Cu粉特性對熱導(dǎo)管燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)性能的影響

易翠，王日初，莫文劍，鐘耀宗

?

Cu粉特性對熱導(dǎo)管燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)性能的影響

易翠1, 2，王日初1，莫文劍2，鐘耀宗2

(1. 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程院，長沙410083；2. 湖南省天心博力科技有限公司，益陽413000)

研究熱導(dǎo)管銅粉的松裝密度、粉末粒度、粉末粒徑分布對銅粉燒結(jié)的毛細(xì)結(jié)構(gòu)體斷裂強(qiáng)度、孔隙率、毛細(xì)力吸水通量的影響。結(jié)果表明：在燒結(jié)溫度為980 ℃，燒結(jié)時間60 min的條件下松裝燒結(jié)所得銅熱導(dǎo)管毛細(xì)結(jié)構(gòu)體綜合性能良好，當(dāng)銅粉松裝密度2.1 g/cm3，粒徑范圍100~250 μm，其中粒徑150~250 μm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%~70%時，銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的斷裂強(qiáng)度為9.11~9.67 MPa，孔隙率52.6%~53.8%，毛細(xì)力吸水通量1.30× 10?3~1.42×10?3 g/(s?mm2)。

熱導(dǎo)管；銅粉；斷裂強(qiáng)度；孔隙率；毛細(xì)力；吸水通量

隨著微電子技術(shù)發(fā)展，微電子芯片的集成度日益提高，其產(chǎn)生的高熱流密度電子散熱問題成為電子工業(yè)發(fā)展的瓶頸，電子元件發(fā)生故障時，55%來自于熱問題[1]。為了使電子元件穩(wěn)定有效地工作，延長電子元件的使用壽命，需要開發(fā)高效的熱管理系統(tǒng)。熱導(dǎo)管作為一種高效傳熱組件，在熱管理系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[2]。熱導(dǎo)管由密閉壁殼，毛細(xì)結(jié)構(gòu)層和流體3部分組成。其中，毛細(xì)結(jié)構(gòu)層提供流體的儲存空間、流體回流的通道和動力[3]。燒結(jié)型熱導(dǎo)管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)層由銅粉燒結(jié)而成，毛細(xì)結(jié)構(gòu)層的特性，如孔隙率、毛細(xì)力吸水通量和斷裂強(qiáng)度的高低都直接影響熱導(dǎo)管的傳熱效率。近幾年關(guān)于熱導(dǎo)管的設(shè)計，生產(chǎn)工藝和毛細(xì)結(jié)構(gòu)層特性對熱導(dǎo)管性能影響的研究成為熱導(dǎo)管工程應(yīng)用的熱點(diǎn)[4?12]。JIANG等[9]研究小型圓熱導(dǎo)管燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)層的設(shè)計和制造，LI等[10]研究壓扁厚度對壓扁型燒結(jié)式微熱管性能的影響，REN等[11]研究回路熱導(dǎo)管中毛細(xì)結(jié)構(gòu)層特征對傳熱性能的影響。目前，從粉末冶金學(xué)的角度探求原料粉末與毛細(xì)結(jié)構(gòu)層性能關(guān)系的研究工作報道較少。本研究從工程應(yīng)用的角度探討粉末的松裝密度、粉末粒度、粒徑分布等粉末特性對燒結(jié)型熱導(dǎo)管毛細(xì)結(jié)構(gòu)層的影響，以期為制備高性能的燒結(jié)型熱導(dǎo)管提供實驗依據(jù)。

1 實驗

1.1 銅粉的制備

本實驗使用的銅粉為熱導(dǎo)管專用銅粉，粉末氧含量小于0.1%(下文中孔隙率為體積分?jǐn)?shù)，其它皆為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。生產(chǎn)原料為純度大于99.9%的電解銅板，Cu粉制造工藝流程為：水霧化→還原→破碎→抗氧化→篩分，制得不同松裝密度、不同粒度范圍和不同粒徑分布的熱導(dǎo)管銅粉。

1.2 銅粉燒結(jié)

本實驗?zāi)M熱導(dǎo)管生產(chǎn)過程中的松裝燒結(jié)工 藝[13]，將銅粉在振動平臺上填入石墨模具并振實，放入網(wǎng)帶爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度980 ℃，在氨分解氣體氣氛中保溫1 h，制得銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)體。燒結(jié)用的石墨模具有兩種，一種尺寸為8 mm×100 mm圓柱體模腔，該模具燒結(jié)得到的銅棒用于孔隙率和毛細(xì)力吸水通量測試；一種尺寸為31.9 mm×12.74 mm×6.5 mm立方體模腔，該模具燒結(jié)得到的銅塊用于斷裂強(qiáng)度 測試。

1.3 性能測試

孔隙率的測試，使用游標(biāo)卡尺測試銅棒的直徑，長度1，使用電子秤稱質(zhì)量1，然后將銅棒放于水中浸置，然后抽真空，使毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的吸水過程在微負(fù)壓中進(jìn)行，保持浸置時間30 min，取出稱質(zhì)量2。

=4(2?1)/(×π×2×1) (1)

式中：為水的密度；1試樣原始質(zhì)量；2試樣吸水后質(zhì)量，1試樣長度，為試樣直徑。

毛細(xì)力吸水通量()測試，使用游標(biāo)卡尺測試銅棒直徑2，長度2，使用電子秤稱質(zhì)量3，將銅棒放入1 cm深的水中，同時計時，記錄水上升到銅棒頂端的時間為，使用電子秤稱質(zhì)量4。

式中：3為試樣原始重量；4為試樣吸水后重量；2為試樣直徑；為試樣吸水時間。

采用WDW?20型萬能試驗機(jī)測試銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的斷裂強(qiáng)度，采用JSM?5600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察粉末和粉末燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的微觀形貌，采用霍爾流速計測試粉末的松裝密度，采用敲擊式振動篩和國家標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)測試粉末的粒徑分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉末特征

圖1所示為不同松裝密度粉末形貌顯微照片，圖1(a)所示為松裝密度1.7 g/cm3的粉末，為薄片不規(guī)則形貌。圖1(b)所示為松裝密度1.9 g/cm3的粉末，為厚片狀不規(guī)則形貌，圖1(c)所示為松裝密度2.2 g/cm3的粉末，為軸狀不規(guī)則形貌，且出現(xiàn)部分類球形顆粒。圖1(d)所示為松裝密度2.6 g/cm3的粉末，為類球形顆粒。銅粉松裝密度1.7~2.6 g/cm3，隨松裝密度升高，粉末由不規(guī)則片狀結(jié)構(gòu)逐漸向類球形轉(zhuǎn)變。水霧化過程中，金屬銅液被大流量水沖擊破碎后，在冷卻過程中來不及收縮成球形，而形成不規(guī)則形貌，由于粉末松裝密度隨粉末非球形系數(shù)的增加而降低，因此粉末形貌越趨于不規(guī)則，其松裝密度越低。

2.2 粉末的松裝密度對燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體性能的影響

將不同松裝密度，粒度為125~355 μm的銅粉，燒結(jié)后測試斷裂強(qiáng)度、孔隙率、毛細(xì)力吸水通量。圖2為不同松裝密度銅粉燒結(jié)后的斷裂強(qiáng)度?？梢钥闯?，隨銅粉松裝密度增加，燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度逐漸增加，且增幅穩(wěn)定。由于粉末松裝密度增加，粉末形貌逐漸由不規(guī)則薄片狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭惽蛐晤w粒，粉末間孔隙體積減小，粉體排列緊密度和粉體間接觸面積增大。單元系粉末燒結(jié)機(jī)制主要是擴(kuò)散和流動，粉體接觸面積增大更利于粉體間原子擴(kuò)散和燒結(jié)頸形成(燒結(jié)頸如圖3所示)，使粉末燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度增加。

圖4所示為不同松裝密度銅粉燒結(jié)后的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量?？梢钥闯?，隨銅粉松裝密度增加，燒結(jié)后孔隙率和毛細(xì)力吸水通量逐漸降低，且降低幅度穩(wěn)定。銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的孔隙率為燒結(jié)前松散狀態(tài)粉末孔隙率減去燒結(jié)過程中孔隙體積收縮。當(dāng)粉末松裝密度增加，粉末形貌逐漸由不規(guī)則薄片狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭惽蛐晤w粒，粉末松散狀態(tài)下孔隙率降低，且粉體間接觸面積大，有利于燒結(jié)的進(jìn)行，在燒結(jié)過程中，松裝密度高的粉末燒結(jié)程度更高，孔隙體積收縮大，所以粉末松裝密度越高，燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體后孔隙率 越低。

充分吸水后，毛細(xì)結(jié)構(gòu)體孔隙全部被水填充[13]，吸水的體積即為孔隙體積，故吸水量與孔隙體積成正比。同時，當(dāng)粉末松裝密度增加時，粉體排列更緊密，粉末間孔隙尺寸減小，在燒結(jié)過程中由于燒結(jié)頸的不斷長大而更容易被阻隔和消失[14]，毛細(xì)結(jié)構(gòu)體吸水時，連通孔隙提供水流通道，被阻隔的孔隙阻礙水流前進(jìn)，進(jìn)而降低吸水速率。毛細(xì)力吸水通量由毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的吸水量和吸水速率決定，吸水量和吸水速率越大，毛細(xì)力吸水通量越高。

圖1 不同松裝密度銅粉的SEM像

圖2 不同松裝密度銅粉燒結(jié)后的斷裂強(qiáng)度

圖3 銅粉燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的SEM像

2.3 粉末的粒徑范圍對燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體性能的影響

將松裝密度為(2.1±0.05) g/cm3，不同粒徑范圍的銅粉燒結(jié)后測試斷裂強(qiáng)度、孔隙率、毛細(xì)力吸水通量。斷裂強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)如圖5所示，可以看出，銅粉粒徑減小，燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度升高。因為粉末粒徑減小，燒結(jié)驅(qū)動力增大，利于燒結(jié)頸形成和長大，粉末燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度增加。

孔隙率和毛細(xì)力吸水通量的測試數(shù)據(jù)如圖6所示，可以看出，隨銅粉粒徑減小，銅粉燒結(jié)后孔隙率和毛細(xì)力吸水通量降低。粉末松裝密度相同，燒結(jié)前粉末松散狀態(tài)孔隙率也相同，在燒結(jié)過程中小粒徑粉末燒結(jié)驅(qū)動力更大，利于燒結(jié)頸長大，孔隙體積收縮增大，所以小粒徑粉末燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的孔隙率更低。且小粒徑粉末間孔隙尺寸小，燒結(jié)時易形成被阻隔和封閉的孔隙，降低吸水速率，毛細(xì)力吸水通量隨之降低。

圖4 不同松裝密度銅粉燒結(jié)后的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量

圖5 不同粒徑銅粉燒結(jié)后的斷裂強(qiáng)度

圖6 不同粒徑銅粉燒結(jié)后的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量

從圖5和6中可以看出粒徑為100~250mm粒度的銅粉燒結(jié)后的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量，斷裂強(qiáng)度均較高，綜合性能好。

2.4 粉末的粒徑分布對燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體性能的影響

將松裝密度為(2.1±0.05) g/cm3，粒徑范圍為100~ 250 μm，其中150~250 μm所占比例不同的銅粉燒結(jié)后測試斷裂強(qiáng)度、孔隙率和毛細(xì)力吸水通量。

銅粉燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度的測試數(shù)據(jù)如圖7所示，可以看出，斷裂強(qiáng)度隨150~250 μm占比增加，先經(jīng)過緩慢增加到最高值，然后迅速降低。當(dāng)150~250 μm比例從10%升高至50%，斷裂強(qiáng)度處于較高值，且增加緩慢，當(dāng)150~250 μm比例為50%時，斷裂強(qiáng)度達(dá)到最高值；當(dāng)150~250 μm比例大于50%時，斷裂強(qiáng)度隨150~250 μm比例增大而迅速減小。

圖7 不同比例150~250 μm粉燒結(jié)后的斷裂強(qiáng)度

圖8所示為粒徑范圍為100~250 μm，其中150~ 250 μm所占比例不同的銅粉，燒結(jié)后的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量，可以看出，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量隨150~250 μm粉末所占比例增加，先經(jīng)過緩慢降低，然后平緩增長，最后迅速增加。當(dāng)150~250 μm粉末比例從10%到30%，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量逐漸降低，當(dāng)150~250 μm粉末比例為從30%到70%時，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量平緩增加，當(dāng)150~250 μm粉末比例大于70%時，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量迅速增加。

圖8 不同比例150~250 μm粉燒結(jié)后的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量

銅粉燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度和孔隙率，毛細(xì)力吸水通量出現(xiàn)這種變化規(guī)律主要受以下2個影響因素：1)粉末粒徑影響：100~250 μm銅粉由100~150 μm(簡稱為“細(xì)粉”)和150~250 μm(本段中簡稱為“粗粉”)這2種粒徑粉末組成，隨著銅粉中粗粉比例增加，粉末粒徑增大，燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度降低，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量增大。2) 兩種粒徑粉末相互填充[15]作用：當(dāng)粉末粒徑尺寸相近時，粉體顆粒間易形成尺寸大小相近的孔隙，當(dāng)粉末中粗細(xì)粉末混合時，粗粉間的大尺寸空隙可以被細(xì)粉填充而變小。當(dāng)銅粉中粗細(xì)粉各自所占的比例越接近，這2種粒徑粉末的填充作用越強(qiáng)，導(dǎo)致粉體間孔隙體積和孔隙尺寸減小，粉末顆粒接觸面積增大，促進(jìn)粉末燒結(jié)頸長大，導(dǎo)致粉末燒結(jié)后斷裂強(qiáng)度增加，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量降低。

從圖7和8中可以看出，粉末松裝密度(2.1±0.05) g/cm3，當(dāng)100~250 μm粉末中150~250 μm所占比例為40%~70%時，粉末燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體斷裂強(qiáng)度，孔隙率，毛細(xì)力吸水通量綜合性能好，且穩(wěn)定。

3 結(jié)論

1) 銅粉粒徑范圍125~355 μm，松裝密度1.9~2.5 g/cm3時，銅粉松裝密度越高，銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)體的斷裂強(qiáng)度越高，孔隙率和毛細(xì)力吸水通量越低。

2) 銅粉松裝密度(2.1±0.05) g/cm3，粒徑范圍125~355 μm和100~250 μm的銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)體性能好，其中125~355 μm粉末燒結(jié)后具有高的孔隙率和毛細(xì)力吸水通量，100~250 μm銅粉燒結(jié)后具有高的斷裂強(qiáng)度。

3) 銅粉松裝密度(2.1±0.05) g/cm3，粒徑范圍100~ 250 μm，其中150~250 μm比例不同時，粉末燒結(jié)后毛細(xì)結(jié)構(gòu)體斷裂強(qiáng)度、孔隙率和毛細(xì)力吸水通量的影響因素為：銅粉粒徑變化和不同粒徑粉末的相互填充作用。當(dāng)銅粉粒徑范圍為100~250 μm，其中150~ 250 μm的比例為40%~70%時，銅粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)體綜合性能好，斷裂強(qiáng)度為9.11~9.67 MPa，孔隙率52.6%~ 53.8%，毛細(xì)力吸水通量1.30×10?3~1.42×10?3 g/(s?mm2)。

[1] MARKOFF J. Intel’s big shift after hitting technical wall[N]. The New York Times, May17, 2004.

[2] TANG Y, DENG D X, HUANG G H, et al. Effect of fabrication parameters on capillary performance of composite wicks for two-phase heat transfer devices[J]. Energy Convers Manage, 2013, 66(1): 66?76.

[3] LAUNAY S, VALISE M. State of the art experimental studies on loop heat pipes[J]. Frontiers in Heat Pipes, 2011, 2(1): 1?14

[4] MAMELIA M, ARANEOC L, FILIPPESCHI S. Thermal response of a closed loop pulsating heat pipe under a varying gravity force[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2014, 80(1): 11?22.

[5] HANLON M, MA H. Evaporation heat transfer in sintered porous media[J]. Journal of Heat Transfer, 2003, 125(4): 644?652.

[6] CHEN Y M , WU S C , CHU C I. Thermal performance of sintered miniature heat pipes[J]. Heat and Mass Transfer, 2001, 37(37): 611?616.

[7] LI Xibing, TANG Yong, LI Yong, et al. Sintering technology for micro heat pipe with sintered wick[J]. Journal of Central South University of Technology, 2010, 17(1): 102?109.

[8] REN Chuan, WU Qingsong. Effect of porosity and permeabtlity on performances of loop heat pipe’s wick[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2007, 28(4): 634?636.

[9] JIANG Lelun, TANG Yong, ZHOU Wei. Design and fabrication of sintered wick for miniature cylindrical heat pipe[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(1): 292?301.

[10] LI Yong, HE Hengfei, JIE Zhiwei, et al. Effect of flattening thickness on performance of flattened sintered micro heat pipe[J]. Journal of South China University of Technology, 2012, 40(1): 40?46.

[11] REN Chuan. Parametric effects on heat transfer in loop heat pipe’s wick[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, 54(17): 3987?3999.

[12] WANG Dezhi, WANG Xiaoying, ZHOU Pan, et al. Effect of sintering process on properties of Ni porous capillary wicks for loop heat pipe[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2014, 19(5): 687?694

[13] 王英, 李誠. 工程流體力學(xué)[M]. 湖南: 中南大學(xué)出版社, 2004: 10?12. WANG Ying, LI Cheng. Engineering Fluid Mechanics[M]. Hunan: Central South University Press, 2004: 10?12.

[14] 韓鳳麟. 粉末冶金基礎(chǔ)教程—原理與應(yīng)用[M]. 廣州:華南理工大學(xué)出版社, 2005: 125?126. HAN Fenglin. Powder Metallurgy Basic Tutorial-Principleand Application[M]. Guangzhou: South China University of Technology press, 2005: 125?126.

[15] 黃培云. 粉末冶金原理[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2013: 100?104. HUANG Peiyun. Powder Metallurgy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2013: 100?104.

(編輯 高海燕)

Effects of copper powder character on properties of sintered capillary structure in heat pipe

YI Cui1,2, WANG Richu1, MO Wenjian2, ZHONG Yaozong2

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Hunan province Tian Xin Bo Li technology Ltd., Co, Yiyang 413000, China)

The effects of apparent density, particle size and distribution of copper powder on the properties of sintered copper compacts with capillary structure, such as fracture strength, porosity and capillary water permeability were studied. The results showed that the copper compacts withcapillary structure sintered at 980 ℃ for 60 min, by copper powder with apparent density of 2.1 g/cm3, particle size of 100?250 μm, in which mass fraction of 150?250 μm copper powder is 40%?70%, should get the optimal properties with the porosity of 52.63%?53.8%, fracture strength of 9.11?9.67 MPa, water permeability of 1.30×10?3?1.42×10?3 g/(s?mm2).

heat pipe; copper powder; fracture strength; porosity; capillary force; water permeability

TF123.23

A

1673?0224(2016)03?451?06

國家發(fā)改委重點(diǎn)項目產(chǎn)業(yè)化專項基金(湘發(fā)改工[2012]-1123)

2015?06?01；

2015?07?31

王日初，博士，教授。電話：0731-88836638；E-mail: wrc@mail.csu.edu.cn