[发明专利]一种具有极小孔道弯曲度的环路热管用氮化硅平板毛细芯及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有极小孔道弯曲度的环路热管用氮化硅平板毛细芯及其制备方法，所述环路热管用氮化硅平板毛细芯内部具有单向孔道，小孔分布在大孔孔壁上；所述环路热管用氮化硅平板毛细芯的孔隙率为65.45%～85.37%，小孔尺寸为0.8～1.3μm，大孔尺寸为2.5～100.7μm，孔道弯曲度为2.0～6.0。

技术领域

本发明涉及一种具有极小孔道弯曲度的环路热管用氮化硅平板毛细芯及其制备方法，属于热控领域。

背景技术

随着电子科技的迅速发展，电子元器件高热流密度的特点提高了其散热的需求。环路热管作为一种相变传热装置，利用液体工质的蒸发和冷凝，可以完成高效的传热和控温。因此，其在航空航天和电子设备散热领域受到广泛的关注。蒸发器中的毛细芯作为环路热管的核心部件，为热管内部的两相工质流动提供驱动力。因此毛细芯的选材和孔参数对环路热管的传热效率十分关键。由于聚合物材料工质相容性和高温稳定性较差，而以镍、铜和不锈钢为代表的金属芯热导率过高，易造成背向热泄露，同时在加工过程中，塑性变形易造成表面的微孔封闭。因此，能够克服上述劣势的陶瓷毛细芯成为了研究的热点。

多孔氮化硅陶瓷具有优异的热稳定性和化学稳定性，其棒状晶粒交联搭接的微结构保证陶瓷在较高孔隙率下可以保持足够的强度，这有利于毛细芯的装配及其在复杂热流耦合环境下的应用。此外，传统的具有单一孔径分布的毛细芯已经难以满足高热流密度下环路热管正常运行对毛细芯毛细抽吸性能和渗透性能的要求。而具有双孔分布的均质毛细芯在一定程度上可以实现“小孔吸液，大孔排气”的目标，但还是无法全面满足环路热管对毛细芯不同部位功能性的要求，例如，新型毛细芯要求靠近蒸发面的毛细芯部分导热性能较好、孔径较小、孔径分布比较均匀，而靠近补偿腔或者储液器的毛细芯部分应该具有相对较差的热导率减小背向热泄露、较大的孔径减小工质流动的阻力。此外，新型毛细芯还应具有较小孔道弯曲度。孔道弯曲度指的是流体流经多孔介质内部的路径与其流动方向多孔介质的宏观厚度之间的比值。较小的孔道弯曲度将降低流体在多孔介质中的流动阻力。因此，具有较小孔道弯曲度的多尺度孔结构设计成为了毛细芯功能最大化的关键。

发明内容

针对上述的问题，本发明旨在提供一种具有极小孔道弯曲度的环路热管用氮化硅平板毛细芯及其制备方法。该毛细芯具有优异的毛细抽吸性能和渗透性能，其独特的结构特征十分符合高性能平板毛细芯的设计理念。

第一方面，本发明提供了一种具有极小孔道弯曲度的环路热管用氮化硅平板毛细芯，所述环路热管用氮化硅平板毛细芯内部具有单向孔道，小孔分布在大孔孔壁上；所述环路热管用氮化硅平板毛细芯的孔隙率为65.45％～85.37％，小孔尺寸为0.8～1.3μm，大孔尺寸为2.5～100.7μm，孔道弯曲度为2.0～6.0。

优选地，所述环路热管用氮化硅平板毛细芯沿冷冻温度梯度方向压缩强度为2.0～15.7MPa，毛细抽吸系数为18～69秒，达西渗透率为1.6*10^-12～5.9*10^-11m²。

第二方面，本发明提供了上述环路热管用氮化硅平板毛细芯的制备方法，包括：将Si₃N₄粉体、烧结助剂、粘结剂水溶液和分散剂混合后，得到均匀的陶瓷浆料；采用单一冷源进行冷冻固化和冷冻干燥，得到陶瓷素坯；再经过预烧和烧结，得到所述环路热管用氮化硅平板毛细芯。

本发明利用环境友好型的冷冻干燥法，结合水基陶瓷浆料，制备在温度梯度方向具有连续变化孔结构的氮化硅平板毛细芯。这种特殊孔结构的毛细芯满足新型平板毛细芯对孔结构的需求。特别地，与传统毛细芯相比，该毛细芯具有更小的孔道弯曲度，这极大地降低了环路热管运行过程中两相工质在毛细芯内部的流阻。该方法制备的毛细芯具有孔隙率高、孔道弯曲度小、毛细抽吸性能和渗透性能优异、沿冷冻温度梯度方向压缩强度高等特点。