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

本发明专利技术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，本发明专利技术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，该发明专利技术为高功率密度器件的发展提供了新方向。

【技术实现步骤摘要】
一种基于气液相变的金属基复合材料器件及其制备方法
本专利技术属于电子器件冷却设备
，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。
技术介绍
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。而本专利技术正是基于上述背景而提出的。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，该专利技术为高功率密度器件的发展提供了新方向。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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，该专利技术为高功率密度器件的发展提供了新方向。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(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为本专利技术的整体结构示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，所述的金属管壳的材料为金属基复合材料。


3.根据权利要求2所述的一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，所述的金属基复合材料为Cu/W基复合材料或Mo/Cu基复合材料。


4.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，所述的金属管壳内壁还镀覆有金属薄层。


5.根据权利要求1所述的一种基于气液相变的金属基复合材料器件，其特征在于，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。


6.根据权利要求5所述的一种基于气液相变的金...

【专利技术属性】
技术研发人员：付本威，邓涛，郑飞宇，储奔，程为铮，怀雷，陶鹏，宋成轶，尚文，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31