CN220295827U - 一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，包括可快拆快装的感应加热炉上腔室、真空气压浸渗炉下腔室、真空系统、充气系统和电气控制系统；所述感应加热炉上腔室为中频感应炉，包括中频感应炉炉壳、金属熔化坩埚和感应线圈；感应加热炉上腔室通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；所述真空气压浸渗炉下腔室，包括充气接口、真空接口、石墨发热体、浸渗复合模具和钟罩式保温筒等。1台感应加热炉上腔室能够与2‑5台气压浸渗炉下腔室组合，进行步进生产。通过该装置可以进行高效低成本生产高导热金属基复合材料，设备成本和使用成本低。

Description

一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗 装置

技术领域

本实用新型属于金属基复合材料的制备装置技术领域，具体涉及一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，是一种用于气压浸渗法制备高导热金属基复合材料的分体式压力浸渗装置。

背景技术

随着电子设备朝着高性能、小型化和高度集成化方向快速发展，电子元器件的功率密度越来越大、单位面积的发热量迅速攀升，散热问题已成为制约电子信息产业发展的技术瓶颈之一。

为提高电子元器件的工作稳定性和安全可靠性，高性能热管理材料应运而生，它能够将电子元器件产生的多余热量及时排除，使温度始终保持在正常工作允许的范围内。热管理材料通常需具备较高的热导率，与半导体器件相匹配的热膨胀系数以及轻量化和高强度等特点。

高导热金属基复合材料，如碳化硅/铝，碳化硅/铜、碳化硅/镁、金刚石/铝、金刚石/铜、金刚石/银、高导热石墨纤维/铝、高导热石墨纤维/铜等由于热导高、膨胀系数低、密度低于其他常用高导热材料，是最具有潜力的新型热管理材料。高导热金属基复合材料主要的制备方法有粉末冶金法、放电等离子烧结和压力浸渗法等。其中，压力浸渗法操作性强，材料致密度高，综合性能好。因此，与压力浸渗有关的技术及装置成为近年研究的重点方向。

目前已有相关的研究，例如中国专利公开号CN114592140A一种银基复合材料的制备方法，公开了一种银基复合材料压力浸渗装置，该装置包括呈一体式结构的加热炉上腔和加热炉下腔，上腔室银液熔化流入下腔室的金刚石粉料后，取出被银液覆盖的金刚石粉料，转移至压力机的模具中进行高压机械渗银压铸；但该装置存在以下不足：①由于银液温度高，凝固温度也高，银液转移过程中很容易发生前端银液凝固，影响压铸效果；②机械高压通常压力不均衡；③机械高压制备小型、薄壁件时较为困难。

又例如中国专利申请号ZL200820028162.0一体化镁基复合材料制备装置，公开了一种一体化镁基复合材料气压浸渗装置，该装置将镁合金熔炼、浇注、气压浸渗、挤压四种工艺在一个完全密封的一体化装置内完成；但该装置存在以下不足：①对设备要求高，制备成本高；②由于熔炼装置采用电阻加热，加热效率低，金属容易氧化；③金属液输送路径较长，流速有限，在不加保温装置时，镁液易在导液管中凝固，阻碍浸渗过程。

因此，亟需研发一套压力浸渗装置，在压力均匀分布、浸渗充分的同时，能够缩短制备周期，提高生产效率，降低制备成本。

实用新型内容

针对现有技术的以上不足，本实用新型提供了一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，在压力均匀分布、浸渗充分的同时，能够缩短制备周期，提高生产效率，降低制备和使用成本。

为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，包括可快拆快装的感应加热炉上腔室、真空气压浸渗炉下腔室、真空系统、充气系统和电气控制系统；其中的真空气压浸渗炉下腔室与真空系统、充气系统连接，电气控制系统控制整个分体式双温区压力浸渗装置；

所述的感应加热炉上腔室为中频感应炉，从外至内依次是中频感应炉炉壳、感应线圈和金属熔化坩埚；所述的感应加热炉上腔室通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；

所述的真空气压浸渗炉下腔室，从外至内依次是钟罩式保温筒、石墨发热体、浸渗复合模具；所述的真空气压浸渗炉下腔室的底部设置充气接口和真空接口；

在感应加热炉上腔室的底部与真空气压浸渗炉下腔室的钟罩式保温筒顶部均设置有金属液体流通小孔，感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室通过旋入式卡槽配合连接；

所述的感应加热炉上腔室1台与真空气压浸渗炉下腔室2-5台组合，进行步进生产。

进一步地，所述感应加热炉上腔室设置有提升杆，提升杆从感应加热炉上腔室顶部穿过熔金属坩埚底部与流通小孔对应。

进一步地，所述真空气压浸渗炉下腔室设置有炉盖，真空气压浸渗炉下腔室与炉盖通过旋入式卡槽配合连接。

进一步地，所述真空气压浸渗炉下腔室的浸渗复合模具，包括石墨坩埚和成形模具。

进一步地，所述真空气压浸渗炉下腔室中的钟罩式保温筒的内外层均为金属薄板，金属薄板采用铆接或焊接工艺连接，在两层薄板之间填充有保温材料。

进一步地，所述感应加热炉上腔室和真空气压浸渗炉下腔室均为双层水循环金属壳体。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，所述的分体式双温区压力浸渗装置的感应加热炉上腔室采用感应加热，加热速度快、效率高、加热过程中金属基体不容易氧化；所述的分体式双温区压力浸渗装置的下腔室为真空气压浸渗炉，工作时气压均匀分布，可保证金属基体溶液浸渗充分。

2、本实用新型的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，感应加热炉上腔室与真空气压浸渗炉下腔室通过旋入式卡槽配合连接，满足抽真空和充气时上下腔室连接处密封要求；同时，满足加热炉上腔室快拆快装要求。当上腔室完成基体金属的熔炼、浇注任务后即被快速拆挪，然后迅速将真空气压浸渗炉下腔室的炉盖旋入，密封下腔室，在下腔室内完成气压浸渗任务。与常规的气压浸渗一体化装置相比(例如中国专利申请号ZL200820028162.0)，本实用新型的分体式双温区压力浸渗装置的气压浸渗部分装置的尺寸明显减小，设备制造、维护和运营成本显著降低。同时，与机械加压浸渗装置相比(例如中国专利公开号CN114592140A)，本装置无需转移金属熔液，有效避免了转移过程中金属熔液氧化和凝固问题。

3、本实用新型的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，由于感应加热炉上腔室可以在0.5小时左右熔化金属基体，而且可以快拆快装，而真空气压浸渗炉下腔室预热、浸渗和模具冷却所需时间通常长达数小时，因此1台感应加热炉上腔室能够与2-5台真空气压浸渗炉下腔室组合，进行步进生产，设备效能和产能明显提高。

附图说明

图1为本实用新型一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置的结构示意图；

图2为本实用新型一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置的撤除感应加热炉上腔室后的结构示意图。

其中，附图中标记为：

1、感应加热炉上腔室；2、真空气压浸渗炉下腔室；3、中频感应炉炉壳；4、熔金属坩埚；5、感应线圈；6、充气接口；7、真空接口；8、石墨发热体；9、成形模具；10、钟罩式保温筒；11、流通小孔；12、炉盖；13、石墨坩埚；14、提升杆。

具体实施方式

以下通过实施例进一步详细描述本实用新型，但这些实施例不应认为是对本实用新型的限制。

实施例：

一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，示意图如图1-2所示：

参照图1-2，本实用新型的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置包括可快拆快装的感应加热炉上腔室1、真空气压浸渗炉下腔室2、真空系统、充气系统和电气控制系统；

所述感应加热炉上腔室1为中频感应炉，包括中频感应炉炉壳3、金属熔化坩埚4和感应线圈5；感应加热炉上腔室1通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；所述真空气压浸渗炉下腔室2从外至内依次是钟罩式保温筒10、石墨发热体8和浸渗复合模具；所述的真空气压浸渗炉下腔室2的底部设置充气接口6和真空接口7；

在感应加热炉上腔室底部与真空气压浸渗炉下腔室的钟罩式保温筒顶部均设置有金属液体流通小孔11，感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2通过旋入式卡槽配合连接；旋入式卡槽配合连接可满足感应加热炉上腔室1快拆快装要求；同时，满足抽真空和充气时感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2连接处密封要求；电缆做快拆快接结构是为了金属基体熔化浇注后能够快速拆挪感应加热炉上腔室1，避免拆挪过程中真空气压浸渗炉下腔室2温度的大幅波动和氧气进入；

感应加热炉上腔室1内设置提升杆14，提升杆14从感应加热炉上腔室1顶部穿过熔金属坩埚4底部与流通小孔11对应；

真空气压浸渗炉下腔室2设置炉盖12，真空气压浸渗炉下腔室2与炉盖12通过旋入式卡槽配合连接，该连接可在充气和抽真空时保证真空气压浸渗炉下腔室2和真空气压浸渗炉炉盖12连接部位的密封性；真空气压浸渗炉下腔室2的浸渗复合模具包括石墨坩埚13和成形模具9，钟罩式保温筒10内外层为金属薄板，金属薄板采用铆接或焊接工艺连接，在两层薄板之间填充有保温材料，感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2均为双层水循环金属壳体；

将增强相，如碳化硅颗粒、金刚石颗粒、立方氮化硼颗粒、氮化硅颗粒、氮化铝颗粒或高导热石墨纤维等，放入成形模具9中，再一起放入分体式双温区压力浸渗装置真空气压浸渗炉下腔室2腔室的石墨坩埚13内；将金属块，如纯铝或铝合金、纯镁或镁合金、纯银或银合金、纯铜或铜合金等，置于感应加热上腔室1的熔金属坩埚4内；通过真空系统从真空接口7对感应加热炉上腔室1和真空气压浸渗炉下腔室2同时抽真空，当腔内真空度降至10-10^{- 2}Pa后，启动加热装置使上下腔室达到各自设定的温度进行恒温；恒温结束后，提起感应加热炉上腔室1的熔金属坩埚4中的提升杆14，使感应加热炉上腔室1腔室的金属熔液自流通小孔11流入真空气压浸渗炉下腔室2腔室的成形模具13中；随后停止感应加热炉上腔室1腔室加热，再停止抽真空，从真空气压浸渗炉下腔室2腔室充气接口6充入高纯惰性气体，待上下腔室至常压后停止充气；

快速撤除感应加热炉上腔室1，旋入真空气压浸渗炉下腔室的炉盖12；从充气接口6向真空气压浸渗炉下腔室2腔室通入高压高纯惰性气体至5-20MPa后，基体金属熔液在气体压力作用下浸渗到增强相孔隙中，恒温恒压5min～30min后再关闭加热电源随炉冷却，获得高导热低膨胀金属基复合材料；

所述的1台感应加热炉上腔室1与2-5台真空气压浸渗炉下腔室2组合，进行步进生产。

上述实施例为本实用新型的优选实施例，凡与本实用新型类似的结构及所作的等效变化，均应属于本实用新型的保护范畴。

Claims (6)

1.一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，其特征在于：包括可快拆快装的感应加热炉上腔室(1)、真空气压浸渗炉下腔室(2)、真空系统、充气系统和电气控制系统；其中的真空气压浸渗炉下腔室(2)与真空系统、充气系统连接，电气控制系统控制整个分体式双温区压力浸渗装置；

所述的感应加热炉上腔室(1)为中频感应炉，从外至内依次是中频感应炉炉壳(3)、感应线圈(5)和熔金属坩埚(4)；所述的感应加热炉上腔室(1)通过电缆与中频电源连接，其中电缆为快拆快接结构；

所述的真空气压浸渗炉下腔室(2)，从外至内依次是钟罩式保温筒(10)、石墨发热体(8)、浸渗复合模具；所述的真空气压浸渗炉下腔室(2)的底部设置充气接口(6)和真空接口(7)；

在感应加热炉上腔室(1)的底部与真空气压浸渗炉下腔室(2)的钟罩式保温筒(10)的顶部均设置有金属液体流通小孔(11)，感应加热炉上腔室(1)和真空气压浸渗炉下腔室(2)通过旋入式卡槽配合连接；

所述的感应加热炉上腔室(1)1台与真空气压浸渗炉下腔室(2)2-5台组合，进行步进生产。

2.根据权利要求1所述的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，其特征在于：所述感应加热炉上腔室(1)设置有提升杆(14)，提升杆(14)从感应加热炉上腔室(1)顶部穿过熔金属坩埚(4)底部与流通小孔(11)对应。

3.根据权利要求2所述的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，其特征在于：所述真空气压浸渗炉下腔室(2)设置有炉盖(12)，真空气压浸渗炉下腔室(2)与炉盖(12)通过旋入式卡槽配合连接。

4.根据权利要求1所述的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，其特征在于：所述真空气压浸渗炉下腔室(2)的浸渗复合模具，包括石墨坩埚(13)和成形模具(9)。

5.根据权利要求1所述的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，其特征在于：所述真空气压浸渗炉下腔室(2)中的钟罩式保温筒(10)的内外层均为金属薄板，金属薄板采用铆接或焊接工艺连接，在两层薄板之间填充有保温材料。

6.根据权利要求1所述的一种制备高导热金属基复合材料的分体式双温区压力浸渗装置，其特征在于：所述感应加热炉上腔室(1)和真空气压浸渗炉下腔室(2)均为双层水循环金属壳体。