CN112719263A - 一种热管吸液芯材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种吸液芯材料的制备方法，包括：将粒径为10‑200nm纳米级铜粉末和粒径为20‑150μm的微米级铜粉末按照质量比1:1‑5混合均匀，然后注入热管模具中，在保护气气氛下进行烧结，即制备得到该吸液芯材料。该制备方法采用不同比例的纳米级铜粉末和微米级铜粉末混合粉末作为原料，利用纳米级铜粉末的小尺寸效应和低温烧结特性，在较低温度下烧结处理后，形成纳米级、微米级铜粉末相互掺杂的高孔隙率、高导热性能、高毛细压力的烧结吸液芯结构，具有制造温度低，吸液芯导热性能优异等优点，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及器件散热材料制备技术领域，具体涉及一种热管吸液芯材料的制备方法。
背景技术
热管作为最有效的传热元件，具有导热性能好、结构简单、工作可靠、温度均匀等优点，导热系数为铜的数千倍，且无需动力装置驱动，被广泛应用于航空、航天以及高科技电子器件等领域。
热管属于一种“封闭两相传热系统”，即在一个封闭的体系内，依靠流体的相态变化(液相变为气相或是气相变为液相)来传递热量，主要由毛细吸液芯结构、工质和壁壳组成。在热管的一端加热，工质会沸腾或蒸发，吸收汽化潜热，由液体变为蒸汽。产生的蒸汽在管内一定压差的作用下，流动到冷却段，蒸汽遇到冷的壁面会凝结成液体，同时放出汽化潜热，通过管壁传给外面的冷源。冷凝下来的液体依靠重力或者管内壁的多孔材料所产生的毛细管力再回流到加热段，重新开始蒸发吸热过程。这样，通过管内介质的连续相变，并再次受热汽化，如此循环往复，连续不断的将热量由一端传向另一端，完成了热量的连续转移。
吸液芯是热管的重要组成部分，其结构形式、材料组成等直接影响到热管的传热性能。烧结金属吸液芯是吸液芯组成的一个重要分支，通常是将金属铜粉末通过加温直接烧结在管壁上，形成不易脱落的毛细结构。烧结过程中金属粉末的粒径同时对渗透率和毛细压力产生影响，相同形态的粉末粒径越大，有效孔径也会越大，相对渗透率也越大，毛细压力越小；当粒径越小时，烧结芯内部孔径越小，渗透率越小，流体通过毛细结构所产生的压降越大。
然而，由于通过烧结制备吸液芯的过程中，渗透率和毛细压力具有上述关系，使得根据现有技术难以同时具有良好的渗透性和足够的毛细压力的吸液芯材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种吸液芯材料的制备方法，该制备方法采用不同比例的纳米级铜粉末和微米级铜粉末混合粉末作为原料，利用纳米级铜粉末的小尺寸效应和低温烧结特性，在较低温度下烧结处理后，形成纳米级、微米级铜粉末相互掺杂的高孔隙率、高导热性能、高毛细压力的烧结吸液芯结构，具有制造温度低，吸液芯导热性能优异等优点，应用前景广阔。
为此，第一方面，本发明提供一种吸液芯材料的制备方法，包括：取纳米级铜粉末和微米级铜粉末混合均匀，得到混合粉末；将所述混合粉末注入热管模具中，在保护气气氛下进行烧结，即制备得到所述吸液芯材料；
所述纳米级铜粉末的粒径为10-200nm，所述微米级铜粉末的粒径为20-150μm；
所述纳米级铜粉末和微米级铜粉末的质量之比为1:1-5，例如1:1，1:2，1:3，1:4，1:5等。
本发明利用不同比例的纳米级铜粉末和微米级铜粉末作为原料，利用纳米级铜粉末的小尺寸效应和低温烧结特性，在较低温度下烧结处理后，形成纳米级、微米级铜粉末相互掺杂的高孔隙率、高导热性能、高毛细压力的烧结吸液芯结构。如果仅将不同粒径的微米级铜粉末进行混合，或者仅将不同粒径的纳米级铜粉末进行混合作为原料，则无法通过烧结产生足够的差异，以对吸液芯的孔隙率、毛细压力进行有效的调节。
进一步，所述烧结的温度为150-390℃，例如150℃、170℃、200℃、230℃、250℃、280℃、300℃、325℃、360℃、390℃等。
目前烧结金属吸液芯的烧结温度一般为熔点之下100-200℃，根据铜的熔点，通常烧结铜吸液芯的烧结温度范围约为800-900℃。不同粒径分布的铜粉,在不同温度下松装烧结时，粒径小的铜粉末的烧结性能对温度更为敏感，粉末粒径越小，颗粒比表面越大，表面能越高，烧结更容易致密化。
本发明采用的烧结温度为150℃-390℃，经研究发现，在采用本发明所述的纳米级铜粉末和微米级铜粉末作为原料进行烧结时，如果温度高于390℃，会导致纳米级铜粉末的烧结程度过高，纳米级铜粉末之间，纳米级铜粉末与微米级铜粉末之间会形成较为致密的烧结颈，一方面无法对吸液芯的孔隙率及毛细压力进行有效的调节、另一方面也会降低吸液芯的孔隙率；如果温度低于150℃，则微米级、纳米级铜粉均未出现烧结现象，热管内部粉末无法有效烧结到热管上，不能实现吸液芯的制备。
进一步，所述烧结的时间为2-8h，例如2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h等。
进一步，所述纳米级铜粉末的形状为球形或近球形。在具体的实施方式中，所述纳米级铜粉末的粒径可为10-100nm或100-200nm等。
进一步，所述微米级铜粉末的松装密度为1.0-2.0g/cm3，例如1.0g/cm3、1.2g/cm3、1.4g/cm3、1.6g/cm3、1.8g/cm3、2.0g/cm3等。
在优选的实施方式中，所述微米级铜粉的粒径可为20-75μm或75-150μm等。
进一步，所述保护气选自氢气、氮气和一氧化碳气体中的一种或两种以上的组合。
进一步，所述混合的时间为5-10h。
本发明的第二方面，提供一种吸液芯材料，其通过本发明所述的制备方法得到。
本发明的第三方面，提供一种热管，其包括本发明所述的吸液芯材料。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下显著的进步：
本发明采用特定配比的纳米级铜粉末和微米级铜粉末作为原料，经混合均匀后进行低温烧结。形成纳米级、微米级铜粉末相互掺杂的高孔隙率、高导热性能的烧结吸液芯结构。由于在较低温度下进行烧结，会出现纳米级铜粉末和微米级铜粉末的烧结温度差，从而形成孔隙率较高的吸液芯结构，此外由于纳米级铜粉末的添加也增加了吸液芯的毛细作用力，弥补了传统烧结铜吸液芯渗透性与毛细压力不可兼得的弊端，具有制造温度低，吸液芯导热性能优异等优点，应用前景广阔。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明提供的吸液芯材料的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供一种吸液芯材料，其制备步骤如下：
(1)选择粒度范围在100-200nm，形状为球形或近球形的纳米级铜粉末；
(2)将步骤(1)所选的纳米级铜粉末，和粒度范围在75-150μm，松装密度为1.8g/cm3的微米级铜粉末按照质量比1:5的比例混合均匀，混合时间10h；
(3)将步骤(2)得到的混合粉末注入热管模具中，并在氢气气氛下低温烧结处理，烧结温度为390℃，烧结时间为8h。
实施例2
本实施例提供一种吸液芯材料，其制备步骤如下：
(1)选择粒度范围在10-100nm，形状为球形或近球形的纳米级铜粉末；
(2)将步骤(1)所选的纳米级铜粉末，和粒度范围在20-75μm，松装密度为1.4g/cm3的微米级铜粉末按照质量比1:1的比例混合均匀，混合时间5h；
(3)将步骤(2)得到的混合粉末注入热管模具中，并在一氧化碳气氛下低温烧结处理，烧结温度为150℃，烧结时间为2h。
实施例3
本实施例提供一种吸液芯材料，其制备步骤如下：
(1)选择粒度范围在10-100nm，形状为球形或近球形的纳米级铜粉末；
(2)将步骤(1)所选的纳米级铜粉末，和粒度范围在75-150μm，松装密度为1.8g/cm3的微米级铜粉末按照质量比1:3的比例混合均匀，混合时间8h；
(3)将步骤(2)得到的混合粉末注入热管模具中，并在氨分解氢氮混合气气氛下低温烧结处理，烧结温度为300℃，烧结时间为6h。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种吸液芯材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取纳米级铜粉末和微米级铜粉末混合均匀，得到混合粉末；将所述混合粉末注入热管模具中，在保护气气氛下进行烧结，即制备得到所述吸液芯材料；
所述纳米级铜粉末的粒径为10-200nm，所述微米级铜粉末的粒径为20-150μm；
所述纳米级铜粉末和微米级铜粉末的质量之比为1:1-5。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为150-390℃。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的时间为2-8h。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，述纳米级铜粉末的形状为球形或近球形。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微米级铜粉末的松装密度为1.0-2.0g/cm3。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述保护气选自氢气、氮气和一氧化碳气体中的一种或两种以上的组合。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合的时间为5-10h。
8.一种吸液芯材料，其特征在于，所述吸液芯材料通过权利要求1-7任一项所述的制备方法得到。
9.一种热管，其特征在于，所述热管包括权利要求8所述的吸液芯材料。
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