CN114131018A - 一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，包括以下步骤：将四种不同粒径大小的氯化钠颗粒分别与纳米铜粉进行球磨混合得到四种混合颗粒；将四种混合颗粒按照氯化钠颗粒的大小尺径铺设到压片模具中，最后将铜网放置到最上层；采用冷压法将混合颗粒压制成型，压制完成后保压3‑5min得到压网铜纳米堆积床；将压网铜纳米堆积床放入管式炉中真空烧结，温度为650‑750℃，时间为1.5‑2h；最后洗涤至没有氯化钠颗粒被析出得到高孔隙率的压网铜纳米堆积床散热材料。该方法能简化生产工艺，降低制备过程的难度和对仪器精度的要求；所制备得到的散热材料可应用于相变换热中，具有优异的相变换热性能，能大大提高电子器件的冷却效率。
Description
技术领域
本发明属于无机金属材料技术领域，具体涉及一种铜制散热材料的制备方法，特别涉及一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法。
背景技术
随着电子产品的日益普及，电子器件的高密度化，电子器件产生的热量也随之增大。低效的散热对电子器件会造成运行效率的大打折扣以及寿命下降的问题，因此，有效地优化散热器的结构是当务之急。
当前常见的电子器件一般都是用铜金属材料去进行散热，部分散热器件使用了肋片的结构去进行散热优化。但是此种散热优化的方式更占电子器件的空间，增大了元件尺寸，并且散热效率也是很理想。
专利号CN202110354238.4公开了一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法，该方法是先将纯铜粉与粘结剂按比例混合均匀后加水炼料获得膏状坯料，再挤压成型为整体蜂窝结构，最后通过干燥、脱粘脱碳、烧结获得铜基金属蜂窝散热材料。该方法制备得到的散热材料的换热性能较好，但是制备工序较为复杂，制备过程难度大，并且蜂窝结构需要高精度的仪器制备，否则会导致材料尺寸的较大误差。专利号CN202010206850.2公开了一种高导热耐高温复合铜合金散热材料制备方法，该方法是通过在铜粉中加入提高耐高温性的复合材料，然后经过球磨和表面熔覆后得到预制的复合铜合金散热材料，再经过热处理后得到高导热耐高温复合铜合金散热材料。该方法虽然在高温中耐热并且导热效果较好，但是当处在液态工质中时，面对相变换热时能达到的沸腾换热效果仍然是未知的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，该方法能简化生产工艺，降低制备过程的难度和对仪器精度的要求；所制备得到的散热材料可应用于相变换热中，可具有优异的相变换热性能，能大大提高电子器件的冷却效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，包括以下步骤：
a.分别过100目、150目、200目、300目的筛筛分出四种粒径大小的氯化钠颗粒，然后将四种粒径大小的氯化钠颗粒分别与500-1000nm的纳米铜粉按照一定比例放入球磨机中进行球磨15-20min，混合均匀后得到混合颗粒Ⅰ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅳ；
b.将混合颗粒Ⅳ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅰ由下到上铺设到压片模具中，共铺设四层，每层铺设厚度为2-4mm，每铺完一层后用模具压平得到铜纳米堆积床，最后将铜网放置到铜纳米堆积床的最上层；
c.采用冷压法以160-200Mpa的压强将放置有铜网的铜纳米堆积床压制成型，压制完成后保压3-5min得到压网铜纳米堆积床；
d.将压网铜纳米堆积床放入管式炉中进行真空烧结，烧结温度为650-750℃，烧结时间为1.5-2h；
e.将烧结完成的压网铜纳米堆积床进行洗涤，直至没有氯化钠颗粒被析出，最终得到高孔隙率的压网铜纳米堆积床散热材料。
优选的，步骤a中，纳米铜粉与氯化钠颗粒的质量比为1：(3-4)。
优选的，步骤b中，铜网的孔径大小为115-250μm。
优选的，步骤d中，当管式炉内的温度先上升到400℃并保温1h后，再继续升温至650-750℃。
优选的，步骤e中，洗涤过程为：先使用去离子水洗涤5min，再使用酒精洗涤5min；整个洗涤过程反复2-3次。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中氯化钠作为造孔剂，纳米铜粉与氯化钠的质量比决定了铜纳米堆积床的孔隙率大小，氯化钠作为造孔剂有着成本低廉、易清除等特点；
(2)本发明中铜纳米堆积床具有较高的孔隙率，在过热度较低时就能达到沸腾起始点，并且当气泡在内部成核点生成后，由于铜网有效地对气泡之间进行分隔，当气泡到达堆积床表面后能很快的进行气泡之间的合并，同时也减小了气泡的脱离直径，增大了脱离频率，因此，气泡到达堆积床表面后能较快地脱离堆积床表面，具有优异的沸腾换热性能；本发明制备得到的压网铜纳米堆积床的对流换热系数最大可达到9.8×104W/(m2·k)，气泡的脱离直径减小了30％，脱离频率增大了约50％，实现了换热性能的增强，能够用于电子器件的冷却；
(3)本发明简化了生产工艺，降低了制备过程的难度和对仪器精度的要求；所制备得到的散热材料可应用于相变换热中，例如计算机水冷主机以及航天仪器的快速降温，当电子器件的温度升高时，由于该种材料具有优异的相变换热性能，能够大大提高电子器件的冷却效率。
附图说明
图1为本发明实施例一制备得到的铜纳米堆积床侧面的扫描电镜图；
图2为本发明实施例一制备得到的铜纳米堆积床表面的扫描电镜图；
图3为本发明实施例一制备得到的压网铜纳米堆积床的倒置金相显微镜图；
图4为本发明实施例一所制得的压网铜纳米堆积床表面的扫描电镜图；
图5为以去离子水为介质，压网铜纳米堆积床的对流换热系数随热流密度变化的过程。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，包括以下步骤：
a.分别过100目、150目、200目、300目的筛筛分出四种粒径大小的氯化钠颗粒，然后将四种粒径大小的氯化钠颗粒分别与500nm的纳米铜粉按照一定比例放入球磨机中进行球磨20min，纳米铜粉与氯化钠颗粒的质量比为1：4，混合均匀后得到混合颗粒Ⅰ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅳ；
b.将混合颗粒Ⅳ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅰ由下到上铺设到压片模具中，共铺设四层，每层铺设厚度为2mm，每铺完一层后用模具压平得到铜纳米堆积床，最后将铜网放置到铜纳米堆积床的最上层，铜网的孔径大小为115μm；
c.采用冷压法以160Mpa的压强将放置有铜网的铜纳米堆积床压制成型，压制完成后保压3min得到压网铜纳米堆积床；
d.将压网铜纳米堆积床放入管式炉中进行真空烧结，烧结温度为700℃，烧结时间为2h；当管式炉内的温度先上升到400℃并保温1h后，再继续升温至700℃；
e.将烧结完成的压网铜纳米堆积床进行洗涤，先使用去离子水洗涤5min，再使用酒精洗涤5min，反复洗涤2-3次，直至没有氯化钠颗粒被析出，最终得到高孔隙率的压网铜纳米堆积床散热材料。
本实例制备的压网铜纳米堆积床的SEM照片如图1和图4所示，从图1中可以看出铜纳米堆积床根据氯化钠颗粒直径的分层非常明显，从图4中可以看出铜网的孔径与铜纳米堆积床的表面孔隙有着较好的匹配。从图2和图3中可以看出，在压制压力下，铜网的孔径仍然保持均匀而不受破坏。
实施例二
一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，包括以下步骤：
a.分别过100目、150目、200目、300目的筛筛分出四种粒径大小的氯化钠颗粒，然后将四种粒径大小的氯化钠颗粒分别与800nm的纳米铜粉按照一定比例放入球磨机中进行球磨17min，纳米铜粉与氯化钠颗粒的质量比为1：3.5，混合均匀后得到混合颗粒Ⅰ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅳ；
b.将混合颗粒Ⅳ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅰ由下到上铺设到压片模具中，共铺设四层，每层铺设厚度为3mm，每铺完一层后用模具压平得到铜纳米堆积床，最后将铜网放置到铜纳米堆积床的最上层，铜网的孔径大小为250μm；
c.采用冷压法以200Mpa的压强将放置有铜网的铜纳米堆积床压制成型，压制完成后保压4min得到压网铜纳米堆积床；
d.将压网铜纳米堆积床放入管式炉中进行真空烧结，烧结温度为750℃，烧结时间为1.5h；当管式炉内的温度先上升到400℃并保温1h后，再继续升温至750℃；
e.将烧结完成的压网铜纳米堆积床进行洗涤，先使用去离子水洗涤5min，再使用酒精洗涤5min，反复洗涤2-3次，直至没有氯化钠颗粒被析出，最终得到高孔隙率的压网铜纳米堆积床散热材料。
实施例三
一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，包括以下步骤：
a.分别过100目、150目、200目、300目的筛筛分出四种粒径大小的氯化钠颗粒，然后将四种粒径大小的氯化钠颗粒分别与1000nm的纳米铜粉按照一定比例放入球磨机中进行球磨15min，纳米铜粉与氯化钠颗粒的质量比为1：3，混合均匀后得到混合颗粒Ⅰ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅳ；
b.将混合颗粒Ⅳ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅰ由下到上铺设到压片模具中，共铺设四层，每层铺设厚度为4mm，每铺完一层后用模具压平得到铜纳米堆积床，最后将铜网放置到铜纳米堆积床的最上层，铜网的孔径大小为125μm；
c.采用冷压法以180Mpa的压强将放置有铜网的铜纳米堆积床压制成型，压制完成后保压5min得到压网铜纳米堆积床；
d.将压网铜纳米堆积床放入管式炉中进行真空烧结，烧结温度为650℃，烧结时间为2h；当管式炉内的温度先上升到400℃并保温1h后，再继续升温至650℃；
e.将烧结完成的压网铜纳米堆积床进行洗涤，先使用去离子水洗涤5min，再使用酒精洗涤5min，反复洗涤2-3次，直至没有氯化钠颗粒被析出，最终得到高孔隙率的压网铜纳米堆积床散热材料。
实施例一至实施例三分别制备的压网铜纳米堆积床的池沸腾换热性能如图5所示。从图5中可以看出，60目、100目、120目分别代表了铜网堆积床中压网的孔径为250μm、150μm、120μm时的池沸腾换热性能，铜网与铜网之间对气泡的合并起到了抑制作用，加速了气泡的脱离，促进了对流换热的过程。这三种目数的压网铜纳米堆积床对流换热系数分别最高可达到9.2×104W/(m2·k)、9.8×104W/(m2·k)、9.0×104W/(m2·k)，与空气散热相比，极大地提高了换热性能。
Claims (5)
1.一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.分别过100目、150目、200目、300目的筛筛分出四种粒径大小的氯化钠颗粒，然后将四种粒径大小的氯化钠颗粒分别与500-1000nm的纳米铜粉按照一定比例放入球磨机中进行球磨15-20min，混合均匀后得到混合颗粒Ⅰ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅳ；
b.将混合颗粒Ⅳ、混合颗粒Ⅲ、混合颗粒Ⅱ、混合颗粒Ⅰ由下到上铺设到压片模具中，共铺设四层，每层铺设厚度为2-4mm，每铺完一层后用模具压平得到铜纳米堆积床，最后将铜网放置到铜纳米堆积床的最上层；
c.采用冷压法以160-200Mpa的压强将放置有铜网的铜纳米堆积床压制成型，压制完成后保压3-5min得到压网铜纳米堆积床；
d.将压网铜纳米堆积床放入管式炉中进行真空烧结，烧结温度为650-750℃，烧结时间为1.5-2h；
e.将烧结完成的压网铜纳米堆积床进行洗涤，直至没有氯化钠颗粒被析出，最终得到高孔隙率的压网铜纳米堆积床散热材料。
2.根据权利要求书1所述的一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，其特征在于，步骤a中，纳米铜粉与氯化钠颗粒的质量比为1：(3-4)。
3.根据权利要求书1或2所述的一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，其特征在于，步骤b中，铜网的孔径大小为115-250μm。
4.根据权利要求书1或2所述的一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，其特征在于，步骤d中，当管式炉内的温度先上升到400℃并保温1h后，再继续升温至650-750℃。
5.根据权利要求书1或2所述的一种压网铜纳米堆积床散热材料的制备方法，其特征在于，步骤e中，洗涤过程为：先使用去离子水洗涤5min，再使用酒精洗涤5min；整个洗涤过程反复2-3次。
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