CN114888304B - 一种复合多孔结构吸液芯的制造方法 - Google Patents

一种复合多孔结构吸液芯的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合多孔结构吸液芯的制造方法，涉及吸液芯加工技术。本发明是先设计三维骨架结构模型，然后将设计好的三维骨架结构模型导入3D打印***，以金属粉末为原材料，采用激光烧结工艺进行打印，得到含有微米孔隙的吸液芯骨架结构；打印结束后，在打印机腔体内通入氧气，氧气含量为2％‑16％，调整打印机激光器参数，对打印完成含有微米孔隙的吸液芯骨架结构进行表面激光打印，重复上述步骤2～10次，得到亲疏水可控的复合多孔结构吸液芯。本发明的制造方法简单、耗材少，同时能够提升吸液芯毛细力，降低传热热阻，表面浸润性方便调控，强化了吸液芯传热冷凝效率。

Description

一种复合多孔结构吸液芯的制造方法
技术领域
本发明属于吸液芯加工技术领域，具体涉及一种亲疏水可控复合多孔结构吸液芯的制造方法。
背景技术
随着电子设备小型化、集成化和高性能化的发展，高热流密度引起的设备性能退化逐渐出现，电子设备的热管理问题也越来越严重。当电子设备的工作温度超过额定工作温度10℃时，其可靠性降低50％。不断增加的散热需求已成为制约电子元器件应用的一个瓶颈。因此，热管和均温板等相变传热装置因其高导热性、高稳定性、高可靠性和高冷却能力而被广泛应用于电子产品的有效热管理。吸液芯产生毛细压力，然后用于驱动工作流体从冷凝器到蒸发器运动，维持冷却***的运行，是相变冷却***中最关键的组成部分，其性能的好坏直接影响热管或均温板的冷却性能。目前常见的吸液芯类型主要有金属粉末烧结型吸液芯，丝网型吸液芯和沟槽或通道型吸液芯等三种。
现有吸液芯的制造方法主要通过烧结法制备，烧结材料为金属粉末、金属丝网与金属纤维等。金属粉末烧结吸液芯具有机械强度高和毛细力大等优点，但是吸液芯渗透率较低，流体流动阻力大，不利于吸液芯工作时工质相变的气液分离；同时制备周期长，需要配合机加工相应的模具来控制吸液芯尺寸，孔径和孔隙率不可控。丝网型吸液芯具有孔隙率高、加工工艺简单和成本低等优点，但是吸液芯存在毛细力低和不同丝网层之间热阻大等缺点，传热效果较差。除上述烧结法制备的吸液芯外，机加工形成的沟槽或通道型吸液芯毛细力较低，不适用于高热流密度电子设备。此外，吸液芯的亲疏水性调控在提升热管均温板传热性能方面起着关键作用，而现有吸液芯亲疏水调控需要配合表面后处理，制作过程复杂，不便于量化生产。
复合结构吸液芯结合了各种吸液芯的特点，弥补了上述吸液芯的不足。为此，专利号CN104075603A的专利公开了一种热管复合吸液芯及其制备方法，该吸液芯由金属外套管和金属多孔流道两部分组成，具有双孔隙结构，提高了毛细压力和渗透率，同时金属多孔流道提供工质回流通道，降低了液体回流阻力，从而提高了热管的传热性能。但是由于需要提前结合线切割方法制作模具，工序繁琐，并且吸液芯微孔隙随机分布，不利于气液输运。公开号CNC104776742A的专利提出一种复合吸液芯的制造方法，其吸液芯结构采用丝网和泡沫铜或铜粉组合烧结的形式，在丝网层的至少一个面烧结泡沫铜或铜粉。该专利工序繁琐，工艺复杂，孔隙结构不能良好的控制。公开号CN110385436A的专利公开了一种具有多孔径结构特征的金属吸液芯及其制造方法，该吸液芯制造的粉末粘接间隙形成的微细结构可以满足提升毛细性能的需要，但是微细孔隙随机组合，孔隙不可控导致吸液芯内气液流动阻力大，不利于高热流密度的散热要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种复合多孔结构吸液芯的制造方法。该复合多孔吸液芯制造方法工艺简单、孔隙结构尺寸与孔隙率可控，同时实现吸液芯表面亲疏水性可控制造，具有毛细力大、气液流动阻力小等优点。
本发明所述复合多孔结构吸液芯的制造方法包括以下步骤：
(1)设计三维骨架结构模型；本发明所述模型是由三维软件设计，该设计的模型为嵌套吸液芯内部的毫米大孔骨架结构构成，模型导入3D打印***控制打印工艺经切片处理后进行增材制造；
(2)将设计好的三维骨架结构模型导入3D打印***，以金属粉末为原材料，采用激光烧结工艺进行打印，并通过控制激光功率、扫描速度、扫描间距与铺粉层厚，得到含有微米孔隙的吸液芯多孔骨架结构；
(3)打印结束后，在打印机腔体内通入氧气，氧气含量为2％-16％；
(4)对含有微米孔隙的吸液芯多孔骨架进行表面激光打印，调整3D打印激光器功率为5～100W，扫描速度5～200mm/s，激光脉冲频率10～100kHz，扫描间距0.01～0.1mm；
(5)重复步骤(4)2～10次，制造吸液芯表面形成有序的微纳孔隙结构，实现梯度孔隙与表面亲疏水可控制造的复合多孔结构吸液芯。优选的，所述金属粉末粒径为10～80μm。
优选的，所述激光功率140～2000W，扫描速度为2000～4000mm/s，打印铺粉层厚为0.1～1mm。
优选的，所述激光烧结工艺中激光扫略旋转角度为90°，扫描间距为0.1mm～1.2mm，逐层铺设粉末，并且进行单向交叉线扫描。
优选的，所述吸液芯中的微纳孔尺寸为0.5～200μm，孔隙率控制为5％～90％。
优选的，所述复合多孔结构吸液芯总体厚度为0.1～6mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明吸液芯复合梯度结构由三维软件设计，3D打印技术将多孔吸液芯直接打印成形，复合孔隙结构尺寸与孔隙率均可以精确控制。无需模具开发与额外加工，可以一次成形多种形式的复合多孔结构，比如环路热管、均温板、毛细泵回路热管等吸液芯的开发与制造。此外，复合梯度多孔结构实现了微纳米尺度孔隙与毫米尺度孔隙的复合，满足吸液芯优良毛细性能的同时又能够减小气液流动阻力。
(2)本发明复合多孔结构吸液芯在一次成形复合梯度孔隙的同时，还能够进行吸液芯亲疏水的调控，实现了梯度孔隙+界面调控的一次成形成性，无需额外的表面后处理过程，所制造的复合梯度多孔吸液芯能够实现强化传热与冷凝的分区调控。
附图说明
图1是本发明复合多孔结构吸液芯三维模型图。
图2是本发明实施例1骨架包含微米孔隙的复合多孔吸液芯的结构。
图3是本发明实施例1复合梯度多孔吸液芯骨架内部的微米孔隙结构。
图4是本发明实施例1复合多孔结构吸液芯表面形貌特征及其浸润性测量。
图5是本发明实施例2复合多孔结构吸液骨架内部微米孔隙结构。
图6是本发明实施例2骨架包含多孔吸液芯与实体骨架结构吸液芯热阻对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种复合多孔结构吸液芯的制造方法，具体步骤如下：
采用三维建模软件构建复合多孔吸液芯的骨架结构，多孔结构设计壁厚为0.5mm，孔道结构设计为长方形，孔道结构长宽尺寸为1×0.5mm。图1为增材制造复合多孔吸液芯三维模型图。
模型导入3D打印***经切片处理后进行增材制造，本实施例所选用的金属粉末材料为AlSi10Mg，粉末粒径范围为10～60μm。
设置打印的激光功率为380W，扫描速度为3000mm/s，粉末铺粉层厚为0.04mm，激光扫略间距为0.1mm，保证多孔骨架能够拥有良好的成形效果，使其具有较好的机械强度。
控制3D打印机激光旋转角度为90°，构筑的过程中激光扫略路径相互交叉，逐层线扫描形成复合多孔结构。
3D打印工作台基板上采用硅胶或者螺栓连接待制造热管底板，激光器扫描底板轮廓，扫描完成后在底板上开始制造复合多孔吸液芯结构。图2与图3为本实施例打印出骨架包含微米孔隙的复合多孔结构吸液芯以及骨架内部微米孔隙结构。
上述复合多孔结构打印完成后，将3D打印室腔体内通入氧气，保持腔体内氧气含量在8％。
调整3D打印激光功率50W，扫描速度80mm/s，激光脉冲频率60kHz，扫描间距0.05mm，进行复合孔隙吸液芯表面打印后处理。
保持上述激光参数不变，重复扫描多孔吸液芯结构表面5次，保证吸液芯表面形成均匀的微纳孔隙结构，以便于控制复合多孔吸液芯的表面呈现亲水特性，亲水性表面可以显著增强吸液芯产品的传热极限。图4为表面打印后复合多孔结构表面的形貌与浸润性测量图，该结构表面表现出显著的亲水性。
复合多孔结构吸液芯打印完成后，拧下螺栓或者加热使硅胶失效取下打印完成的吸液芯，无需线切割等后续机加工处理。超声清洗去除吸液芯表面松散的未熔融的粉末，以备后续使用。
实施例中复合多孔吸液芯骨架内部孔隙特征由压汞仪测量，孔径为80μm，孔隙率为25％。
实施例2
一种复合多孔结构吸液芯的制造方法，具体步骤如下：
采用三维建模软件构建复合多孔骨架结构，吸液芯模型内大孔尺寸0.5mm×1mm。
模型经切片处理后进行增材制造，与实施例1不同的是，本实施例所选用的金属粉末材料为316L，粉末粒径范围为20～60μm。
设置打印的激光功率为800W，扫描速度为3600mm/s，粉末铺粉层厚为0.03mm，激光扫略间距为0.12mm，控制3D打印机激光旋转角度为60°，构筑的过程中激光扫略路径相互交叉，逐层线扫描形成复合结构。
3D打印工作台基板上采用硅胶或者螺栓连接待制造热管底板，激光器扫描底板轮廓，扫描完成后在底板上开始制造复合多孔吸液芯结构。图5为实施例2打印出的尺寸更小的包含微米孔隙的复合多孔骨架结构。
上述复合多孔结构打印完成后，将3D打印室腔体内通入氧气，保持腔体内氧气含量在12％。
调整3D打印激光功率30W，扫描速度60mm/s，激光脉冲频率20kHz，扫描间距0.01mm，进行3D打印复合多孔吸液芯表面后处理。
保持上述激光参数不变，重复扫描多孔吸液芯结构表面8次，保证吸液芯表面形成均匀的微纳孔隙结构。
复合多孔结构吸液芯打印完成后，拧下螺栓或者加热使硅胶失效取下打印完成的吸液芯。超声清洗吸液芯表面松散的未熔融粉末，以备后续使用。
实施例中复合多孔吸液芯骨架内部孔径与孔隙率由压汞仪测量分别为45μm与20％。
为进一步说明实施例中复合多孔吸液芯结构在强化热管传热性能方面的优势，图6展示了由实施例2中工艺制造的毫米/微米复合多孔结构+亲水性表面用于环路吸液芯的传热热阻对比。从图6中可以看出，表面亲疏水控制的骨架内部含有微纳孔的复合多孔吸液芯相比于实体骨架结构传热热阻明显降低，拥有更高的传热热负荷。
本发明可以一次制造成形毫米尺度与微纳米尺度的复合多孔吸液芯，无需额外机加工，吸液芯中大孔结构设计灵活、形式多样，而微纳孔隙尺寸与孔隙率结构则可以通过工艺设计进行增材可控制备，依据不同的孔隙结构自由设计增材制造工艺路线，实现复合多孔吸液芯的快速开发制造。通过改变工艺参数实现孔隙结构的可控制造，因而可以显著增大毛细性能同时又能够减小气液流动阻力。
依据现有增材制造方法形成的微纳孔隙尺寸为0.5～200μm，孔隙率5～90％，孔隙孔径与孔隙率可以通过控制3D打印的工艺实现，且微纳孔隙结构的孔径与孔隙率精确可控，克服了现有复合吸液芯制造的不足。
本发明中制造的多孔吸液芯通过激光参数控制，可以在构造复合梯度孔隙结构的同时在其实现表面浸润性的可控制造。亲水性表面提升了吸液芯的传热极限，而疏水性表面强化了冷凝，综合提升了热管或均温板的传热效率。
需要说明的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，显然本发明不仅仅限于以上实施例，还可以有其他变形。本领域的技术人员从本发明公开内容直接导出或间接引申的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种复合多孔结构吸液芯的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)设计三维骨架结构模型；
(2)将设计好的三维骨架结构模型导入3D打印***，以金属粉末为原材料，采用激光烧结工艺进行打印，并通过控制激光功率、扫描速度、扫描间距与铺粉层厚，得到含有微米孔隙的吸液芯骨架结构；
(3)打印结束后，在打印机腔体内通入氧气，氧气含量为2％-16％；
(4)调整打印机激光器参数，对打印完成含有微米孔隙的吸液芯骨架结构进行表面激光打印；
(5)重复步骤(4)2～10次，吸液芯表面形成有序的微纳孔隙结构，用以控制复合多孔结构吸液芯表面的亲疏水性；
步骤(4)中3D打印激光器功率为5～100W，扫描速度5～200mm/s，激光脉冲频率10～100kHz，扫描间距0.01～0.1mm；
所述步骤(2)中激光功率140～2000W，扫描速度为2000～4000mm/s，打印铺粉层厚为0.03mm或0.04mm。
2.根据权利要求1所述复合多孔结构吸液芯的制造方法，其特征在于，所述金属粉末为10～80μm。
3.根据权利要求1所述复合多孔结构吸液芯的制造方法，其特征在于，所述激光烧结工艺中激光扫略旋转角度为90°，扫描间距为0.1mm～1.2mm，逐层铺设粉末，并且进行单向交叉线扫描。
4.根据权利要求1所述复合多孔结构吸液芯的制造方法，其特征在于，所述复合多孔结构吸液芯中的微纳孔尺寸为0.5～200μm，孔隙率控制为5％～90％。
5.根据权利要求1所述复合多孔结构吸液芯的制造方法，其特征在于，所述复合多孔结构吸液芯总体厚度为0.1～6mm。
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