TWI412415B

TWI412415B - A composite copper powder for making the capillary structure of the inner wall of the heat pipe and a heat pipe made therefrom, a radiator

Info

Publication number: TWI412415B
Application number: TW99104385A
Authority: TW
Original assignee: Scm Metal Products Suzhou Co Ltd
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2013-10-21
Also published as: TW201127519A

Description

一種用於製造熱導管內壁毛細結構的複合銅粉及由其製成的熱導管、散熱器

本發明涉及一種複合銅粉，用於製造熱導管內壁毛細結構。所述熱導管包括普通燒結型熱導管、複合熱導管、環路熱導管(Loop heat pipe)、平板熱導管(Vapor chamber)等，可以應用於航空太空飛行、電氣、電子和機械等領域。

近年來，隨著航空太空飛行、電氣和電子領域的快速發展，尤其是半導體製造和電子封裝技術的日新月異，電子電氣元件的工作效率大幅提升。但是，在元器件快速工作運轉的同時，熱耗也在大量增加，隨之而來的器件工作壽命和工作穩定性也受到嚴重制約，據統計，每當CPU的工作溫度上升10℃，其壽命將降低50%；當電機的工作溫度上升20℃，其故障率將增加30%。因此，有效地傳導和處理這部分熱耗，對於保證器件的工作穩定性和壽命至關重要。

現今主流的散熱器件包括：散熱風扇、散熱片、散熱模組和散熱器等。其中的散熱片、散熱模組和散熱器的核心傳熱部件為熱導管。熱導管由金屬管和管內壁的毛細結構層組成，其內部包含散熱流體，當熱導管一端受熱時，流體吸收熱量氣化形成高溫氣體，熱導管另一端由於溫度較低使高溫氣體冷凝成液態流體，液態流體在毛細結構層的毛細力作用下返回受熱端，如此反覆，形成連續的相變傳熱系統。

熱導管的應用非常廣泛，並正在不斷擴大，目前主要應用於以下幾方面：(1)宇航工程，如電子艙冷卻散熱和飛船表面的均溫；(2)節能工程，如各種煙道氣和空調排氣的餘熱回收；(3)電子器件，如LED和電腦元器件散熱；(4)電氣系統，如引擎或電機的冷卻；(5)機械加工，如鑄型和刀具的冷卻。

由於銅具有優異的傳熱特性和相對較低的價格優勢，而成為製造熱導管的主要金屬。對於熱導管內壁的毛細結構層一方面要求其具有很高的孔隙率以保證有足夠的熱源接觸面積；另一方面，要求毛細結構材料內部的孔隙連通好且具有高的毛細力，以保證某些器件中的液態散熱流體或介質能順利和快速地通過。

目前，市售的銅粉在震實燒結(燒結溫度為900-1050℃)後的孔隙率低於55%，孔隙連通率小於85%，用來評定毛細力的吸水速率實驗值也低於2.4mm/sec，已應用於中低端器件的熱導管的製造，但卻無法滿足高端產品的需求。

美國專利4885129公開了一種導熱管的製造方法，其將鎳粉和水、水溶性樹脂和纖維素醚混合在一起，然後將旋轉混合物塗覆在不銹鋼管內壁，最後減壓加熱形成金屬內壁。由於其工序複雜，不太適合導熱管的製作(商業銅熱導管是直接將銅粉填入震實後燒結而成的，無需溶液塗覆)，同時毛細結構層空隙率和導熱管的導熱效果也未提及。

美國專利6087024公開了一種利用非水性系統製造多孔結構的方法，其先將氫氧化物和帶氫的矽氧烷混合，再與金屬粉或陶瓷粉以及催化劑混合，形成帶金屬/陶瓷的聚矽氧烷聚合物，最後燒結形成多孔結構，適於製造反應性金屬的多孔結構層(例如鎂和鋁)。由於其工序複雜，不太適合導熱管的製作，同時毛細結構層空隙率和導熱管的導熱效果也未提及。

中國專利200610156330.5也提出一種高孔隙率金屬多孔載體材料的製備方法，但是其燒結過程還需多階段保溫，用於特殊物質的吸附儲存和催化劑載體，導熱性能未知。不適於製造導熱管。

因此，需要一種複合銅粉，使得在無需更改現有導熱管製造工藝的情況下，能夠產生更有利的內壁毛細結構層，提高導熱管的導熱效率。

本發明的目的是提供一種用於製造熱導管內壁毛細結構層的複合銅粉，該複合銅粉經震實燒結後，具有很高的孔隙率、孔隙連通率和毛細力，可大大提高熱導管的散熱效率。本發明目的通過以下方案實現：一種用於製造熱導管內部毛細結構的複合銅粉，該複合銅粉為銅粉和造孔劑粉末組成的混合物。所述銅粉可以選自氣霧化銅粉、水霧化銅粉、還原銅粉和電解銅粉。

優選地，所述銅粉的粉末粒度範圍在30μm-600μm，其中優選100-400μm。

優選地，所述銅粉為團化粉和單顆粒非團化粉，其中優選單顆粒非團化粉。非團化粉和團化粉毛細結構相同，但是非團化粉的通孔率要好，因此優選單顆粒非團化粉。

優選地，所述造孔劑粉末為分解溫度不高於700℃的化合物。

優選地，所述造孔劑粉末選自由下述化合物組成的組中的一個或多個：碳酸銨、碳酸氫銨、硫酸銅、碳酸銅、氫氧化銅、亞硝酸銨、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二異丁腈、二亞硝基五亞甲基四胺、偶氮二甲醯胺、二璜醯肼、尿素、石蠟和甲基纖維素。

優選地，所述造孔劑粉末的粒度範圍為30μm-500μm，其中優選30-200μm。

優選地，所述造孔劑粉末的添加量為複合銅粉總重量的0.1%-50%，其中進一步優選1%-50%，更進一步優選1%-20%。

對於不同種類的銅粉所用的造孔劑體系可以完全相同，其中最理想的造孔劑為選自由下述化合物組成的組中的一個或多個：尿素、石蠟、聚乙二醇、聚乙烯醇、碳酸銨和甲基纖維素。出於成本、環保、安全性和穩定性等穩定性總和考慮，以上優選造孔劑性價比更高。

使用本發明的複合銅粉，使得在無需更改現有導熱管製造工藝的情況下，能夠產生更有利的毛細結構層。本發明所獲得的複合銅粉經震實燒結後，製成高孔隙率的毛細結構層，其有效孔隙率、通孔率和毛細力可在原有純銅粉的基礎上得到明顯提高，從而大大提高了熱導管的傳熱效率。另外，根據本發明的特別優選的實施例，可以製造散熱性極好的高端導熱管。

本發明的另一個目的是提供一種具有良好散熱效率的熱導管。該目的通過使用下述熱導管實現，該導熱管為一種帶有有利的內壁毛細結構的熱導管，該內壁毛細結構由複合銅粉燒結製成。

本發明的另一個目的是提供一種高效散熱器，該目的通過使用下述熱導管實現，其由帶有有利的內壁毛細結構的熱導管製成，該內部毛細結構由複合銅粉燒結製成。

下面對本發明的優選實施例進行詳細的描述。但是本領域技術人員能夠理解，本發明並不局限於具體的實施例。

表1示出了本發明使用的造孔劑的分解溫度。可以看出，本發明使用的造孔劑為分解溫度不高於700℃的化合物。

將一定比例的造孔劑粉末加入銅粉中(所用的銅粉為單顆粒銅粉)，使銅粉與造孔劑粉末均勻混合，製備出複合銅粉。

複合銅粉在模具中震實後，在氫氣還原爐中950℃燒結30分鐘，測量孔隙率(P_tal )、通孔率(R_c )和毛細吸水速率(S_p )。

同時，為了對比的目的，每一實施例中均包括不加造孔劑的對比試樣，以方便與本發明所得到的實驗結果進行對比。

孔隙率定義為銅粉燒結後毛細結構燒結體內空孔的體積在總體積中所占的比值。其測量方法為將待測規則形狀毛細結構樣品置於天枰上，得到其重量m₁ ，用卡尺測量毛細結構樣品的尺寸可算出其總體積V_tal ，銅的密度為8.96g/cm³ ，孔隙率為：

通孔率表示毛細結構燒結體中能與外界連通的空孔占全部空孔的比值。其測量方法為將毛細結構燒結體浸置於水中，待其吸水飽和後取出，稱其重量為m₂ ，水的密度為1.00g/cm³ ，通孔率為：

毛細吸水速率表示燒結毛細內毛細力的大小，通過測量在毛細力作用下垂直於水平面的毛細結構體內的水流速度來表徵。

水霧化銅粉

實施例1中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率變化不大，毛細吸水速率稍有提高。

實施例2中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高109%。

實施例3中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高66.7%。

實施例4中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率變化不大，毛細吸水速率稍有提高。

實施例5中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率有一定提高，毛細吸水速率提高29.6%。

實施例6中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率變化不大，毛細吸水速率稍有提高。

實施例7中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率有一定提高，毛細吸水速率提高30%。

實施例8中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高113%。

實施例9中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高66.7%。

實施例10中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高78.3%。

氣霧化銅粉

實施例11中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率、毛細吸水速率基本不變。

實施例12中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高36.4%。

實施例13中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高84.2%。

實施例14中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率變化不大，毛細吸水速率稍有提高。

電解銅粉

實施例15中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率、毛細吸水速率基本不變。

實施例16中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高233%。

實施例17中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高433%。

還原銅粉

實施例18中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率、毛細吸水速率基本不變。

實施例19中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高107%。

實施例20中，與對比實驗相比，孔隙率、通孔率大大提高，毛細吸水速率提高150%。

從表2還可以看出，複合銅粉的鬆裝密度範圍為1.2g/cm³ -3.4g/cm³ 。

儘管前述內容描述了本發明的特定實施例，應當理解這些實施例的組合、變化和子集是可以預計的。例如，應當理解，儘管此處的實施例涉及複合銅粉，這些實施例可以修改為用於製造導熱管和散熱器。

另外，也可以理解，本發明也可以用於製造其他複合金屬粉，該複合金屬粉可以用於製造理想的毛細結構(空隙率、通孔率以及毛細吸水率較高)，該複合金屬粉為金屬粉和造孔劑粉末組成的混合物，所述金屬粉可以是鐵粉、不銹鋼粉、鋅粉、鋁粉以及合金粉。

Claims

一種用於製造熱導管內部毛細結構的複合銅粉，該複合銅粉為銅粉和造孔劑粉末組成的混合物，所述銅粉的粉末粒度範圍在30μm-600μm；所述造孔劑粉末的粒度範圍為30μm-500μm。
根據申請專利範圍第1項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述銅粉選自氣霧化銅粉、水霧化銅粉、還原銅粉和電解銅粉。
根據申請專利範圍第2項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述銅粉的粉末粒度範圍在100-400μm；所述造孔劑粉末的粒度範圍為30-200μm。
根據申請專利範圍第2項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述銅粉為團化粉和單顆粒非團化粉。
根據申請專利範圍第2項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述銅粉為單顆粒非團化粉。
根據申請專利範圍第1項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述造孔劑粉末為分解溫度不高於700℃的化合物。
根據申請專利範圍第1項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述造孔劑粉末選自下述化合物組成的組中一個或多個：碳酸銨、碳酸氫銨、硫酸銅、碳酸銅、氫氧化銅、亞硝酸銨、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二異丁腈、二亞硝基五亞甲基四胺、偶氮二甲醯胺、二璜醯肼、尿素、石蠟和甲基纖維素。
根據申請專利範圍第7項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述造孔劑粉末選自由下述化合物組成的組中的一個或多個：尿素、石蠟、聚乙二醇、聚乙烯醇、碳酸銨和甲基纖維素。
根據申請專利範圍第6項至第8項其中任一項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述造孔劑粉末的添加量為複合銅粉總重量的0.1%-50%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述造孔劑粉末的添加量為複合銅粉總重量的1%-50%。
根據申請專利範圍第10項所述的複合銅粉，其特徵在於，所述造孔劑粉末的添加量為複合銅粉總重量的1%-20%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，對於銅粉為水霧化銅粉的情況，造孔劑粉末為尿素和聚乙烯醇混合物。
根據申請專利範圍第12項所述的複合銅粉，其特徵在於，尿素的添加量為複合銅粉總重量的2%，聚乙烯醇混合物的添加量為複合銅粉總重量的15%。
根據申請專利範圍第12項所述的複合銅粉，其特徵在於，尿素的添加量為複合銅粉總重量的10%，聚乙烯醇混合物的添加量為複合銅粉總重量的40%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，對於銅粉為水霧化銅粉的情況，造孔劑粉末為石蠟。
根據申請專利範圍第15項所述的複合銅粉，其特徵在於，石蠟的添加量為複合銅粉總重量的5%。
根據申請專利範圍第15項所述的複合銅粉，其特徵在於，石蠟的添加量為複合銅粉總重量的50%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，對於銅粉為水霧化銅粉的情況，造孔劑粉末為氫氧化銅和聚乙烯醇，其中，氫氧化銅添加量為複合銅粉總重量的5%，聚乙烯醇添加量為複合銅粉總重量的14%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，對於銅粉為氣霧化銅粉的情況，造孔劑粉末為甲基纖維素。
根據申請專利範圍第19項所述的複合銅粉，其特徵在於，甲基纖維素的添加量為複合銅粉總重量的50%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，對於銅粉為電解化銅粉的情況，造孔劑粉末為石蠟和偶氮二異丁腈的混合物。
根據申請專利範圍第21項所述的複合銅粉，其特徵在於，石蠟的添加量為複合銅粉總重量的5%，偶氮二異丁腈的添加量為複合銅粉總重量的15%。
根據申請專利範圍第21項所述的複合銅粉，其特徵在於，石蠟的添加量為複合銅粉總重量的15%，偶氮二異丁腈的添加量為複合銅粉總重量的35%。
根據申請專利範圍第9項所述的複合銅粉，其特徵在於，對於銅粉為還原銅粉的情況，造孔劑粉末為碳酸銨、聚乙烯醇和尿素的混合物。
根據申請專利範圍第24項所述的複合銅粉，其特徵在於，碳酸銨的添加量為複合銅粉總重量的2%，聚乙烯醇的添加量為複合銅粉總重量的3%，尿素的添加量為複合銅粉總重量的5%。
根據申請專利範圍第24項所述的複合銅粉，其特徵在於，碳酸銨的添加量為複合銅粉總重量的15%，聚乙烯醇的添加量為複合銅粉總重量的30%，尿素的添加量為複合銅粉總重量的5%。
根據申請專利範圍第1項所述的複合銅粉，其特徵在於，複合銅的鬆裝密度範圍為1.2g/cm³ -3.5g/cm³ 。
一種帶有內壁毛細結構的熱導管，該內壁毛細結構由申請專利範圍第1項至第27項其中任一項所述的複合銅粉燒結製成。
一種高效散熱器，其由帶有內部毛細結構的熱導管製成，該內部毛細結構由申請專利範圍第1項至第27項其中任一項所述的複合銅粉燒結製成。