CN113479313B - 一种金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统，该方法包括以下步骤：S1、制备复合化学镀液；S2、制备空心微点阵材料；S3、对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵；S4、对所述复合镀层空心微点阵进行封口；S5、将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中，形成金属层空心微点阵结构。本发明能保持热源的温度缓慢变化及使最高温和最低温差值缩小，延长热源的温度疲劳寿命，其散热效率高，散热效果好。

Description

一种金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统
技术领域
本发明涉及温控技术领域，尤其涉及一种金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统。
背景技术
航空航天领域面临严峻的热防护问题。高超声速飞机、天地往返飞行器、高超声速巡航导弹等高马赫数航空器由于与空气的剧烈相对接触，承受复杂的热载荷，需要发展高效的热防护材料和技术。航天器在外太空面临极端的热环境，为了保证航天器本身的寿命及内部器件的正常工作，需要采用热防护的方法对飞行器进行隔热保护。同时，随着电子元器件集成密度和功率的不断增大，所产生的热流密度也不断增大，所以航天器内部电子器件的散热及热防护问题极为重要。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种散热效率高、散热效果好的金属层空心微点阵结构的制备方法及温控系统。
一种金属层空心微点阵结构的制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备复合化学镀液；
S2、制备空心微点阵材料；
S3、对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵；
S4、对所述复合镀层空心微点阵进行封口；
S5、将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中，形成金属层空心微点阵结构。
在其中一个实施例中，所述步骤S1中，制备复合化学镀液包括：
S11、将直径为2μm的石墨烯纳米片放入到石墨烯容器的水溶液中；
S12、依次加入质量比为1:10:10的十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水；
S13、通过超声波分散法将石墨烯纳米片进行分散，形成分散的石墨烯溶液；
S14、将合金化学镀液与分散的石墨烯溶液混合搅拌，得到均匀的复合化学镀液。
在其中一个实施例中，所述步骤S2中，制备空心微点阵材料包括：
S21、使用计算机辅助设计技术，在计算机上设计微点阵结构；
S22、利用感光树脂的化学溶解性，采用立体光固化3D打印方法制作微点阵基体，并去除其表面的油污；
S23、在40℃下，用胶体钯溶液对所述微点阵基体表面进行活化，时间为10分钟；
S25、将所述微点阵基体置于浓度为50g/L的NaOH溶液中，室温下暴露10s，将钯纳米颗粒显露出来，钯纳米颗粒能够作为催化剂进行化学还原反应；
S26、将所述微点阵基体浸入水中3分钟进行预热，水的温度与化学镀所需的温度相同；
S27、将预热后的所述微点阵基体放入所述复合化学镀液中化学镀90min，化学镀后清水冲洗；
S28、将清洗后的所述微点阵基体的部分外部节点进行打磨，暴露树脂基体，将打磨后的微点阵基体浸泡在由20g/L NaOH和700ml/L乙醇组成的化学溶液中，在60℃水浴环境中，蚀刻所述微点阵基体的内部树脂基体24h，将树脂融化于蚀刻溶液中；
S29、用清水冲洗残余树脂，得到空心微点阵材料。
在其中一个实施例中，所述步骤S3中，对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵包括：
S31、空心微点阵材料在室温下，在3-5A电流下浸在电镀铜液中电镀10分钟；
S32、电镀后清水清洗，然后用防氧化液浸渍1分钟；
S33、经过清水冲洗后得到复合镀层空心微点阵。
在其中一个实施例中，所述步骤S4中，对所述复合镀层空心微点阵进行封口包括：
S41、使用AB铸工胶进行封口前，先将AB胶两种组分的胶以1:1的比例混合在一起；
S42、将复合镀层空心微点阵的缺口进行封闭；
S43、AB铸工胶固化的时间为常温下6小时。
在其中一个实施例中，所述步骤S5中，将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中包括：
S51、将至少包括石蜡和镓两种的相变材料在60℃水浴环境下熔化，将复合镀层空心微点阵也放置于同样的温度环境下；
S52、使用针管吸入融化的相变材料；
S52、将所述相变材料注入不同尺寸的所述复合镀层空心微点阵中。
一种温控系统，其包括：
金属层空心微点阵结构，所述金属层空心微点阵结构由金属层空心微点阵结构的制备方法制备而成，所述金属层空心微点阵结构的上部和下部分别具有上对流通道下对流通道，且所述金属层空心微点阵结构与热源相接触；
蠕动对流泵，所述蠕动对流泵的两端分别与所述上对流通道和所述下对流通道相连接；所述蠕动对流泵能够通过上对流通道和所述下对流通道使相变材料在所述金属层空心微点阵结构内循环蠕动。
在其中一个实施例中，所述上对流通道包括设置在所述金属层空心微点阵结构上部两端的第一强制对流管道和第二强制对流管道，所述第一强制对流管道和第二强制对流管道经第一连接管道与蠕动对流泵的一端相连接；
所述下对流通道包括设置在所述金属层空心微点阵结构下部两端的第三强制对流管道和第四强制对流管道，所述第三强制对流管道和第四强制对流管道经第二连接管道与蠕动对流泵的另一端相连接；
其中，所述第一强制对流管道、第二强制对流管道、第三强制对流管道和第四强制对流管道均与所述金属层空心微点阵结构的内部相连通。
在其中一个实施例中，所述金属层空心微点阵结构上远离热源的一端设有送风装置，所述送风装置能够对所述金属层空心微点阵结构进行强制空气对流换热。
上述空心微点阵复合材料温控系统及使用方法，当接触到热源时，一方面通过金属层空心微点阵结构的高表面积向外界传热，另一方面通过金属层空心微点阵结构内的相变材料发生相变进行吸热和放热，其能保持热源的温度缓慢变化及使最高温和最低温差值缩小，延长热源的温度疲劳寿命，其散热效率高，散热效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的金属层空心微点阵结构的结构示意图
图2是本发明的金属层空心微点阵结构的另一角度结构示意图；
图3是本发明的温控系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
参阅图1-3所示，本发明一实施例提供一种金属层空心微点阵结构的制备方法，其包括以下步骤：
S1、制备复合化学镀液；
S2、制备空心微点阵材料；
S3、对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵；S4、对所述复合镀层空心微点阵进行封口；
S5、将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中，形成金属层空心微点阵结构。
具体地，本发明的所述步骤S1中，制备复合化学镀液包括：
S11、将直径为2μm的石墨烯纳米片放入到石墨烯容器的水溶液中；
S12、依次加入质量比为1:10:10的十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水；
S13、通过超声波分散法将石墨烯纳米片进行分散，形成分散的石墨烯溶液；
S14、将合金化学镀液与分散的石墨烯溶液混合搅拌，得到均匀的复合化学镀液。
在本发明一实施例中，所述步骤S2中，制备空心微点阵材料包括：
S21、使用计算机辅助设计技术，在计算机上设计微点阵结构；本实施例中，微点阵结构包括但不限于八面体单胞、金字塔形单胞结构等。
S22、利用感光树脂的化学溶解性，采用立体光固化3D打印方法制作微点阵基体，并去除其表面的油污；本实施例中，可以使用清洗剂溶液和超声波共同作用去除微点阵基体表面可能存在的油污。
S23、在40℃下，用胶体钯溶液对所述微点阵基体表面进行活化，时间为10分钟；
S25、将所述微点阵基体置于浓度为50g/L的NaOH溶液中，室温下暴露10s，将钯纳米颗粒显露出来，钯纳米颗粒能够作为催化剂进行化学还原反应；
S26、将所述微点阵基体浸入水中3分钟进行预热，水的温度(如：90℃)与化学镀所需的温度相同；
S27、将预热后的所述微点阵基体放入所述复合化学镀液中化学镀90min，化学镀后清水冲洗；
S28、将清洗后的所述微点阵基体的部分外部节点进行打磨，暴露树脂基体，将打磨后的微点阵基体浸泡在由20g/L NaOH和700ml/L乙醇组成的化学溶液中，在60℃水浴环境中，蚀刻所述微点阵基体的内部树脂基体24h，将树脂融化于蚀刻溶液中；
S29、用清水冲洗残余树脂，得到空心微点阵材料。
在本发明一实施例中，所述步骤S3中，对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵包括：
S31、空心微点阵材料在室温下，在3-5A电流下浸在电镀铜液中电镀10分钟；如此，可以提高空心微点阵材料的导热性能。具体地，阳极用导电金属线与磷铜板相连，阴极用金属线与金属空心点阵相连，被电镀的样本与阳极板间隔3-5厘米左右，电镀时，对电镀材料进行拨动翻转，使电镀层均匀镀于空心微点阵材料上。
S32、电镀后清水清洗，然后用防氧化液浸渍1分钟；
S33、经过清水冲洗后得到复合镀层空心微点阵。在一些实施例中，还可以对空心微点阵材料进行二次化学镀操作。
在本发明一实施例中，所述步骤S4中，对所述复合镀层空心微点阵进行封口包括：
S41、使用AB铸工胶进行封口前，先将AB胶两种组分的胶以1:1的比例混合在一起；
S42、将复合镀层空心微点阵的缺口进行封闭；
S43、AB铸工胶固化的时间为常温下6小时。
在本发明一实施例中，所述步骤S5中，将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中包括：
S51、将至少包括石蜡和镓两种的相变材料在60℃水浴环境下熔化，将复合镀层空心微点阵也放置于同样的温度环境下；
S52、使用针管吸入融化的相变材料；
S52、将所述相变材料注入不同尺寸的所述复合镀层空心微点阵中。
参阅图2所示，本发明一实施例提供了一种温控系统，其包括：金属层空心微点阵结构1和蠕动对流泵9。
所述金属层空心微点阵结构1由金属层空心微点阵结构的制备方法制备而成，所述金属层空心微点阵结构1的上部和下部分别具有上对流通道下对流通道，且所述金属层空心微点阵结构1与热源7相接触；本实施例中，所述金属层空心微点阵结构1的底面可以与热源7相接触，
所述蠕动对流泵9的两端分别与所述上对流通道和所述下对流通道相连接；所述蠕动对流泵9能够通过上对流通道和所述下对流通道使相变材料2在所述金属层空心微点阵结构1内循环蠕动。即蠕动对流泵9通过蠕动等方式施加强制力，使所述金属层空心微点阵结构1内的相变材料2热传导及自然对流变为强制对流，其能增加传热效率，提高换热能力。
在本发明一实施例中，所述上对流通道包括设置在所述金属层空心微点阵结构1上部两端的第一强制对流管道3和第二强制对流管道6，所述第一强制对流管道3和第二强制对流管道6经第一连接管道10与蠕动对流泵9的一端相连接；所述下对流通道包括设置在所述金属层空心微点阵结构1下部两端的第三强制对流管道4和第四强制对流管道5，所述第三强制对流管道4和第四强制对流管道5经第二连接管道8与蠕动对流泵9的另一端相连接；其中，所述第一强制对流管道3、第二强制对流管道6、第三强制对流管道4和第四强制对流管道5均与所述金属层空心微点阵结构1的内部相连通。
在本发明一实施例中，所述金属层空心微点阵结构1上远离热源7的一端设有送风装置11(如：风扇等)，所述送风装置11能够对所述金属层空心微点阵结构1进行强制空气对流换热。所述送风装置11对于金属层空心微点阵结构1的自然风冷方式改为强制风冷方式，利用金属层空心微点阵结构1的高比表面积，采用管内循环冷却强制对流换热和外部强制风冷对流换热相结合的方式，增强金属层空心微点阵结构1的换热能力。
需要说明的是，当温控系统的金属层空心微点阵结构1接触到热源7时，一方面通过金属层空心微点阵结构1向外界传热，另一方面，通过金属层空心微点阵结构1将热量传到相变材料，并通过相变进行吸热和放热。因此，本发明的主要传热形式有：金属层空心微点阵结构1的管壁热传导，金属层空心微点阵结构1的金属层与外界的空气自然对流传热，相变材料热传导，可能存在的液体相变材料自然对流换热。
当将温控系统由被动式转化为主动冷却方式时，可提升其散热效率。即：利用蠕动对流泵9使内部相变材料2强制对流，利用外部送风装置11使金属层空心微点阵结构1与空气强制对流换热。此时，主要传热形式是：金属层空心微点阵结构1的管壁热传导、温控系统与空气强制对流换热，液体相变材料强制对流换热的综合传热形式。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种温控系统，其特征在于，包括：
金属层空心微点阵结构（1），所述金属层空心微点阵结构（1）的上部和下部分别具有上对流通道下对流通道，且所述金属层空心微点阵结构（1）与热源（7）相接触；
蠕动对流泵（9），所述蠕动对流泵（9）的两端分别与所述上对流通道和所述下对流通道相连接；所述蠕动对流泵（9）能够通过上对流通道和所述下对流通道使相变材料（2）在所述金属层空心微点阵结构（1）内循环蠕动；
所述上对流通道包括设置在所述金属层空心微点阵结构（1）上部两端的第一强制对流管道（3）和第二强制对流管道（6），所述第一强制对流管道（3）和第二强制对流管道（6）经第一连接管道（10）与蠕动对流泵（9）的一端相连接；
所述下对流通道包括设置在所述金属层空心微点阵结构（1）下部两端的第三强制对流管道（4）和第四强制对流管道（5），所述第三强制对流管道（4）和第四强制对流管道（5）经第二连接管道（8）与蠕动对流泵（9）的另一端相连接；
其中，所述第一强制对流管道（3）、第二强制对流管道（6）、第三强制对流管道（4）和第四强制对流管道（5）均与所述金属层空心微点阵结构（1）的内部相连通；
所述金属层空心微点阵结构（1）由金属层空心微点阵结构的制备方法制备而成，所述金属层空心微点阵结构的制备方法包括以下步骤：
S1、制备复合化学镀液；
S2、制备空心微点阵材料；
S3、对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵；
S4、对所述复合镀层空心微点阵进行封口；
S5、将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中，形成金属层空心微点阵结构；
所述步骤S1中，制备复合化学镀液包括：
S11、将直径为2μm的石墨烯纳米片放入到石墨烯容器的水溶液中；
S12、依次加入质量比为1:10:10的十二烷基硫酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水；
S13、通过超声波分散法将石墨烯纳米片进行分散，形成分散的石墨烯溶液；
S14、将合金化学镀液与分散的石墨烯溶液混合搅拌，得到均匀的复合化学镀液；
所述步骤S2中，制备空心微点阵材料包括：
S21、使用计算机辅助设计技术，在计算机上设计微点阵结构；
S22、利用感光树脂的化学溶解性，采用立体光固化3D打印方法制作微点阵基体，并去除其表面的油污；
S23、在40ºC下，用胶体钯溶液对所述微点阵基体表面进行活化，时间为10分钟；
S25、将所述微点阵基体置于浓度为50g/L的NaOH溶液中，室温下暴露10s，将钯纳米颗粒显露出来，钯纳米颗粒能够作为催化剂进行化学还原反应；
S26、将所述微点阵基体浸入水中3分钟进行预热，水的温度与化学镀所需的温度相同；
S27、将预热后的所述微点阵基体放入所述复合化学镀液中化学镀90min，化学镀后清水冲洗；
S28、将清洗后的所述微点阵基体的部分外部节点进行打磨，暴露树脂基体，将打磨后的微点阵基体浸泡在由20g/L NaOH和700ml/L乙醇组成的化学溶液中，在60ºC水浴环境中，蚀刻所述微点阵基体的内部树脂基体24h，将树脂融化于蚀刻溶液中；
S29、用清水冲洗残余树脂，得到空心微点阵材料；
所述步骤S3中，对所述空心微点阵材料进行铜电镀，形成加铜的复合镀层空心微点阵包括：
S31、空心微点阵材料在室温下，在3-5A电流下浸在电镀铜液中电镀10分钟；
S32、电镀后清水清洗，然后用防氧化液浸渍1分钟；
S33、经过清水冲洗后得到复合镀层空心微点阵；
所述步骤S4中，对所述复合镀层空心微点阵进行封口包括：
S41、使用AB铸工胶进行封口前，先将AB胶两种组分的胶以1:1的比例混合在一起；
S42、将复合镀层空心微点阵的缺口进行封闭；
S43、AB铸工胶固化的时间为常温下6小时；
所述步骤S5中，将相变材料注入到所述复合镀层空心微点阵中包括：
S51、将至少包括石蜡和镓两种的相变材料在60℃水浴环境下熔化，将复合镀层空心微点阵也放置于同样的温度环境下；
S52、使用针管吸入融化的相变材料；
S52、将所述相变材料注入不同尺寸的所述复合镀层空心微点阵中。
2.如权利要求1所述的温控系统，其特征在于，所述金属层空心微点阵结构（1）上远离热源（7）的一端设有送风装置（11），所述送风装置（11）能够对所述金属层空心微点阵结构（1）进行强制空气对流换热。
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