复合式毛细吸液芯的烧结成形机理及传热性能研究

针对光电子产品狭小空间高热流密度热控制对高性能微热管的迫切需求，本项目提出在微小型铜管内壁加工微沟槽+烧结铜粉的方法和在不同的区域段烧结不同粒径铜粉（多梯度铜粉粒径烧结）的方法以制造复合式毛细吸液芯微热管，所成型的复合式吸液芯结构具有多种特征，能大大提高微热管的传热性能，减小微热管的传热热阻与回流液阻，增强吸液芯与管壁的黏结力等。项目主要研究复合式吸液芯结构的形貌表征及拓扑优化设计，建立烧结模型，探索烧结成型过程中的铜粉、沟槽、时间、温度、应力等多参数之间的耦合机制与演变规律，并研究其传质传热性能，尤其是对关键的毛细压力、热阻、回流阻力等的影响规律。为高性能复合式吸液芯微热管的制造提供理论依据，实现由功能需求主动设计复合式吸液芯的结构参数与特征的目的，使我国在热控制领域关键的微热管制造技术与机理研究方面达到国际先进水平。

随着微电子与光电子领域的芯片热流密度急剧增加及有效散热空间日益狭小等新特点和新现象的出现，具有高导热率、良好的等温性、热响应快、结构简单、无需额外电力驱动等优点的微型热管已成为高热流密度电子芯片导热的理想元件。微热管的传热性能主要取决于管内壁的吸液芯结构，研究表明，沟槽式微热管具有低的径向导热热阻与工质液体回流阻力，而烧结式微热管具有优良的毛细吸力，因此，如何在微热管内壁上加工出微沟槽，然后在微沟槽上烧结一定厚度的紫铜粉颗粒，制造出沟槽-烧结复合式吸液芯结构的微热管以改善其传热能力，是亟待解决的难题。本项目通过对沟槽式微热管与烧结式微热管的制造工艺分析，提出利用固定多齿芯头刀具在满充液体条件下的钢球高速旋压的方法来加工微热管内壁轴向微沟槽，利用微型振动半自动式铜粉颗粒填入、工质冻结-抽真空-冷焊与二次除气-冷焊的方法在微沟槽上烧结一定厚度的紫铜粉颗粒，以制造沟槽-烧结复合式吸液芯微热管。在分析微热管工作原理与传热性能的基础上，运用Matlab软件计算出微热管内壁轴向齿槽结构的优化参数，提出了采用微细铣削工艺在普通数控机床上加工多齿芯头刀具的制造方法，设计制造了充液钢球高速旋压成形系统；提出了一种在圆形管壳中“径向立方体-轴向菱面体”的铜粉颗粒的排列模型，并推导其各种传热极限，对吸液芯厚度进行优化。运用能量法原理，建立了纯铜的变形抗力模型和轴向齿槽成形的旋压力计算模型，确定了拉拔力和扭矩与当量直径、钢球直径、拉拔速度、芯头直径和旋压速度等加工参数的关系，并通过实验验证了所建立理论模型的正确性。在分析微热管对吸液芯烧结要求的基础上，提出一种微型振动半自动式铜粉颗粒填入方法，提高了铜粉颗粒填入效率，保证了吸液芯结构的空隙率基本一致，使铜粉颗粒在微热管中分布均匀，烧结后的吸液芯结构对称性比较好且厚度均匀，获得质量比较好的吸液芯结构。在分析金属粉末烧结成型机理的基础上，进行了大量的实验来研究合理的烧结参数。实验结果表明，宜选择900-950℃的烧结温度与30-60min的烧结时间，并在纯度为99.999%的氢气保护下进行烧结，在降温至200-250℃时取出不锈钢芯棒。在分析微热管中热流密度变化规律的基础上，建立了烧结-沟槽式微热管工质量的模型；在分析微热管对真空度要求的基础上，提出先工质冻结-抽真空-冷焊，然后二次除气-冷焊的制造制造方法，达到了微热管中真空度的要求。