CN113290248A - 一种多层结构金属毛细芯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种多层结构金属毛细芯的制备方法，其具体步骤如下：A.将金属粉末和有机添加剂溶液按比例混合配置成悬浮液；B.将配置好的悬浮液涂覆在多孔金属内芯(1)外表面形成第一修饰层(2)和致密金属管(6)内表面形成第二修饰层(5)，并置于高温炉中进行第一步烧结；C.将烧结后的致密金属管(6)和多孔金属内芯(1)组装，在其腔体中填装金属粉末形成毛细层(4)，并在高温炉中进行第二次烧结，烧结完毕后即得到毛细芯材料。本发明通过在致密金属管内壁做预涂层，提升毛细层与金属外管的结合力，减缓其轴向收缩，在轴向上自然形成蒸汽流道，实现毛细芯的双孔径结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种多层结构金属毛细芯的制备方法，特别是一种在毛细层能形成轴向蒸汽流道的毛细芯的制备方法。
技术背景
蒸发器表面受到加热载荷，热量传到毛细芯表面，毛细芯孔隙结构内的工质液体受热在蒸发器内的毛细芯外表面蒸发，产生使工质循环的毛细力，同时在蒸汽槽道内聚集，途经蒸汽管线，进入冷凝器冷凝并过冷，最后经液体管线回流进入储液器，经毛细芯抽吸到表面蒸发，由此完成一个循环。
目前，俄罗斯、美国的相关研究中心已经形成了从研究设计到开发制作，从组装测试到运行检测的一整套成熟的环路热管研发体系。在我国，中国空间技术研究院等单位可以成规模制造常规的热管，但在微电子器件散热以及航空航天等领域受成本和技术的限制，目前仍处在研发阶段。多孔材料作为环路热管(LHP)的核心部件，其蒸发器中的毛细芯正是利用多孔材料的毛细抽吸力及渗透性能来驱动介质的循环，进而实现LHP高效的传热传质过程。对于毛细结构而言，减小孔径可以提高毛细张力，但过小的毛细孔径会阻碍蒸汽的流动速率，甚至影响整个LHP的正常启动。
专利CN103528409A公布了一种环路热管毛细芯的制备方法，通过先冷压成型后气氛烧结的工艺一次性生产出长度可随模具闭合高度变化，带蒸汽移出槽道和中心通道的柱形毛细芯，但是该毛细芯为单层结构，减小毛细孔径可提高毛细抽吸力，但过小的毛细孔径会阻碍蒸汽的及时排出，甚至影响到整个环路热管的正常启动，其整体性能差。
专利CN110303153A公开了一种环路热管毛细芯的加工方法，在现有金属粉末原料中添加粘结剂，并通过等静压成型制得生坯，再以生坯条件下机加工槽道后进行烧结的方式制得，但是该毛细芯在高压力下压制，得到的毛细芯孔隙率较低，且管壳与毛细芯存在缝隙，换热阻力较大。因此，高效能毛细芯的制备需在现有工艺基础上开发一种全新的制备工艺。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种多层结构金属毛细芯的制备方法。
本发明的技术方案为：本发明通过烧结梯度孔径结构毛细芯，并且在毛细层中烧结出蒸汽流道3，用以提高气体流道速率及提升换热效率，利用高温下内外层膨胀不同步使毛细芯外层自然形成蒸汽沟槽结构。
本发明的具体技术方案如下：一种多层结构金属毛细芯的制备方法，其具体步骤如下：A.将金属粉末和有机添加剂溶液按比例混合配置成悬浮液；B.将配置好的悬浮液涂覆在多孔金属内芯1外表面形成第一修饰层2和致密金属管6内表面形成第二修饰层5，并置于高温炉中进行第一步烧结；C.将烧结后的致密金属管6和多孔金属内芯1组装，在其腔体中填装金属粉末形成毛细层4，并在高温炉中进行第二次烧结，烧结完毕后即得到毛细芯材料。
优选所述的有机添加剂溶液为聚乙烯醇缩丁醛酯或甲基纤维素溶液，其中机添加剂溶液中添加剂的质量浓度为0.5-3％。
优选所述金属粉末和所述有机添加剂溶液质量比为(1～5):1。
优选所述步骤(1)中金属粉末和所述步骤(3)中金属粉末为同种材料；材质为镍、铜、不锈钢或钛，粒径大小为1-30μm。
优选所述多孔金属内芯材质为镍、铜、不锈钢或钛，外径为4～20mm，壁厚0.5～2mm。优选所述多孔金属内芯孔径为10～500μm，孔隙率为30～80％。
优选所述致密金属管材质为不锈钢或钛，外径为10～30mm，壁厚为0.5～2mm。
优选所述致密金属管的内壁与所述多孔金属内芯的外壁之间间距为1～10mm。
优选所述的第一修饰层厚度为20～500μm；所述的第二修饰层厚度为20～500μm。
优选所述的第一步烧结温度是600～1200℃，保温时间0.5～5h，升温速率5～10℃/min；所述的第二步烧结温度是600～1200℃，保温时间0.5～5h，升温速率1～5℃/min。
有益效果：
本发明提供的毛细芯具有如下优势：(1)效率高：孔隙率大，蒸汽流动快，并且形成的沟槽可进一步提高蒸汽流动速率；(2)成本低：通过烧结的方法，将外管与毛细芯进行组装，相比传统的机械高精度加工装配，对设备要求低。(3)性能优：内外层双层复合毛细芯结构可实现环路热管毛细芯毛细孔径及毛细抽吸力的整体性能的优化。
附图说明
图1为本发明毛细芯的结构示意图；其中1.多孔金属内芯，2.第一修饰层，3.蒸汽流道，4.毛细层，5.第二修饰层，6.致密金属管；
图2是实施案例1制备的毛细芯照片；
图3是实施案例1制备的毛细芯孔径分布图；
图4是实施案例1制备的毛细芯的吸液性能测试结果。
具体实施方式
以下通过实施案例进一步说明本发明制备一种多层结构金属毛细芯的制备方法，这些案例仅用于说明本发明而对本发明没有限制。
实施例1
(1)取0.5g聚乙烯醇缩丁醛酯溶于90g无水乙醇中，将100g粒径1μm镍粉加入该溶液中，搅拌成悬浮液，将悬浮液均匀涂覆在
平均孔径10μm、孔隙率为78％的多孔不锈钢内芯外表面和
的致密不锈钢管内表面，第一修饰层的厚度为20μm，第二修饰层的厚度为30μm。放入烘箱烘干，取出。将其置于管式炉中烧结，以5℃/min的速率烧至650℃，保温5小时，自由降温后取出。
(2)将致密不锈钢管和多孔不锈钢内芯装配起来，致密不锈钢管内壁和多孔不锈钢内芯外壁间距1mm，夹层填满1μm镍粉。
(3)置于管式炉中烧，以5℃/min的速率烧至650℃，保温5小时，自然降温后取出。
(4)测得毛细芯的空隙率为74.2％，图2为烧结完后的热管剖面图，从图中可以看出，烧结的多孔金属层中有一条轴向的裂纹，缝隙宽度约为1mm；图3为毛细芯的孔径分布图，从图中可以看出，孔径分布比较集中，主要分布在1～2.5μm区间内，平均孔径为1.7μm；图4为毛细芯的吸液质量随时间变化曲线，初始时吸液速度较快，达到0.8g/s cm2，随着吸液量增多，吸液速度减缓，为0.2g/s cm2
实施例2
(1)用2g聚乙烯醇缩丁醛酯溶于100g无水乙醇中，将500g粒径5μm钛粉加入该溶液中，搅拌成悬浮液，将悬浮液均匀涂覆在
平均孔径100μm、孔隙率为35％的多孔钛内芯外表面和
的致密钛管内表面，第一修饰层厚度为480μm，第二修饰层厚度为450μm。放入烘箱烘干，取出。将其置于管式炉中烧结，以10℃/min的速率烧至1000℃，保温3h，自由降温后取出。
(2)将致密钛管和多孔钛内芯装配起来，致密钛管内壁和多孔钛内芯外壁间距3.5mm，夹层填满5μm钛粉。
(3)置于管式炉中烧，以1.5℃/min的速率烧至1000℃，保温0.5h，自然降温后取出。
(4)测得毛细芯的空隙率为71.5％，平均孔径1.2μm，初始吸液速率0.83g/s cm2。
实施例3
(1)用1g甲基纤维素溶于100g水中，将200g粒径28μm不锈钢粉加入该溶液中，将悬浮液均匀涂覆在
平均孔径500μm、孔隙率68％的多孔铜内芯外表面和
的致密不锈钢管内表面，第一修饰层厚度为100μm，第二修饰层厚度为150μm。放入烘箱烘干，取出。将其置于管式炉中烧结，以8℃/min的速率烧至1100℃，保温2小时，自由降温后取出。
(2)将致密不锈钢管和多孔铜管内芯装配起来，致密不锈钢管内壁和多孔铜管内芯外壁间距2mm，夹层填满28μm不锈钢粉。
(3)置于管式炉中烧，以2℃/min的速率烧至1100℃，保温3小时，自然降温后取出。
(4)测得毛细芯的空隙率为69.1％，平均孔径3.6μm，初始吸液速率0.72g/s cm2。
实施例4
(1)用3g甲基纤维素溶于100g水中，将120g粒径15μm铜粉加入该溶液中，将悬浮液均匀涂覆在
平均孔径100μm多孔镍内芯外表面和
的致密钛管外表面，第一修饰层厚度为80μm，第二修饰层厚度为100μm。放入烘箱烘干，取出。将其置于管式炉中烧结，以6℃/min的速率烧至900℃，保温1.5h，自由降温后取出。
(2)将致密钛管和多孔镍内芯装配起来，致密钛管内壁和多孔镍内芯外壁间距9mm，夹层填满粒径15μm铜粉。
(3)置于管式炉中烧，以3℃/min的速率烧至900℃，保温2.5小时，自然降温后取出。
(4)测得毛细芯的空隙率为74.8％，平均孔径2.2μm，初始吸液速率0.88g/s cm2。
Claims (10)
1.一种多层结构金属毛细芯的制备方法，其具体步骤如下：A.将金属粉末和有机添加剂溶液按比例混合配置成悬浮液；B.将配置好的悬浮液涂覆在多孔金属内芯(1)外表面形成第一修饰层(2)和致密金属管(6)内表面形成第二修饰层(5)，并置于高温炉中进行第一步烧结；C.将烧结后的致密金属管(6)和多孔金属内芯(1)组装，在其腔体中填装金属粉末形成毛细层(4)，并在高温炉中进行第二次烧结，烧结完毕后即得到毛细芯材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的有机添加剂溶液为聚乙烯醇缩丁醛酯或甲基纤维素溶液，其中机添加剂溶液中添加剂的质量浓度为0.5-3％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属粉末和所述有机添加剂溶液质量比为(1～5):1。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中金属粉末和所述步骤(3)中金属粉末为同种材料；材质为镍、铜、不锈钢或钛，粒径大小为1-30μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述多孔金属内芯材质为镍、铜、不锈钢或钛，外径为4～20mm，壁厚0.5～2mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述多孔金属内芯孔径为10～500μm，孔隙率为30～80％。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述致密金属管材质为不锈钢或钛，外径为10～30mm，壁厚为0.5～2mm。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述致密金属管的内壁与所述多孔金属内芯的外壁之间间距为1～10mm。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的第一修饰层厚度为20～500μm；所述的第二修饰层厚度为20～500μm。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的第一步烧结温度是600～1200℃，保温时间0.5～5h，升温速率5～10℃/min；所述的第二步烧结温度是600～1200℃，保温时间0.5～5h，升温速率1～5℃/min。
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