[發(fā)明專利]一種具有多級孔結構的金屬吸液芯材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112872355B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設計）人: 梁加淼;李東;王俊
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: B22F3/11
• 分類號: B22F3/11;B22F3/20;B33Y30/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

本發(fā)明公開了一種具有多級孔結構的金屬吸液芯材料，所述多級孔結構由不同孔徑范圍的大孔、中孔和小孔構成，其中所述大孔通過粉末擠出3D打印獲得，所述中孔由脫脂過程中粘結劑揮發(fā)形成，所述小孔由燒結后金屬粉末顆粒之間的孔隙組成。本發(fā)明還提供一種多級孔結構的金屬吸液芯材料的制備方法：通過新型粉末擠出3D打印工藝制備出具有三維構型的有序大孔；然后采用水浴加熱、燒結等后續(xù)處理工藝，在大孔骨架內部形成中孔和小孔，從而構建出由大、中、小三級孔構成的多級孔材料。本發(fā)明提供的制備方法能夠調控孔徑大小和孔隙分布，利于多孔吸液芯材料結構設計和性能優(yōu)化；并且制備工藝簡單，成本較低，適用于復雜結構吸液芯材料的設計和制備。

技術領域

本發(fā)明涉及增材制造領域，尤其涉及一種具有多級孔結構的金屬吸液芯材料及其制備方法。

背景技術

熱管是利用熱傳導和相變介質進行快速導熱的裝置，與傳統(tǒng)的散熱裝置相比，它具有導熱性能強、均溫性能好等優(yōu)點，在航空航天，能源化工以及電子工業(yè)等領域有著重要應用前景。吸液芯是熱管的重要組成部分，由多孔材料構成，其孔結構與熱管的傳熱性能密切相關。吸液芯的主要作用為：(1) 提供冷凝液從冷凝段回流到蒸發(fā)段所需的通道；（2）汽-液分界面上的表面毛細孔產生的毛細力可幫助冷凝液回流；（3）提供管殼內壁與汽-液分界面之間的熱流通路。因此改進吸液芯孔結構，提升吸液芯毛細能力成為提升熱管性能的關鍵。

如何提高吸液芯的毛細作用一直是材料和工程熱物理領域的研究熱點。吸液芯毛細作用大小由兩個性能指標共同決定：滲透率和毛細壓力。滲透率是表征吸液芯開孔程度的物理量，孔徑越大，滲透率越高，液體通過吸液芯所需的能量越小；毛細壓力是表征吸液芯對液體吸力大小的物理量，孔徑越小，毛細力越大，液體通過吸液芯的所受的驅動力越大。因此，單一增大或者減小吸液芯中的孔徑，都不能同時提升吸液芯的為了同時提高吸液芯的滲透率和毛細壓力，這導致多孔結構吸液芯的滲透率和毛細壓力呈倒置關系。因此如何通過孔徑結構設計，實現(xiàn)滲透率和毛細壓力的同步提升，是熱管用吸液芯研究面臨的關鍵問題。

為了克服滲透率和毛細壓力的矛盾，需要使吸液芯同時含有孔徑不一的兩級甚至多級孔。造孔劑法是制備多級孔結構的常用方法，該方法的工藝路線為：首先將造孔劑和金屬粉末均勻混合，之后對混合粉末進行燒結，最后根據(jù)造孔劑的性質采用溶解或熱揮發(fā)將其去除。比如，有學者將氯化鈉晶體與金屬粉末混合燒結，之后將燒結得到的產品浸沒在水中使氯化鈉溶解，最終得到具有兩種孔徑分布的多孔結構，氯化鈉晶體作為造孔劑，溶解后形成大孔，金屬粉末彼此通過擴散連接的孔隙則形成小孔。依照該工藝方法，能夠得到具有雙級甚至多級孔結構的吸液芯材料，也可以通過控制造孔劑顆粒的大小調控孔徑大小。但是，該工藝方法最大的弊端在于得到的多級孔結構是隨機分布的，這會增加毛細通道的長度和材料內部出現(xiàn)閉孔的幾率，進而大大降低吸液芯的工作效率。

粉末擠出打印是以含有粘結劑的粉末顆粒為原料，在一定溫度下將熔融的粘結劑和粉末混合物擠出成型的新興間接3D打印技術。該技術利用三維設計零件模型數(shù)據(jù)在設備上快速而精確地制造出復雜形狀的零件，無需傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊４送猓c基于熔融沉積成型的激光增材制造工藝不同的是，粉末擠出打印可以通過后續(xù)脫脂和燒結工藝的調控，制備出具有不同孔隙結構的多級孔材料。因此，結合粉末擠出打印以及打印件脫脂和燒結工藝控制，可以制造出孔徑尺寸和孔隙分布可控的多級孔結構，從而突破當前工藝無法調控多級孔尺寸和分布的難題。

發(fā)明內容

有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種孔徑尺寸和孔隙分布可控的多級孔結構的金屬吸液芯材料及其制備方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種具有多級孔結構的金屬吸液芯材料，所述多級孔結構由不同孔徑范圍的大孔、中孔和小孔構成，所述大孔孔徑在100-800微米之間，所述中孔孔徑在30-80微米之間，所述小孔孔徑在1-10微米之間，其中所述大孔通過粉末擠出3D打印獲得，所述中孔由脫脂過程中粘結劑揮發(fā)形成，所述小孔由燒結后金屬粉末顆粒之間的孔隙組成。