基于金属材料和聚合材料复合的热管或均热板的制作方法

摘要

本发明涉及基于金属材料和聚合材料复合的热管或均热板的制作方法，该方法包括以下步骤：(1)金属材料与聚合物材料的复合腔体制备：将聚合物与金属紧密连接形成复合式腔体；(2)超亲水网状吸液芯的制备：将网进行表面化学处理，在网表面形成亲水性微纳米结构，使其表现出超强的亲水性，所得超亲水网状吸液芯置于所述复合式腔体内；(3)可变形热管或均热板的制作：先将热管或均热板一端封上，然后向内置有超亲水网状吸液芯的复合式腔体内加入工作液，并用热蒸汽法排除腔体内空气后对其进行封装，即制成可变形热管或均热板。与现有技术相比，本发明具有制作工艺简单、低成本的特点，制备的器件具有热阻低、可弯曲性能好等优点。

说明书

技术领域

本发明属于热管和均热板技术领域，通过结合金属材料优良的导热性，聚合 物材料优良的柔韧性和网吸液芯的超亲水性及韧性，达到了在保持可弯曲性能的前 提下大幅降低热管或均热板热阻的目的。

背景技术

热管和均热板技术最初被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制 造行业以来，使人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来 提高散热效率的单一散热模式，开辟了散热技术的新天地。然而，普通热管和均热 板技术在应用环境上有一定的局限性，譬如热源和冷却源可能不在一个平面或者两 者相对位置不固定。面临这种问题，可变形热管应运而生。最初的可变形热管起源 于二十世纪70年代，人们采用螺纹状的金属管来制作可变形热管，在一定程度上 实现了可变形性，但是仍然有一定的局限性，例如弯曲困难、无法重复变形等。

近年来，采用聚合物材料的各类可变形热管和均热板不断被开发出来，典型的 有平面热管、微型热管和脉冲热管。这些聚合物热管具有良好的可变形性能，但是 由于完全采用或大比例采用聚合物作为构成材料，而绝大部分聚合物本身的导热性 能比较差，使得这几类可变形热管和均热板存在热阻相对较高，导热功率较小等缺 点。

发明内容

本发明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金属材 料和聚合材料复合的热管或均热板的制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：基于金属材料和聚合材料复合的 热管或均热板的制作方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)金属材料与聚合物材料的复合腔体制备：将具有良好柔韧性的聚合物与 具有优良导热性的金属紧密连接形成复合式腔体；

(2)超亲水网状吸液芯的制备：将网进行表面化学处理，在网表面形成亲水 性微纳米结构，使其表现出超强的亲水性，所得超亲水网状吸液芯置于所述复合式 腔体内；

(3)可变形热管或均热板的制作：先将热管或均热板一端封上，然后向内置 有超亲水网状吸液芯的复合式腔体内加入工作液，并用热蒸汽法排除腔体内空气后 对其进行封装，即制成可变形热管或均热板。

所述的具有优良导热性的金属包括铜，铝，不锈钢或银；所述的聚合物包括高 气密性的聚氨酯，热塑性聚氨酯，有机硅树脂，聚酰亚胺，聚对苯二甲酸乙二酯， 以及带有金属层的聚合物材料。

所述的带有金属层的聚合物材料包括英国Impak公司生产的内置铝箔的聚对 苯二甲酸乙二酯PAKVF4。

所述的聚合物与金属通过胶黏剂紧密粘结，所述的胶粘剂类型取决于金属和聚 合物的类型。

所述的金属为铜，所述的聚合物为聚氨酯，采用的胶黏剂为北京天山可赛新公 司生产的TS1415型胶粘剂。

步骤(2)所述的网为铜网，对其进行表面化学处理的步骤为：将铜网置于4 mol/L的盐酸溶液中浸泡15分钟后用去离子水冲洗干净，然后把铜网浸泡在0.065 mol/L的过硫酸钾和2.5mol/L的氢氧化钾混合溶液中，60℃恒温条件下浸泡60分 钟后取出，用去离子水冲洗干净后晾干即可。

步骤(3)所述的工作液包括去离子水，丙酮，乙醇或添加有纳米材料的纳米 流体。

步骤(3)所述的工作液的加入量为占所述复合式腔体容积的1～50％。

本发明可变形热管或均热板的中部采用韧性良好的聚合物材料，两端采用热导 率优良的金属材料，内部吸液芯采用超亲水网。当在蒸发端加热时，金属材料的高 热导率能快速将热传导到工作液使其相变成蒸汽态，热蒸汽在两端的蒸汽压差推动 下快速运动到冷凝端液化，液化的工作介质在超亲水的吸液芯的毛细作用下沿管壁 快速回流到蒸发端，形成一个快速传热的循环态，达到了快速导热的目的。同时， 由于中部采用的聚合物，保证了整个热管或均热板良好的可弯曲性。由于热管或均 热板依靠蒸汽作为热载体，弯曲对导热性能的影响非常小。

综上所述，该技术采用金属材料作为蒸发和冷凝端，保证了热量的快速传递， 热阻低。由于中部采用聚合物材料，使得整个热管能在较大范围内自由弯折，从而 保证了热管或均热板的可弯曲性能。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明采用金属材料作为蒸发端和冷凝端，降低了热源与工作液之间的 热阻，整个热管或均热板的热阻随之降低。

(2)本发明采用聚合物作为中端材料，在保证低热阻的前提下实现了良好的 可弯曲性能。

(3)本发明采用化学表面处理的方法而不是传统的烧结工艺来制备网状吸 液芯，在获取超亲水性能的同时保证了吸液芯的良好韧性。

附图说明

图1为可变形热管的实际样品图；

图2为铜网吸液芯的化学表面处理前后对比图；

图3为可变形热管在不同弯曲条件下热阻与加热功率的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例，以基于铜管和聚氨酯管复合的可变形热管为例对本发 明作进一步说明。

实施例1

可变形热管的制备工艺

(1)金属管与聚合物管的复合腔体制备

如图1所示，取两段等长的铜管2和一段聚氨酯管1，铜管2置于10％稀硫酸 中超声清洗15分钟，洗净表面污染物和氧化物，聚氨酯管置于清洁剂中超声清洗， 去离子水清洗干净并烘干。然后用胶粘剂3将聚氨酯管1两段分别与两段铜管2 粘接到一起，并在室温下放置24小时，使胶粘剂完全固化得到复合管腔体。

(2)超亲水金属网吸液芯的制备

将铜网置于4mol/L的盐酸溶液中浸泡15分钟后用去离子水冲洗干净，然后把 铜网浸泡在0.065mol/L的过硫酸钾和2.5mol/L的氢氧化钾混合溶液中，60℃恒温 条件下浸泡60分钟后取出，用去离子水冲洗干净后晾干即可。

(3)可变形热管的制作

将处理好的铜网卷成圆筒状，放入步骤(1)粘接好的复合管腔体内，确保铜 网与管壁接触良好。先将热管一端封上，然后向管内加入30％体积比的去离子水 作为工作液，加热蒸发段产生热的水蒸汽排除管内空气后用氩弧焊封端，即得到如 图1所示的可变形热管。

比较例1

为了突出该热管技术的吸液芯的优点，将处理前后的铜网分别做了接触角测试 以及扫描电子显微镜测试，两者对比如图2所示。

从图2a可知，水在处理前的铜网上接触角为135°，表现出明显的疏水性， 而水在处理后的铜网上表现出非常好的浸润性，水滴很快扩散成一片水渍(如图 2b所示)。对比图2c和图2d中的扫描电镜照片可以发现，处理前的铜网表面比较 平滑，处理后的铜网表面有一层针状的微纳米结构，这种微纳米结构使得铜网表现 出超亲水特性。

可变形热管在弯折条件下的性能表现

(1)可变形热管性能测试装置：将制成的可变形热管竖直固定，底端为蒸发 端，顶端为冷凝端。将硅橡胶加热带缠绕在蒸发端，恒温冷却板固定在冷凝端，两 根热电偶分别固定在蒸发端和冷凝端，加热带外接在DC电源上，蒸发端和中部绝 热端用热绝缘材料包裹起来，避免热量的流失。调节DC电源输出控制加热带的加 热功率，用热电偶实时监控热管两端的温度变化。

(2)可变形热管在不同弯曲角度下的热阻变化：调节DC电源输出功率，每 个功率点加热到热管温度分布不变，然后通过热电偶读数记录两端温度值，输出功 率依次调节为2W，4W，6W，8W，10W，12W，每种弯曲角度记录六组相应数据。 本次测试分别测试了可变形热管在弯曲0°，弯曲30°，弯曲60°，弯曲90°和 弯曲120°五种弯曲状态下的热阻。

如图3所示，弯曲角度对可变形热管的导热性能影响非常小，当功率较大时， 影响几乎可以忽略不计。说明可变形热管在弯曲条件下依然表现出优秀的导热性 能。

实施例2

基于金属材料和聚合材料复合的热管或均热板的制作方法，该方法包括以下步 骤：

(1)金属材料与聚合物材料的复合腔体制备：将聚氨酯作为中部材料，其两 端与铜通过北京天山可赛新公司生产的TS1415型胶粘剂胶粘连接形成复合式腔 体；

(2)超亲水网状吸液芯的制备：将网进行表面化学处理：将铜网置于4mol/L 的盐酸溶液中浸泡15分钟后用去离子水冲洗干净，然后把铜网浸泡在0.065mol/L 的过硫酸钾和2.5mol/L的氢氧化钾混合溶液中，60℃恒温条件下浸泡60分钟后取 出，用去离子水冲洗干净后晾干即可。通过该表面处理在网表面形成亲水性微纳米 结构，使其表现出超强的亲水性，所得超亲水网状吸液芯置于所述复合式腔体内；

(3)可变形热管或均热板的制作：先将热管或均热板一端封上，然后向内置 有超亲水网状吸液芯的复合式腔体内加入去离子水，去离子水的加入量为占所述复 合式腔体容积的50％，并用热蒸汽法排除腔体内空气后对其进行封装，即制成可 变形热管或均热板。

实施例3

基于金属材料和聚合材料复合的热管或均热板的制作方法，该方法包括以下步 骤：

(1)金属材料与聚合物材料的复合腔体制备：将英国Impak公司生产的内置 铝箔的聚对苯二甲酸乙二酯PAKVF4作为中部材料，其两端与铝胶粘连接形成复 合式腔体；

(2)超亲水网状吸液芯的制备：将网进行表面化学处理：将铜网置于4mol/L 的盐酸溶液中浸泡15分钟后用去离子水冲洗干净，然后把铜网浸泡在0.065mol/L 的过硫酸钾和2.5mol/L的氢氧化钾混合溶液中，60℃恒温条件下浸泡60分钟后取 出，用去离子水冲洗干净后晾干即可。通过该表面处理在网表面形成亲水性微纳米 结构，使其表现出超强的亲水性，所得超亲水网状吸液芯置于所述复合式腔体内；

(3)可变形热管或均热板的制作：先将热管或均热板一端封上，然后向内置 有超亲水网状吸液芯的复合式腔体内加入添加有纳米材料的纳米流体，添加有纳米 材料的纳米流体的加入量为占所述复合式腔体容积的1％，并用热蒸汽法排除腔体 内空气后对其进行封装，即制成可变形热管或均热板。