被加热,从而聚结颗粒以提供制品。
在S104,通过使第二材料反应以形成气态产物来移除图案,由此在制品中提供一组定向通道,其中一组定向通道对应于移除的图案。
该方法可以包括本文描述的例如关于第一方面的任何步骤。
示例方法2
图2示意性地描绘了根据示例性实施例的提供其中具有一组定向通道的制品的方法。特别地,在该实施例中,该方法是提供在其中具有一组定向通道的多孔铜制品。
在S201,制备包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒的混合物。特别地,将Cu(即第一材料)颗粒与结合剂(乙醇或PVA胶)(即第一结合剂)混合以形成Cu颗粒浆液(即混合物)。Cu颗粒浆液通过混合Cu粉末和该结合剂(乙醇或PVA胶,约占铜粉体积的20%)来制成。
在S202,通过用混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体。
首先,使用结合剂(即第二结合剂)用Cu粉末(即包含第一材料的颗粒)涂覆聚乳酸(PLA)纤维(即图案)。将PLA纤维涂上PVA胶,然后撒上铜粉,使PLA纤维完全被铜颗粒包围,以改善最终产品中通道的完整性。
其次,随后将涂覆的PLA纤维嵌入(即被包围在)Cu颗粒浆液中,由此提供制品前体。涂覆有铜的PLA纤维在模具中逐层嵌入浆液中。
更详细地,将一薄层铜粉浆液涂布在模具中。将涂覆后的PLA纤维均匀地铺在铜粉浆液的薄层上。然后,在这些涂覆的PLA纤维上涂布另一层铜粉浆液,确保填充涂覆的PLA纤维之间的间隙。重复该分层过程,直到达到期望的厚度。优选将涂覆的PLA纤维笔直并定向地(即相互对准和/或相互间隔开,由此预定和/或控制定向通道的布置)排列在模具中。铜基体中通道的体积分数由材料中PLA纤维的数量控制,并可以达到0.7。通道直径由PLA纤维的直径控制,例如在100μm至1000μm的范围内。
在该示例中,S203和S204是同步的。在S203处,加热制品前体从而聚结颗粒以提供制品,并且在S204处,通过使第二材料反应以形成气态产物来移除图案,从而在制品中提供一组定向通道,其中一组定向通道对应于移除的图案。特别地,制品前体在大气中(即空气中,在氧的存在下)在650℃下加热30分钟,以便氧化铜颗粒,烧结氧化的铜颗粒并分解PLA纤维以形成烧结的定向多孔CuO。
在S205,在无氧的情况下和/或在反应物或在真空中在第三温度下加热氧化的颗粒持续第三时段,从而还原氧化的颗粒以提供其中具有一组定向通道的制品。特别地,将烧结的定向多孔CuO在真空(<4×10-2毫巴)中在1000℃下加热6小时,以便将CuO还原为Cu。
该方法可以包括本文描述的例如关于第一方面的任何步骤。
该方法可用于生产具有微通道结构的材料,并且这些微通道是独立的并且可具有可控制的通道直径。通常,铜基体中通道的体积分数可达70%。通道的体积分数根据材料中PLA纤维的量而变化。
金属颗粒可以包括铜或氧化铜。金属颗粒可以具有任何颗粒尺寸,这取决于材料的用途和所需的孔尺寸,并且优选在5微米至75微米的范围内。对粉末的形式没有特别的限制。
优选地,PLA纤维添加剂在材料中的量可高达体积比70%,并且这将大致涉及在Cu基体中具有高达70%的通道体积分数的材料的生产。Cu基体的固体密度可大于85%。金属颗粒之间的小间隙或空隙是部分烧结的结果。
结合剂的加入有助于将金属粉末均匀地涂覆在PLA纤维上,并确保涂覆的PLA纤维在金属粉末浆液中均匀分布。为了在PLA纤维上涂覆金属粉末,结合剂可以是PVA胶。为了将涂覆的PLA纤维分布在金属颗粒浆液中,可以使用PVA胶或乙醇作为结合剂与Cu粉混合,分别获得高通道体积分数(>60%)或低通道体积分数(<60%)。优选地,浆液中结合剂的量约为30%。
定向多孔铜可用于在许多不同领域中生产多种产品。具体地,该材料可用于热传递和热管理应用中。例如,定向多孔Cu可以与冷却液体结合,并提供用于冷却诸如小型化和高度集成的电子芯片和功率器件的设备的散热材料。
示例制品1
图3示出根据示例性实施例的其中具有一组定向通道100的制品10的横截面的光学显微照片。特别地,图3是制品10(特别是定向多孔铜(即第一材料))的光学照片,示出了垂直于一组定向通道100的横截面。
图4显示了图3的制品10的纵向截面的光学显微照片。特别地,图4是制品10的光学显微照片,示出了平行于一组定向通道100的横截面。
制品10具有一组定向通道100,其中包括第一定向通道100A。制品10由包括第一材料的聚结颗粒1000形成,其中该一组定向通道100的体积为制品体积的5%至70%,优选20%至60%。
如上文关于示例方法2所述来提供制品10。将170根直径为390μm的PLA纤维涂上PVA胶,然后撒上粒径小于20μm的铜粉。通过将铜粉与乙醇(体积比30%)混合形成铜粉浆液。涂覆的PLA纤维在尺寸为2×3×0.5cm3的模具中逐层地嵌入到铜粉浆液中。预成型件在大气中在650℃下加热30分钟。然后将预成型件移入真空炉中,并在真空气氛中(小于4×10-2毫巴)在1000℃下烧结6小时。结果,在Cu基体中获得了直径为390μm的定向通道。Cu基体中通道的体积分数约为20%。
在图3和图4中可以看到在本实验中产生的材料的开放通道。图3是横截面图(垂直于通道方向),显示材料中的通道具有与PLA纤维相同的直径且均匀分布。图4是纵向剖视图(平行于通道方向),显示材料中的通道是直的和开放的。图1和图2中烧结的Cu基体的固体密度超过85%。
示例制品2
图5示出了根据示例性实施例的其中具有一组定向通道200的制品20的横截面的光学显微照片。特别地,图5是定向多孔Cu材料(即制品20)的样品的光学显微照片,示出了垂直于通道的横截面。
如上文关于示例方法2所述那样提供制品20。将440根直径为450μm的PLA纤维涂上PVA胶,然后撒上粒径小于20μm的铜粉。通过将铜粉与PVA胶(体积比30%)混合形成铜粉浆液。涂覆的PLA纤维在尺寸为2×3×0.5cm3的模具中逐层地嵌入到铜粉浆液中。预成型件在大气中在650℃下加热30分钟。然后将预成型件移入真空炉中,并在真空气氛中(小于4×10-2毫巴)在1000℃下烧结6小时。结果,在Cu基体中获得了直径为450μm的定向通道。Cu基体中通道的体积分数约为70%。
图5中可见本实验中生产的材料的开放通道。
热传递
表1示出了在相同测试条件(水流率:2L/分)下测量的常规铜微通道、通过失碳酸盐烧结(LCS)工艺制造的多孔铜以及根据示例性实施例的定向多孔铜的传热系数和压降。测试数据表明,定向多孔铜既具有与LCS多孔金属相当的优良的传热系数,又具有与常规微通道相当的降低的压降。
表1:常规铜微通道、通过失碳酸盐烧结(LCS)工艺制造的多孔铜以及根据示例性实施例的定向多孔铜的传热系数和压降。
虽然已经示出和描述了优选实施例,但是本领域技术人员将理解,可以在不背离如所附权利要求中所限定的和如上文所述的本发明的范围的情况下,进行各种改变和修改。
总之,本发明提供了一种提供具有一组定向通道(包括第一定向通道)的制品的方法,和这种制品。以这种方式,可以提供具有开放的、独立的和定向的通道的制品。以这种方式,可以控制制品中的通道直径、通道数量和通道分布。以这种方式,可以通过图案来预定和/或控制定向通道的布置。以这种方式,可以提供具有相对大的定向通道的体积分数(作为制品的体积分数)的制品。
注意与本申请有关的与本说明书同时提交或在本说明书之前提交的、与本说明书公开供公众查阅的所有文件和文档,所有这些文件和文档的内容通过引用并入本文。
本说明书中公开的所有特征(包括任何随附的权利要求和附图)和/或所公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任意组合方式进行组合,除了其中一些特征和/或步骤是互斥的组合之外。
除非另有明确说明,否则本说明书中公开的每个特征(包括任何随附的权利要求和附图)可由用于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此,除非另有明确说明,所公开的每个特征仅是等同或类似特征的通用系列的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求和附图)中公开的特征中的任何一个新颖的特征或任何新颖特征的组合,或者扩展到所公开的任何方法或过程的步骤的任何一个新颖的步骤或任何新颖步骤的组合。
Claims (16)
1.一种提供具有一组定向通道的制品的方法,所述一组定向通道中包括第一定向通道,所述方法包括:
制备混合物,所述混合物包括第一结合剂和包含第一材料的颗粒;
通过用所述混合物包围包括第二材料的图案来提供制品前体;
加热所述制品前体从而聚结所述颗粒以提供制品;以及
通过使所述第二材料反应以形成气态产物来移除所述图案,从而在所述制品中提供所述一组定向通道,其中所述一组定向通道对应于所移除的图案。
2.根据权利要求1所述的方法,包括:
在用所述混合物包围所述图案之前,用所述第一材料的颗粒和第二结合剂涂覆所述图案。
3.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述加热包括:在第一温度下在氧存在下将所述制品前体加热持续第一时段,其中通过使所述第二材料反应来移除所述图案包括:燃烧所述第二材料以形成所述气态产物,其中聚结所述颗粒可选地包括:将所述颗粒氧化以提供氧化的颗粒,并且其中聚结所述颗粒包括:聚结所述氧化的颗粒。
4.根据前述任一项权利要求所述的方法,包括:
在无氧的情况下和/或在反应物中或在真空中在第三温度下加热所述氧化的颗粒持续第三时段,从而还原所述氧化的颗粒以提供其中具有所述一组定向通道的所述制品。
5.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述第一材料包括金属和/或其合金、和/或其氧化物和/或其混合物。
6.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述颗粒的尺寸在5μm至250μm的范围内,优选在10μm至50μm的范围内。
7.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述第二材料包括聚合物组合物,所述聚合物组合物包括热塑性聚合物,例如聚酯、聚丙烯、聚乙烯和/或聚苯乙烯。
8.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述第一结合剂包括粘合剂,例如聚乙烯醇或蜡;脂肪酸,例如异硬脂酸、月桂酸、亚麻酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸或花生酸;和/或溶剂,例如挥发性有机溶剂,例如甲醇、乙醇、异丁醇、甲乙酮、三氯乙烯或甲苯。
9.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述第二结合剂包括粘合剂或塑料胶,例如聚乙烯醇。
10.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述图案包括一组纤维或一组长丝,所述一组纤维或一组长丝优选地相互对齐和/或相互间隔开。
11.根据权利要求10所述的方法,包括例如将所述一组纤维布置在夹具上。
12.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中,所述第一定向通道的横截面尺寸在20μm至1000μm的范围内,优选在50μm至500μm的范围内,和/或长度在1mm至1000mm的范围内,优选在20mm至100mm的范围内。
13.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中所述一组定向通道的体积在所述制品体积的5%至70%的范围内,优选在20%至60%的范围内。
14.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中,排除所述一组定向通道,所述制品的密度在所述第一材料的密度的60%至95%的范围内,优选在80%至90%的范围内。
15.根据前述任一项权利要求所述的方法,其中,所述制品包括热交换器和/或为热交换器。
16.一种制品,例如为热交换器,其具有一组定向通道,所述一组定向通道中包括第一定向通道,所述制品由包括第一材料的聚结颗粒形成,其中所述一组定向通道的体积在所述制品体积的5%至70%的范围内,优选在20%至60%的范围内。
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