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CN110944493B - 一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法 - Google Patents

一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法 Download PDF

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CN110944493B CN201911250688.8A CN201911250688A CN110944493B CN 110944493 B CN110944493 B CN 110944493B CN 201911250688 A CN201911250688 A CN 201911250688A CN 110944493 B CN110944493 B CN 110944493B
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Abstract

本发明涉及一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法，复合材料器件包括形成密闭空腔的金属管壳、设置在金属管壳中间位置并浸润有液体工作介质的多孔介质层，以及设置在金属管壳外部一端并连接所述多孔介质层的充液口，在金属管壳外部的另一端可设置热源器件，所述液体工作介质受热后可发生气液相变，所述多孔介质层将金属管壳的密闭空腔隔开形成两个蒸汽通道。与现有技术相比，本发明有效解决了传统的单一金属或陶瓷散热材料难以同时兼顾高导热、热膨胀率可控、高综合机械性能的要求，该发明为高功率密度器件的发展提供了新方向。

Description

一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法
技术领域
本发明属于电子器件冷却设备技术领域，涉及一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法。
背景技术
基于第三代半导体材料的先进电子器件在诸多国计民生与国家重大战略安全领域具有重要价值。随此电子器件的功能性、集成度、功率密度的持续提高，原有利用金属本身高导热率的散热架构已难以解决高功率密度热源的散热问题。
相比之下，气液相变技术是基于相变介质在密闭的导热腔体内蒸发-传输-冷凝过程中高效的热吸收、热传递、热释放特性，通过气液相变器件表面将发热体的热量迅速传递到热源外，其导热能力远超金属，可为解决先进电子器件的散热问题提供有效途径。然而，传统的气液相变散热器件材料及架构存在诸多重大问题，主要表现在器件小型化程度不足(为应对相变介质在蒸发过程中所形成压差，往往要求壁厚过大)；与低膨胀热源材料集成困难(热膨胀系数相差过大)。通过复合所形成的金属基复合材料可发挥金属基体和增强体各自的优异特性，获得高导热、热膨胀系数可调并兼具优异机械性能的热管用材，基于此设计新型气液相变传热器件，并实现与高功率密度器件的应用集成是未来高性能散热器件发展的方向。
因此，本领域的技术人员致力于开发新型基于气液相变的高导热金属基复合材料器件，并将其与不同电子器件集成，以满足高功率密度热源对散热底板的迫切需求，即热膨胀率可调、高热导率、超薄。而本发明正是基于上述背景而提出的。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法。
本发明利用金属基复合材料作为壳体制备的气液相变散热器件，利用金属基复合材料的热膨胀可调和高强度特点，一方面高强度能减小散热器件的壳体厚度，使器件超薄化；另一方面热膨胀可调的特点使得散热器件与热源热膨胀率匹配。气液相变传热能有效地改善金属基复合材料的热导率，使得设备产生的热量能快速地散出，有效降低热源散热热阻。有效解决了传统的单一金属或陶瓷散热材料难以同时兼顾高导热、热膨胀率可控、高综合机械性能的要求，该发明为高功率密度器件的发展提供了新方向。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一在于提供了一种基于气液相变的金属基复合材料器件，包括形成密闭空腔的金属管壳、设置在金属管壳中间位置并浸润有液体工作介质的多孔介质层，以及设置在金属管壳外部一端并连接所述多孔介质层的充液口，在金属管壳外部的另一端可设置热源器件，所述液体工作介质受热后可发生气液相变，所述多孔介质层将金属管壳的密闭空腔隔开形成两个蒸汽通道。
进一步的，所述的金属管壳的材料为金属基复合材料。
更进一步的，所述的金属基复合材料为Cu/W复合材料或Mo/Cu等复合材料。金属基复合材料的热膨胀系数可以通过各金属成分的配比来进行调控。
进一步的，所述的金属管壳内壁还镀覆有金属薄层。金属薄层的材质可以为设置成与多孔介质层一致，金属薄层的厚度可以为2-5μm。镀覆的方式可以采用电镀、蒸发镀膜、离子镀膜等方法。
进一步的，所述的多孔介质层为金属粉末、金属丝网或金属泡沫中的一种或几种的混合。更优选的，为金属粉末与金属泡沫的复合，使得多孔介质层具有高毛细驱动力和高渗透率特点，实现了散热器件的高传热性能，包括高导热率和高热流密度。
金属(即多孔介质层)的材质可以为铜、镍、铁、钢等。
更进一步的，所述的金属粉末为球状颗粒、树枝状颗粒或无规则状颗粒。
进一步的，多孔介质层沿金属管壳的轴向设置，其宽度小于密封空腔的宽度。
进一步的，所述的多孔介质层还经过改性处理，使得其可吸附所述液体工作介质。更进一步的，改性处理为超亲水改性处理，其接触角小于5°。超亲水表面的实现方法有刻蚀法、层层自组装、水热法、物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、喷涂和旋转涂布，其采用本领域的常规工艺即可。
进一步的，所述的金属管壳由上壳体和下壳体密封而成。
本发明的技术方案之二在于提供了基于气液相变的金属基复合材料器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别制备可组成金属管壳的上壳体和下壳体；
(2)往上壳体和下壳体的内壁面镀覆金属薄层；
(3)利用定位模具将多孔介质沿轴向置于上壳体和下壳体之间，烧结，形成多孔介质层；
(4)对多孔介质层进行改性处理，使得其表面可粘附液体工作介质；
(5)将上壳体和下壳体密封封装形成金属管壳，同时，在金属管壳的一端安装充液口和热源器件，即得到散热器件。
本发明所述的基于气液相变的金属基复合材料散热器件，既具有热膨胀可控，又具有超高的导热性能，满足于高功率密度热源对热源基板材料性能的需求。当设备正常工作会产生大量热量，其温度急剧上升，当将热源基板材料换成气液相变散热器件时，其导热性能大幅度提高，能有效降低热源散热热阻。此外，由于气液相变传热器件采用的是金属基复合材料，其能与不同热源材料热膨胀率匹配，大幅度降低其热失配率。在整个传热过程中，设备产生热量通过金属基复合材料壳体传递到散热器件内壁，内部传热工质吸收热量汽化成蒸汽，蒸汽通过蒸汽通道快速传递到散热器件冷凝端进行冷凝成液体，热量通过冷凝端的金属基复合材料壳体传递到外界环境中，而冷凝端的液体通过多孔介质毛细力的驱动下回流到热源部分，重新进行汽化进行第二次循环。通过以上过程，将设备产生的热量不断转移到外界环境中：一方面由于气液相变实现的高导热，有效地降低了散热热阻；另一方面金属基复合材料的热膨胀系数可调，满足不同热源对基板材料热膨胀匹配的要求。
与现有技术相比，本发明利用金属基复合材料作为壳体制备的气液相变散热器件，利用金属基复合材料的热膨胀可调和高强度特点，一方面高强度能减小散热器件的壳体厚度，使器件超薄化；另一方面热膨胀可调的特点使得散热器件与热源热膨胀率匹配。气液相变传热能有效地改善金属基复合材料的热导率，使得设备产生的热量能快速地散出，有效降低热源散热热阻，该发明为高功率密度器件的发展提供了新方向。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(一)金属管壳采用金属基复合材料，其具有高强度特点，能将壳体壁厚进一步减薄，实现了相变传热器件超薄化。
(二)金属薄层的设置可以将多孔介质烧结到金属基复合材料表面，实现了多孔毛细芯与金属基复合材料的可靠烧结连接。
(三)金属基复合材料的热膨胀可调，将该散热器件与设备集成，实现了气液相变散热器件与热源材料之间的热膨胀匹配，使得热界面变薄，进一步减小热界面热阻。
(四)通过气液相变传热特点来改善金属基复合材料的导热率，由于其具有超高导热率特点，将设备产生的热量快速散出，降低了其散热热阻。
(五)散热器件具有超高导热、热膨胀率可控、毛细驱动力大、液体回流阻力小、超薄等特点，反重力运行特性优良，适用于各种角度的散热，且其壳体厚度超薄，结构设计合理，制备方法简单，适合大批量生产；满足不同热源对散热基板材料性能的要求，降低热源散热热阻，提高设备可靠性及寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的横截面示意图；
图3为本发明的工作原理示意图；
图4为传统的散热器件的集成示意图；
图5为本发明的金属复合材料器件的纵向剖视示意图；
图6为金属基复合材料器件的性能变化情况。
图中标记说明：
1-上壳体，2-下壳体，3-多孔介质层，4-蒸汽通道，5-焊接口，6-充液管，7-热源器件，8-金属基复合材料板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
在本发明的其中一个技术方案中，提供了一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其结构参见图1-图3、图5所示，包括形成密闭空腔的金属管壳、设置在金属管壳中间位置并浸润有液体工作介质的多孔介质层，以及设置在金属管壳外部一端并连接所述多孔介质层的充液口，在金属管壳外部的另一端可设置热源器件，所述液体工作介质受热后可发生气液相变，所述多孔介质层将金属管壳的密闭空腔隔开形成两个蒸汽通道。
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，所述的金属管壳的材料为金属基复合材料。
更进一步具体的实施方式中，，所述的金属基复合材料为Cu/W基复合材料或Mo/Cu基等复合材料。金属基复合材料的热膨胀系数可以通过各金属成分的配比来进行调控。
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，所述的金属管壳内壁还镀覆有金属薄层。金属薄层的材质可以为设置成与多孔介质层一致，金属薄层的厚度可以为2-5μm。镀覆的方式可以采用电镀、蒸发镀膜、离子镀膜等方法。
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，所述的多孔介质层为金属粉末、金属丝网或金属泡沫中的一种或几种的混合。更优选的，为金属粉末与金属泡沫的复合，使得多孔介质层具有高毛细驱动力和高渗透率特点，实现了散热器件的高传热性能，包括高导热率和高热流密度。
金属(即多孔介质层)的材质可以为铜、镍、铁、钢等。
更进一步的，所述的金属粉末为球状颗粒、树枝状颗粒或无规则状颗粒。
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，多孔介质层沿金属管壳的轴向设置，其宽度小于密封空腔的宽度。
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，所述的多孔介质层还经过改性处理，使得其可吸附所述液体工作介质。更进一步的，改性处理为超亲水改性处理，使得其接触角小于5°。超亲水表面的实现方法有刻蚀法、层层自组装、水热法、物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、喷涂和旋转涂布，其采用本领域的常规工艺即可。具体可参见以下文献：(1)TAHK,Dongha,et al.Fabrication of antireflection and antifogging polymersheet by partial photopolymerization and dry etching.Langmuir,2010,26.4:2240-2243.(2)XU,Ligang；HE,Junhui.Antifogging and antireflection coatingsfabricated by integrating solid and mesoporous silica nanoparticles withoutany post-treatments.ACS applied materials&interfaces,2012,4.6:3293-3299.
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，所述的金属管壳由上壳体和下壳体密封而成。
上述技术方案中的一种具体的实施方式中，液体工作介质优选汽化潜热大、比热容高的液体，比如去离子水、无水乙醇、丙酮中的一种或几种的混合液体。
在本发明的另一个技术方案中，提供了基于气液相变的金属基复合材料器件的制备方法，包括以下步骤：
(1)分别制备可组成金属管壳的上壳体和下壳体；
(2)往上壳体和下壳体的内壁面镀覆金属薄层；
(3)利用定位模具将多孔介质沿轴向置于上壳体和下壳体之间，烧结，形成多孔介质层；
(4)对多孔介质层进行改性处理，使得其表面可粘附液体工作介质；
(5)将上壳体和下壳体密封封装形成金属管壳，同时，在金属管壳的一端安装充液口和热源器件，即得到散热器件。
以上实施方式中的金属基复合材料器件的具体工作原理参见图3所示，将高功率器件(即热源器件)与设备集成，正常工作时产生热量，通过金属基复合材料的金属管壳传递到密封腔体内部，液态工作介质吸收热量汽化成气态，在蒸汽通道进行热量的转移，蒸汽在冷凝端液化成液态，热量通过冷凝端的金属管壳传递出去。同时，冷凝后的液态工作介质通过多孔介质层的毛细力驱动下回流到蒸发端，重新吸收热量汽化，从而传热工质在密闭腔室内蒸发端与冷凝端之间进行循环。
以上各实施方式中，可以任一单独实施，也可以任意两两或更多的组合进行实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更进一步的说明。
实施例1：
一种基于气液相变传热的金属基复合材料器件，其结构请参见图1-图3、图5等所示，其制备方法如下：
步骤一，壳体成型：利用机加工的方式在金属基复合板材(WCu20)上面制备上壳体、下壳体。
步骤二，复合材料材料表面的清洁：首先去除金属基复合材料壳体表面的有机物等杂质；随后采用阴极除油方式，进一步除去表面的油脂；再去除表面的氧化钨，然后利用稀硫酸去除表面氧化铜；最后用去离子水冲洗表面两到三次以去除表面残留的稀硫酸溶液并烘干。
步骤三，复合材料表面覆金属层：采用化学或物理方法，在金属基复合材料壳体内壁覆金属薄层。
步骤四，超亲水复合多孔毛细芯的制备与烧结：将球形金属铜粉末均匀嵌入泡沫内部，其厚度为泡沫的1/2，在850℃高温环境下连续烧结2小时，以保证粉末与泡沫可靠连接，得到多孔介质层，同时也将多孔介质层与金属基复合材料的壳体烧结连接到一起。烧结过程中采用的是5％氢氩混合保护气体，该保护气体一方面防止表面被氧化，另一方面对表面进行活化，使得其表面具有超亲水性。
步骤五，金属基复合材料散热器件的壳体密封封装：将金属基复合材料壳体进行钎焊焊接，以满足于工业批量生产的需求，并且保证钎焊焊料与内部工质无化学反应，影响气液相变热沉的性能。因此，采用的银铜焊料，焊接温度在820℃，保温时间为20分钟，保护气体为高纯氩气。
步骤六，传热工质(即液体工作介质)的充装：根据多孔介质层的孔隙率和体积计算多孔介质空隙中所能容装的液体量，即为该气液相变器件的充液量。通过真空泵对散热器件抽真空，真空度为1×10-3torr，通过三通阀充入定量传热工质，然后通过冷焊接的方式密封充液口，即完成散热器件的充液。
步骤七，高导热、低膨胀率的散热器件：制备完成的气液相变器件，一端与高功率密度热源(即热源器件)直接集成，由于壳体材料采用的是金属基复合材料，其热膨胀率可控，能实现与不同热源材料匹配；正常工作产生的热量通过金属基复合材料壳体传递到内部工质，内部工质吸热汽化，产生的蒸汽通过密闭腔的蒸汽通道快速传递到冷凝端，蒸汽液化成液体，并释放出热量通过冷凝端的壳体传递出去，冷凝端的液体通过毛细力的驱动下，回流到功率芯片端，继续吸收热量汽化，从而进行往复循环，不断地将热源的热量传递出去。
对比例1
本对比例为传统的散热器件，其结构参见图4所示，包括功率芯片和金属基复合材料基板(WCu20)，其中金属基复合材料基板的导热率为217.79W/(m·K)，热膨胀系数为7.25×10-6/m。
对比例2
与实施例1相比较，绝大部分都相同，除了本对比例中，多孔介质层仅采用金属泡沫制成。所制备的散热器件的导热率在6500～8000W/(m·K)范围内。
对比例3
与实施例1相比较，绝大部分都相同，除了本对比例中，多孔介质层不进行超亲水处理。所制备的散热器件难以启动运行，其导热率在100～150W/(m·K)范围内。
实施例2
本实施例中的基于气液相变传热的金属基复合材料器件的具有热膨胀率可控特性来自金属基复合材料，将具有膨胀率可控的金属基复合材料板材加工成不同长度、宽度、厚度的壳体，其余同实施例1。
实施例3
本实施例中，所述的金属基复合材料表面覆金属薄层为与多孔介质相同材料；一种基于气液相变的金属基复合材料器件：采用真空蒸镀、磁控溅射、电镀等方法，将金属层均匀镀在不同长度、宽度、厚度的壳体内部表面。其余同实施例1。
实施例4
将实施例1中的散热器件与设备集成，满足不同热源对散热基板材料热膨胀匹配、超高导热、轻质等需求。通过实施例1过程制备的基于气液相变的金属基复合材料器件可用于功率芯片热管理、手机热管理、电池热管理等应用。
对所述基于气液相变的金属基复合材料器件进行性能测试：
实施例1的器件，结合图6可知，当冷凝段温度为50℃，水平放置时，随着热流密度的增加，当量导热系数逐渐下降，热流密度为11.6W/cm2，散热器件的当量导热系数大于10000W/(m·k)，但此时并未达到临界热流密度。对比例1的散热器件采用的单一金属基复合材料(WCu20)，其导热率为217.79W/(m·K)。对比例子2中采用的传统多孔介质(铜泡沫)制备的散热器件，由于铜泡沫的孔隙率较高(>99％)多孔介质的热阻较大，且其蒸发冷凝面积小于实施例1，因此其导热率在6500～8000W/(m·K)范围内。对比例3中未对多孔吸液芯进行超亲水处理，导致传热工质无法回流，散热器件不能正常启动，其导热率在100～150W/(m·K)。
以上各实施例中的基于气液相变的金属基复合材料器件，能够满足热膨胀率在1.6～20*10-6/m范围内的热源器件的热匹配要求；器件壳体壁厚最薄能做到0.05mm，还具有较高强度，能实现了散热器件的超薄化，薄于现有金属壳体厚度；本发明的基于气液相变的金属基复合材料器件传热性能突出，能够满足市场上大多数的高热流密度器件的冷却。
以上各实施例中，多孔介质层的材质也可以替换为如镍、铁、钢等。
需要说明的是，以上数据仅为某个特性工况下的实验性能，并非是本发明所述器件的最佳性能。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于气液相变的金属基复合材料器件的制备方法，所述金属基复合材料器件包括形成密闭空腔的金属管壳、设置在金属管壳中间位置并浸润有液体工作介质的多孔介质层，以及设置在金属管壳外部一端并连接所述多孔介质层的充液口，在金属管壳外部的另一端可设置热源器件，所述液体工作介质受热后可发生气液相变，所述多孔介质层将金属管壳的密闭空腔隔开形成两个蒸汽通道；
其特征在于：
所述的金属管壳的材料为Cu/W基复合材料或Mo/Cu基复合材料，金属基复合材料的热膨胀系数通过各金属成分的配比来进行调控，金属基复合材料器件壁厚最薄为0.05 mm；
所述的金属管壳内壁还镀覆有金属薄层，金属薄层的材质为设置成与多孔介质层一致，金属薄层的厚度为2-5μm；
所述的金属管壳由上壳体和下壳体密封而成；
所述的多孔介质层沿金属管壳的轴向设置，其宽度小于密封空腔的宽度；所述的多孔介质层经过改性处理，使得其可吸附所述液体工作介质，改性处理为亲水改性处理，使得其接触角小于5°，以形成超亲水复合多孔毛细芯；
制备方法包括以下步骤：
步骤一，金属管壳成型：利用机加工的方式在金属基复合板材上面制备上壳体、下壳体；
步骤二，金属基复合材料表面的清洁：首先去除金属基复合材料壳体表面的有机物杂质；随后采用阴极除油方式，进一步除去表面的油脂；再去除表面的氧化钨，然后利用稀硫酸去除表面氧化铜；最后用去离子水冲洗表面两到三次以去除表面残留的稀硫酸溶液并烘干；
步骤三，金属基复合材料表面镀覆金属薄层：采用化学或物理方法，在金属基复合材料壳体内壁覆金属薄层；
步骤四，超亲水复合多孔毛细芯，即多孔介质层的制备与烧结：将球形金属铜粉末均匀嵌入泡沫内部，其厚度为泡沫的1/2，在850℃高温环境下连续烧结2小时，以保证粉末与泡沫可靠连接，得到多孔介质层，同时也将多孔介质层与金属基复合材料的壳体烧结连接到一起；烧结过程中采用的是5％氢氩混合保护气体，该保护气体一方面防止表面被氧化，另一方面对表面进行活化，使得其表面具有超亲水性；
步骤五，金属基复合材料散热器件的壳体密封封装：将金属基复合材料壳体进行钎焊焊接，以满足于工业批量生产的需求，并且保证钎焊焊料与内部工质无化学反应，影响气液相变热沉的性能；因此，采用的银铜焊料，焊接温度在820℃，保温时间为20分钟，保护气体为高纯氩气；
步骤六，传热工质，即液体工作介质的充装：根据多孔介质层的孔隙率和体积计算多孔介质空隙中所能容装的液体量，即为该气液相变器件的充液量；
步骤七，高导热、低膨胀率的散热器件：制备完成的气液相变器件，一端与高功率密度热源，即热源器件直接集成，由于壳体材料采用的是金属基复合材料，其热膨胀率可控，能实现与不同热源材料匹配。
2.一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，所述金属基复合材料器件由权利要求1所述的一种基于气液相变的金属基复合材料器件的制备方法制得。
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