[发明专利]一种具有多级孔结构的金属吸液芯材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有多级孔结构的金属吸液芯材料，所述多级孔结构由不同孔径范围的大孔、中孔和小孔构成，其中所述大孔通过粉末挤出3D打印获得，所述中孔由脱脂过程中粘结剂挥发形成，所述小孔由烧结后金属粉末颗粒之间的孔隙组成。本发明还提供一种多级孔结构的金属吸液芯材料的制备方法：通过新型粉末挤出3D打印工艺制备出具有三维构型的有序大孔；然后采用水浴加热、烧结等后续处理工艺，在大孔骨架内部形成中孔和小孔，从而构建出由大、中、小三级孔构成的多级孔材料。本发明提供的制备方法能够调控孔径大小和孔隙分布，利于多孔吸液芯材料结构设计和性能优化；并且制备工艺简单，成本较低，适用于复杂结构吸液芯材料的设计和制备。

技术领域

本发明涉及增材制造领域，尤其涉及一种具有多级孔结构的金属吸液芯材料及其制备方法。

背景技术

热管是利用热传导和相变介质进行快速导热的装置，与传统的散热装置相比，它具有导热性能强、均温性能好等优点，在航空航天，能源化工以及电子工业等领域有着重要应用前景。吸液芯是热管的重要组成部分，由多孔材料构成，其孔结构与热管的传热性能密切相关。吸液芯的主要作用为：(1) 提供冷凝液从冷凝段回流到蒸发段所需的通道；（2）汽-液分界面上的表面毛细孔产生的毛细力可帮助冷凝液回流；（3）提供管壳内壁与汽-液分界面之间的热流通路。因此改进吸液芯孔结构，提升吸液芯毛细能力成为提升热管性能的关键。

如何提高吸液芯的毛细作用一直是材料和工程热物理领域的研究热点。吸液芯毛细作用大小由两个性能指标共同决定：渗透率和毛细压力。渗透率是表征吸液芯开孔程度的物理量，孔径越大，渗透率越高，液体通过吸液芯所需的能量越小；毛细压力是表征吸液芯对液体吸力大小的物理量，孔径越小，毛细力越大，液体通过吸液芯的所受的驱动力越大。因此，单一增大或者减小吸液芯中的孔径，都不能同时提升吸液芯的为了同时提高吸液芯的渗透率和毛细压力，这导致多孔结构吸液芯的渗透率和毛细压力呈倒置关系。因此如何通过孔径结构设计，实现渗透率和毛细压力的同步提升，是热管用吸液芯研究面临的关键问题。

为了克服渗透率和毛细压力的矛盾，需要使吸液芯同时含有孔径不一的两级甚至多级孔。造孔剂法是制备多级孔结构的常用方法，该方法的工艺路线为：首先将造孔剂和金属粉末均匀混合，之后对混合粉末进行烧结，最后根据造孔剂的性质采用溶解或热挥发将其去除。比如，有学者将氯化钠晶体与金属粉末混合烧结，之后将烧结得到的产品浸没在水中使氯化钠溶解，最终得到具有两种孔径分布的多孔结构，氯化钠晶体作为造孔剂，溶解后形成大孔，金属粉末彼此通过扩散连接的孔隙则形成小孔。依照该工艺方法，能够得到具有双级甚至多级孔结构的吸液芯材料，也可以通过控制造孔剂颗粒的大小调控孔径大小。但是，该工艺方法最大的弊端在于得到的多级孔结构是随机分布的，这会增加毛细通道的长度和材料内部出现闭孔的几率，进而大大降低吸液芯的工作效率。

粉末挤出打印是以含有粘结剂的粉末颗粒为原料，在一定温度下将熔融的粘结剂和粉末混合物挤出成型的新兴间接3D打印技术。该技术利用三维设计零件模型数据在设备上快速而精确地制造出复杂形状的零件，无需传统的刀具、夹具及多道加工工序，展现出巨大的发展潜力和应用前景。此外，与基于熔融沉积成型的激光增材制造工艺不同的是，粉末挤出打印可以通过后续脱脂和烧结工艺的调控，制备出具有不同孔隙结构的多级孔材料。因此，结合粉末挤出打印以及打印件脱脂和烧结工艺控制，可以制造出孔径尺寸和孔隙分布可控的多级孔结构，从而突破当前工艺无法调控多级孔尺寸和分布的难题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种孔径尺寸和孔隙分布可控的多级孔结构的金属吸液芯材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有多级孔结构的金属吸液芯材料，所述多级孔结构由不同孔径范围的大孔、中孔和小孔构成，所述大孔孔径在100-800微米之间，所述中孔孔径在30-80微米之间，所述小孔孔径在1-10微米之间，其中所述大孔通过粉末挤出3D打印获得，所述中孔由脱脂过程中粘结剂挥发形成，所述小孔由烧结后金属粉末颗粒之间的孔隙组成。