一種銅粉燒結和高孔隙泡沫銅復合熱管的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種銅粉燒結和高孔隙泡沫銅復合熱管的制造方法。其改變了熱管內吸液芯設計的單一性，而根據熱管的不同部分所起作用或功能的差異，形成由不同孔隙率組成的燒結銅和泡沫銅復合結構，該制造方法制得的熱管具有在蒸發端加速液-汽轉變、在絕熱端和冷凝端加速冷凝后液相的回流，減少液相回流的熱阻，提高介質液-汽相循環速度，實現快速導熱和散熱的作用。
【背景技術】
[0002]自1963年熱管發明以來，從早期的航空航天應用逐步發展到民用領域，因為熱管充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質，其導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力的數倍到數百倍，為高速發展的半導體、電子器件高功率、集成化提供了快速導熱和散熱的保證，確保其工作的穩定性和可靠性。熱管是一種具有極高導熱性能的新型傳熱元件，具有快速的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、溫度可控制等特點。將熱管散熱器的基板與晶閘管、IGBT、IGCT等大功率電力電子器件的管芯緊密接觸，可直接將管芯的熱量快速導出。一般熱管由管殼和吸液芯密封而成。熱管內部是被抽成負壓狀態，充入適當的液體介質，這種液體介質在負壓下，沸點大大降低，非常容易發生液汽相變，從而傳導其由相變轉化時產生的大量潛熱。
[0003]管內壁上有吸液芯，通常由多孔材料或多孔結構構成，因為多孔材料具有良好的毛細吸力，多孔結構也易產生相應的毛細現象。吸液芯是熱管的一個重要組成部分。吸液芯的結構形式將直接影響到熱管和熱管換熱器的性能。當熱管一端受熱作為蒸發段，蒸發段通常跟熱源連接，當其受熱時，毛細管中的液體迅速形核并氣化，蒸氣在微小的壓力差下流向另外一端為散熱的冷凝段，因溫度變化，發生汽液相變，釋放出熱量，并重新凝結成液體，液體再沿附著在管內壁的多孔材料依靠毛細力的作用流回蒸發段，形成由液到汽，再從汽到液的快速循環。這個循環受熱端的熱量作用，快速進行，將熱量由熱管的蒸發段快速傳至另外一端的冷凝段，如冷凝段的熱量如能快速散去，就能加速這個循環的進行。這樣實現了將蒸發段的熱量源源不斷地傳導開來，確保受熱的蒸發段這一熱源的溫度在合適的工作范圍內。所以決定熱管散熱效率的關鍵因素之一是吸液芯的結構。近年來隨著熱管技術的發展，各國研究者在吸液芯結構和理論研究方面做了大量工作，得出具有優良傳熱性能的熱管，其吸液芯應具備下列特征:(I)足夠大的毛細吸力，或較小的管芯有效孔徑，便于液汽轉變時氣相的形核與生長；(2)較小的液體流動阻力，即有較高的滲透率，便于液相快速回流和快速循環形成；(3)良好的傳熱特性，即有小的徑向熱阻；(4)良好的工藝重復性及可靠性，制造工藝簡單，價格便宜。
[0004]但從通常IT應用的微型熱管技術來說，大致經歷了下列幾個階段，從早期的溝槽結構的熱管過渡到編織銅網結構的熱管，從編織銅網結構的熱管到目前最常用的直接采用霧化的微米級銅粉高溫燒結形成的多孔燒結銅吸液芯微型熱管。但由于燒結銅粉的孔隙率大致在40-50%，在加熱蒸發段孔隙率相對低孔徑小，毛細吸力明顯，有利于液相介質的蒸發，但在加熱蒸發段以外的冷凝段和絕熱段的相變循環過程中如果采用燒結銅吸液芯，將造成液相回流熱阻相對大。如何解決吸液芯回流熱阻大這個影響散熱效果的關鍵問題？提出了本發明的一種由銅粉燒結和高孔隙泡沫銅復合結構的熱管制造方法。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是針對如何改善加熱蒸發段以外的冷凝段和絕熱段的吸液芯的毛細結構提出的，因為燒結銅孔隙率低，通常在40-50%范圍內，所以回流時熱阻相對大，且速度慢，影響液相介質相變的循環速度。如果進一步提高孔隙率采用高孔隙率的泡沫銅是否能夠解決這一問題？通過大量的研究發現，江蘇格業新材料科技有限公司生產的分級構造泡沫銅，其孔徑可控在300納米至I毫米范圍內，孔隙率可根據要求在高達60-95%范圍內選取，該分級構造的泡沫銅具有優良的毛細吸力，且與燒結銅部分結合良好，非常好的解決冷凝段汽液相變后，液相快速回流熱阻大的難題。
[0006]熱管內的吸液芯將由燒結銅和泡沫銅復合結構組成。即在熱管的加熱蒸發段采用燒結銅結構，采用與常規的燒結銅熱管相似的方法，將霧化的微米級銅粉燒結在銅管的內壁蒸發段的部分；而熱管的其他部分即絕熱段和冷凝段，將采用江蘇格業新材料科技有限公司生產的分級構造的高孔隙率的泡沫銅，該泡沫銅采用與蒸發段相同的熱機械處理工藝，經高溫還原氣氛下，將泡沫銅燒結在銅管內壁的其余部分，形成了吸液芯部分由低孔隙率的燒結銅和高孔隙率的分級構造泡沫銅的復合結構。這樣就實現了熱管在加熱蒸發段具有相對低孔隙率和小的孔徑，形成明顯的毛細吸力，有利于液相介質的快速蒸發，當蒸汽通過蒸汽腔傳輸到冷凝段，熱量釋放，發生汽-液轉變后，液相介質將通過高孔隙率且具有很好毛細吸力的分級構造的泡沫銅快速回流到蒸發段，加快了蒸汽在冷凝段轉變為液相后的回流速度，大大降低了冷凝段和絕熱段液體介質回流的熱阻，加快了液體介質在熱管內相變的循環速度，提高了散熱效率，有效解決高發熱量電子元件所需快速導熱和散熱問題。
【附圖說明】
[0007]圖1是分級構造泡沫銅微結構掃描電鏡照片。
[0008]圖2在銅管內銅粉和泡沫銅的復合結構特征的示意圖。注意需要將泡沫銅與中間柱一并置入，其中泡沫銅在銅管下端合適的位置，然后再注入銅粉。
[0009]圖3制成的燒結銅和泡沫銅復合結構吸液芯熱管的剖視圖。
[0010]圖4燒結銅和泡沫銅復合結構吸液芯熱管外形圖。與常規的燒結銅熱管相似，但需標注蒸發端和冷凝端，確保后續散熱模組組裝時不會搞錯。
[0011]具體實例
以下是吸液芯為燒結銅和泡沫銅復合結構，設計厚度為0.5毫米，采用直徑為6 mm和8 mm的純銅管，總長為260 mm,其中加熱段長為50 mm的微型熱管。
[0012](I)根據所選純銅管的直徑為6或8毫米、壁厚為0.3毫米的銅管，長度需考慮后續焊接等要求，根據經驗適當延長至266 mm,并清洗干燥；
(2)根據加熱蒸發段長度50 mm,計算所需銅粉的厚度，其中燒結銅的孔隙率按照48%計算所需銅粉的量，其余部分為泡沫銅，泡沫銅總長為210mm，根據內徑計算泡沫銅的剪切寬度，選用的分級構造泡沫銅的孔隙率在75-76%，此外主要這一端將在后續工序中進行縮頸處理，所以離端頭預留6 _。根據計算，選用的中間柱直徑分別為4.4 _或6.4 _的不銹鋼或氧化鋁陶瓷，并進行泡沫銅的卷曲并置入銅管相應的位置；
(3)銅粉所選用粒度為150-200目的霧化球狀純銅粉，根據計算，稱量所需的銅粉的質量，將銅粉加入泡沫銅的上端，并振動緊實。
[0013](4)推入還原爐進行高溫還原燒結，首先低溫下采用氮氣洗爐，當溫度達500°C以上通入氫<氮混合氣氛,進行高溫還原燒結的熱機械處理,氫<氮混合比