多孔鎳毛細(xì)芯的制備及其力學(xué)性能

黎強(qiáng)，甘雪萍，李志友，周科朝

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多孔鎳毛細(xì)芯的制備及其力學(xué)性能

黎強(qiáng)，甘雪萍，李志友，周科朝

(中南大學(xué) 粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410083)

以羰基鎳粉為原料，選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為造孔劑，采用粉末冶金方法制備孔結(jié)構(gòu)和孔隙可控的多孔鎳毛細(xì)芯。采用X射線衍射儀、掃描電鏡和力學(xué)性能測(cè)試等檢測(cè)手段對(duì)多孔鎳的物相組成、孔隙特征和力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)和分析。研究燒結(jié)溫度、造孔劑PMMA含量和粒徑對(duì)多孔鎳的孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，隨燒結(jié)溫度升高，多孔鎳孔隙率減小，孔徑變小，力學(xué)性能升高；隨造孔劑PMMA含量和粉末粒徑增大，孔隙率增加，孔徑增大，力學(xué)性能下降。在燒結(jié)溫度為800 ℃，PMMA體積分?jǐn)?shù)為80%、粉末粒徑為5 μm條件下制備的多孔鎳綜合性能最佳，孔隙率為71.9%，平均孔徑為2.37 μm，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為25.3 MPa和8.7 MPa。

多孔鎳；造孔劑；燒結(jié)溫度；孔隙率；力學(xué)性能

環(huán)路熱管是一種利用工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝的相變潛熱來傳遞熱量的兩相傳熱設(shè)備[1]，可用于航空航天和各種電子器件[2?5]。環(huán)路熱管主要由蒸發(fā)器、冷凝器、補(bǔ)償器、工質(zhì)流通管道等組成，毛細(xì)芯作為蒸發(fā)器的核心部件，一方面提供毛細(xì)作用力作為工質(zhì)循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，另一方面需要將產(chǎn)生的蒸汽轉(zhuǎn)移至蒸汽管道。毛細(xì)芯性能的好壞決定了環(huán)路熱管的性能。因此為了獲得性能更好的環(huán)路熱管，毛細(xì)芯的制備及性能研究十分重要。多孔金屬的孔隙率可控，易加工，對(duì)工質(zhì)的兼容性好，是很好的毛細(xì)芯材料。多孔鎳以其較小的導(dǎo)熱系數(shù)，可以很好的減少背向漏熱，防止毛細(xì)芯燒干。大量文獻(xiàn)研究了毛細(xì)芯的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)環(huán)路熱管傳熱性能的影響，指出毛細(xì)芯的滲透率和導(dǎo)熱系數(shù)為主要的影響因素[6?10]。目前對(duì)多孔鎳毛細(xì)芯制備的研究主要集中在制備參數(shù)對(duì)毛細(xì)芯滲透率等性能的影響，如在QU等[11]研究制備過程中造孔劑含量和粒徑、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間和壓制壓力這五個(gè)因素對(duì)環(huán)路熱管的四個(gè)主要性能(孔隙率、滲透率、毛細(xì)管力和導(dǎo)熱系數(shù))的影響，指出造孔劑含量和壓制壓力是最主要的影響因素；王德志等[12]研究松裝燒結(jié)工藝對(duì)多孔鎳毛細(xì)芯性能的影響，獲得了制備多孔鎳毛細(xì)芯性能較好的工藝參數(shù)；但很少對(duì)毛細(xì)芯力學(xué)性能進(jìn)行研究。由于環(huán)路熱管使用過程中一直會(huì)受到外殼等其他部件施加的壓力，多孔毛細(xì)芯如果受到壓縮，會(huì)破壞其結(jié)構(gòu)，使其孔隙率、孔徑和滲透率等性能發(fā)生改變，導(dǎo)致環(huán)路熱管運(yùn)行受阻。另一方面，制備的毛細(xì)芯需要通過機(jī)加工來達(dá)到使用所需的形狀，在加工過程會(huì)殘留一定的應(yīng)力，為保證多孔毛細(xì)芯的使用性能，多孔毛細(xì)芯需要有一定的強(qiáng)度。目前對(duì)多孔金屬的力學(xué)性能研究主要集中在生物材料，如多孔鈦[13]和多孔鈦合金[14]等。張俊彥等[15]和陳勁松[16]研究了泡沫鎳的壓縮性能，指出多孔鎳的壓縮過程與其他泡沫材料一樣。上述研究的多孔金屬的平均孔徑均超過100 μm，但很少對(duì)孔徑在100 μm下的多孔金屬的力學(xué)性能進(jìn)行研究。因此，在本研究中，采用粉末冶金的方法，通過添加造孔劑PMMA來制備孔結(jié)構(gòu)和孔隙率可控的多孔鎳，研究燒結(jié)溫度、造孔劑PMMA含量和粒徑對(duì)多孔鎳的孔結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)以羰基鎳粉(1~3 μm，99.9%，成都核八五七新材料有限公司)為原料，以2，5，20和50 μm四種粒徑的PMMA(99.99%，東莞市保力美塑料有限公司)作為造孔劑。圖1為不同粒徑的PMMA的形貌圖，粉末呈球狀。鎳粉和PMMA粉末在球料比為1:1的行星球磨機(jī)中混粉8 h。為了獲得不同孔隙率的多孔鎳，造孔劑PMMA的添加量分別為70%，75%，80%，85%和90%(均為體積分?jǐn)?shù)下同)。采用模壓成形，壓制壓力為200 MPa，生坯在氫氣氣氛下燒結(jié)制備得到多孔鎳試樣，燒結(jié)過程中以5 ℃/min升溫至240 ℃，再以1 ℃/min升溫至400 ℃，在此過程中脫除樣品中的造孔劑PMMA，最后以5 ℃/min升溫至燒結(jié)溫度，保溫1 h，燒結(jié)溫度分別為700，750，800，850和900 ℃。

采用X射線衍射儀(XRD，D/max2550，日本)對(duì)樣品進(jìn)行物相分析；采用阿基米德排水法測(cè)量多孔鎳的孔隙率；采用掃描電鏡SEM(Quanta FEG 250)對(duì)原始粉末和多孔鎳的微觀形貌進(jìn)行觀察，并通過Image pore plus軟件估算平均孔徑；利用材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(Instron3369)檢測(cè)試樣的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

圖1 PMMA粉末顆粒SEM照片

(a) 2 μm; (b) 5 μm; (c) 20 μm; (d) 50 μm

2 結(jié)果與分析

2.1 物相分析

由于PMMA的分解溫度在240~400 ℃，因此可以預(yù)測(cè)在燒結(jié)過程不會(huì)對(duì)試樣的物相組成造成影響。圖2為添加80%粒徑為5 μm的PMMA制備的多孔鎳的XRD圖譜。從圖中可以看出，圖譜中只有鎳相，沒有任何造孔劑的殘留相，說明添加的造孔劑PMMA對(duì)試樣的物相沒有影響。

圖2 添加80%造孔劑制備的多孔鎳試樣的物相組成

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)多孔鎳力學(xué)性能的影響

圖3為添加70%粒徑5 μm的PMMA的生坯在不同燒結(jié)溫度下制備的多孔鎳的微觀形貌。圖3(a)表明700 ℃下樣品已經(jīng)形成了燒結(jié)頸，但燒結(jié)頸比較細(xì)，隨燒結(jié)溫度升高，燒結(jié)頸明顯長大，并且從圖中可以看出孔隙是三維貫通的。圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)表明在各溫度下燒結(jié)制備的多孔鎳孔隙分布均勻，隨溫度升高，大孔數(shù)目明顯減少并且均勻性更好。由燒結(jié)理論可知，單元系燒結(jié)的主要機(jī)制是擴(kuò)散和流動(dòng)，它們與燒結(jié)溫度和時(shí)間的關(guān)系極為重要。在較低溫度下燒結(jié)，顆粒表面原子的擴(kuò)散和表面張力所產(chǎn)生的應(yīng)力，使物質(zhì)向接觸點(diǎn)流動(dòng)，接觸逐漸擴(kuò)大為面，形成燒結(jié)頸，孔隙率降低。在高溫?zé)Y(jié)后，孔隙繼續(xù)縮小并趨近于球形[17]。

表1所列為添加70% PMMA、在不同燒結(jié)溫度下制備的多孔鎳的孔隙特征。燒結(jié)溫度從700 ℃升至900 ℃，總孔隙率從73.2%減小到56.9%，開孔率從71.7%減小到54.7%，開孔率占比超過95%，證明圖3中的孔隙高度貫通。燒結(jié)溫度升高，促進(jìn)了原子擴(kuò)散和燒結(jié)頸的長大，從而使樣品收縮，孔隙率降低。添加造孔劑的量比較多，使得多孔鎳中的孔隙幾乎呈現(xiàn)三維貫通。隨溫度升高，多孔鎳的平均孔徑增大。這是因?yàn)闇囟壬?，加快了表面原子的擴(kuò)散，使小孔不斷縮小與消失，而大孔隙增大，從而使得平均孔徑增大。

圖3 不同燒結(jié)溫度下的多孔鎳SEM照片

(a, b) 700 ℃; (c, d) 800 ℃; (e, f) 900 ℃

表1 不同燒結(jié)溫度下的多孔鎳的孔隙率和平均孔徑

圖4為不同燒結(jié)溫度下多孔鎳的力學(xué)性能，燒結(jié)溫度從700 ℃增加至900 ℃，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由17.6 MPa和4.9 MPa增加到64.1 MPa和25.4 MPa。主要是因?yàn)闊Y(jié)溫度升高，使得燒結(jié)頸長大，單位面積上起支撐作用的孔壁增厚，孔壁抵抗變形的能力變大，力學(xué)性能提高。綜上所述，在800℃下燒結(jié)制備的多孔鎳綜合性能更好。

2.3 造孔劑含量對(duì)多孔鎳力學(xué)性能的影響

圖5所示為燒結(jié)溫度為800 ℃，添加不同含量的粒徑5 μm的PMMA下多孔鎳的微觀形貌。從表面形貌圖5(a)、圖5(c)和圖5(e)中可以看出，隨造孔劑含量增加，樣品表面的孔隙數(shù)目增加，孔隙分布更加均勻，從圖5(c)和圖5(e)中發(fā)現(xiàn)部分10~20 μm的大孔。這是因?yàn)樵炜讋㏄MMA顆粒存在團(tuán)聚，揮發(fā)后形成部分大孔。圖中存在間隙孔和造孔劑PMMA分解造成的孔這兩種孔隙，間隙孔是因?yàn)樯髟趬褐七^程中鎳粉之間存在的原始孔隙，在燒結(jié)過程中鎳顆粒之間相互接觸形成燒結(jié)頸，燒結(jié)頸不斷長大、孔隙趨近于球形，最終形成了顆粒間的間隙孔。

表2所列為在800 ℃下燒結(jié)，添加不同含量造孔劑時(shí)多孔鎳的孔隙率。造孔劑含量從70%增加至90%時(shí)，孔隙率從66.9%增加至75.5%，開孔率從63.5%增加至73.3%，孔隙率和造孔劑含量基本呈線性關(guān)系。添加70%、80%和90%的造孔劑制備的多孔鎳試樣的平均孔徑依次為2.21、2.37和2.48 μm，由于造孔劑PMMA在400 ℃下完全揮發(fā)，在更高的溫度下燒結(jié)原子的擴(kuò)散和遷移，使得制備的樣品的平均孔徑均小于造孔劑PMMA的粒徑，造孔劑的添加量越大，形成的孔隙越多，對(duì)樣品的燒結(jié)的阻礙作用越大，最終樣品的孔徑越大。因此可以通過改變?cè)炜讋┑暮縼慝@得不同孔隙率和粒徑的多孔鎳。

圖4 不同燒結(jié)溫度下多孔鎳的力學(xué)性能

圖5 添加不同造孔劑含量下的多孔鎳SEM照片

(a, d) 70%; (b, e) 80%; (c, f) 90%; (a, b, c) Surface; (d, e, f) Fracture

表2 添加不同含量造孔劑下的多孔鎳的孔隙率和平均孔徑

圖6為添加不同含量造孔劑時(shí)多孔鎳的力學(xué)性能，造孔劑PMMA含量從70%增加至90%，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由39.0 MPa和10.2 MPa降低到15.5 MPa和5.9 MPa。主要是因?yàn)樵炜讋┖吭黾?，使得孔隙率增加，?dǎo)致單位面積上的起支撐作用的孔壁減少，孔壁抵抗變形的能力變小，力學(xué)性能降低；其次造孔劑增加使得造孔劑顆粒相互接觸的可能變大，揮發(fā)后形成大孔，從而在大孔處壓力集中，使得力學(xué)性能降低。綜上所述，添加80%的造孔劑制備的多孔鎳綜合性能更好。

圖6 添加不同含量造孔劑下多孔鎳的力學(xué)性能

2.4 造孔劑粒徑對(duì)多孔鎳力學(xué)性能的影響

圖7為燒結(jié)溫度為800 ℃，添加80%不同粒徑的PMMA制備多孔鎳的微觀形貌。從圖中可以看出，隨造孔劑粒徑增大，大孔隙尺寸變大，數(shù)目增多。如圖7(d)所示，當(dāng)PMMA的粒徑達(dá)到50 μm時(shí)，大孔隙形貌保留了造孔劑PMMA的形貌，同時(shí)存在大量的小孔。其主要原因是晶界要從有孔隙的位置移動(dòng)到無孔的位置，就要增加晶界面和界面自由能，隨造孔劑粒徑增大，造孔劑脫除后形成的孔隙越大，對(duì)晶界移動(dòng)所需的能量就越大，晶界的釘扎作用越大，晶界移動(dòng)就越困難，從而使得更多的小孔保留下來。

圖7 添加不同粒徑PMMA下的多孔SEM照片

(a) 2 μm; (b) 5 μm; (c) 20 μm; (d) 50 μm

表3為添加不同粒徑的PMMA所得多孔鎳的孔隙率和平均孔徑。其孔隙率隨造孔劑粒徑的增大，孔隙率增加，平均孔徑增大。造孔劑粒徑從2 μm增加至50 μm時(shí)，多孔鎳的孔隙率由70.9%增大至81.4%，平均孔徑由1.75 μm增加至2.96 μm，增加幅度不大。其主要原因是造孔劑粒徑增大，晶界移動(dòng)越難，孔隙越難收縮，并且存在較多的小孔，如圖7(d)所示，從而使孔隙率增加，平均孔徑增加不大。

表3 添加不同粒徑的PMMA制備的多孔鎳的孔隙率和平均孔徑

圖8為添加不同粒徑造孔劑下多孔鎳的力學(xué)性能，造孔劑PMMA粒徑從2 μm增加至50 μm時(shí)，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由32.7 MPa和10.4 MPa降低到6.5 MPa和1.6 MPa。主要是因?yàn)樵炜讋┝皆龃?，使得孔隙率增加，?dǎo)致單位面積上的起支撐作用的孔壁減少，孔壁抵抗變形的能力變小，同時(shí)大孔的數(shù)目增大、孔徑增大，使得多孔鎳樣品在大孔處應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致力學(xué)性能降低。綜上所述，添加80%的5 μm PMMA造孔劑在800 ℃下燒結(jié)制備的多孔鎳綜合性能最佳。

圖8 添加不同粒徑造孔劑下多孔鎳的力學(xué)性能

3 結(jié)論

1) 通過添加造孔劑PMMA的方法，可制備孔結(jié)構(gòu)可控的高孔隙率的多孔鎳。

2) 隨燒結(jié)溫度升高，孔隙率降低，孔隙分布更加均勻，平均孔徑減小，力學(xué)性能提高。燒結(jié)溫度從700 ℃升至900 ℃時(shí)，多孔鎳的孔隙率由73.2%降低至56.9%，平均孔徑由2.03 μm增至2.51 μm，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由17.7 MPa和4.9 MPa增到64.1 MPa和25.4 MPa。

3) 隨造孔劑PMMA含量增加，孔隙率增加，平均孔徑增大。力學(xué)性能隨孔隙率的增加而下降，造孔劑PMMA添加量從70%增加到90%時(shí)，多孔鎳的孔隙率由66.9%增至75.5%，平均孔徑由2.21 μm增至 2.48 μm，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由39.0 MPa和10.2 MPa降低到15.5 MPa和5.9 MPa。

4) 隨造孔劑PMMA粒徑增加，孔隙率增加，平均孔徑增大并且存在較多的小孔，力學(xué)性能下降。造孔劑粒徑從2 μm增加至50 μm時(shí)，多孔鎳的孔隙率由70.9%增至81.4%，平均孔徑由1.75 μm增至2.96 μm，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別由32.7 MPa和10.4 MPa降低到6.5 MPa和1.6 MPa。

5) 在燒結(jié)溫度為800 ℃，PMMA含量為80%，粒徑為5 μm條件下制備的多孔鎳綜合性能最佳，孔隙率為71.9%，平均孔徑為2.37 μm，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為25.3 MPa和8.7 MPa。

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(編輯 高海燕)

Fabrication and mechanical properties of porous Ni wicks

LI Qiang, GAN Xueping, LI Zhiyou, ZHOU Kechao

(State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Porous Ni wicks with high porosity and controllable pore characteristics were fabricated by powder metallurgy method using polymethylmethacrylate (PMMA) as pore-forming agent and carbonyl Ni powder as raw material. The phase composition, micro-structure and mechanical properties of porous Ni were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope SEM and mechanical testing instrument. The effects of sintering temperature, the particle size and content of PMMA on pore structures and mechanical properties of porous Ni were investigated. The results show that with the increase of sintering temperature, the porosity and average pore size decrease, mechanical properties increase. With the increase of the particle size and content of PMMA, the porosity and average pore size increase, mechanical properties decrease. The porous Ni wicks with the most excellent comprehensive performance can be fabricated by sintering at the temperature of 800 ℃ with 80% volume fraction addition of PMMA (5 μm). The porosity, average pore size, flexural strength and compressive strength are 71.9%, 2.37 μm, 25.3 MPa and 8.7 MPa, respectively.

porous Ni; sintering temperature pore-forming agent; porosity; mechanical properties

TG146.1+5

A

1673-0224(2018)04-361-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0301400)

2017?12?06；

2018?01?11

甘雪萍，教授，博士。電話：0731-88836303；E-mail: ganxueping@csu.edu.cn