粉末冶金在3C产业热管理中的应用.pdf

第 2 1卷 第 1期 2 0 1 1年 2月 粉 末冶 金工 业 P OW DER M ETALLURGY I NDUS T RY Vo 1 ． 21 NO ．1 Fe b ． 2 O1 1 粉末冶金在 3 C产业热 管理 中的应用 韩凤 麟 中国 机 协 粉 末 冶 金 分 会 ， 北 京 1 0 0 8 2 5 摘 要 在 3 C产 业 中， 由于新 电子 器件 的 电流 密度 与 功 率都 越 来越 高， 散 热 成 了一 面 临 的严 重 问题 。 电子线路 的冷却 系统 可分为 两类 ， 一 为钝 态的 ， 一 为活性 的 。钝 态模 式使 用外部 能 源 散 热 ， 诸 如 电风 扇 。相反 地 ， 活性模 式诸 如散 热 器 是 不 用外 部 能 源散 热 的 ， 本 文介 绍 了一 些散 热 器材料 和 用粉 末 冶金 工 艺制 造 的热 管与 蒸发 室 。 关键 词 粉 末 冶金 ； 3 C产 业 ； 热 管理 ； 散 热 器 中 图分类 号 TF1 2 文献标 识 码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 O 1 1 0 1 0 0 0 1 一 l l TH E APPLI CATI oN oF PM I N TH ERM AL M ANAGEM ENT F0R 3 C I NDU STRI ES H AN Fe n g - l i n P M As s o c i a t i o n o f Mo c h i n e Ge n e r a l P a n e r a l P a r t s I n d u s t r y S o c i e t y， B e i j i n g 1 0 0 8 2 5 ， Ch i n a Ab s t r a c t Th e h e a t d i s s i p a t i o n h a s b e c o me o n e ma j o r c h a l l e n g e s i n 3 C i n d u s t r i e s c l u e t o e v e r i n c r e a s i n g hi g h c u r r e nt d e ns i t y a nd h i g h po we r i n n e w e l e c t r o ni c de vi c e s ． Co ol i n g s ys t e m s f o r e l e c t r o ni c s a r e g e ne r a l l y c l a s s i f i e d t wo c a t e go r i e s Pa s s i ve a n d a c t i v e ． The p a s s i v e mod e ut i l i z e s e xt e r na l e ne r g y t o r e mov e he a t ， s u c h a s f a n ．I n c o nt r a s t， i n t h e a c t i v e mod e， a h e a t s i nk he a t p i pe o r v op or c h a m b e r a r e us e d t o r e m o ve he a t wi t ho ut t he a p pl i c a t i on of e xt e r n a l e n e r gy ． Thi s pa pe r wi l l i nt r o du c e s s o m e h e a t s i nc ma t e r i a l s ， he a t p i pe a nd v a po r c h a m b e r pr e p a r e d b y PM t e c hn ol o g y． Ke y wo r ds Po wde r M e t a l l u r gy； 3 C i n du s t r i e s； e l e c t r o ni c d e v i c e s； he a t m a na g e me n t； h e a t s i nc ； he a t pi p e； v a po r c ha mbe r 3 C产业 电脑 ， 通 讯 及消 费性 电子 产 品 近 年来 的发展 趋 向是 轻 、 薄 、 小 型 化 ， 高 功 能化 ， 高频 化 ； 因 此 ， 单位 面积上 电子 元件 的 密度越 来越 大 ， 运作 时产 生 的热 量 越 来 越 多 。依 据 运 作 温 度一 功 率 倒 数 定 律l_ l _ ， 电子元 件 的预期 寿命 随运作 温度 升高 而缩 短 。 由于“ 电子 迁 移 现 象 ” ， 电子 元 件 温 度 每 升 高 1 0 ℃ ， 其使用 寿命 就 相 对 地 减 小 一 半_ 2 ] 。因此 ， 如 何 解 决 电子元 件 散热 问题 ， 可 能 是 3 C 产 业 面 临 的一 个 严 重 问题 。 电子 散热 方式 大体 上可 分为 主动 式 与被动 式 两 种 ， 被 动式 散热 是 以外加 电压或 电流 方式 进行 散热 ， 例如 电风 扇 。主动 式 散 热 不 需 要 外 加 电压 或 电 流 ， 而是 通过 热 导管 h e a t p i p e 和 散热 器 h e a t s i n k 将 热量 排 出掉 。 散 热 器是 利 用 固态 物质 的热 传 导 ， 将 热 量 从输 入一方传导到冷却一方。现在很多散热器材料都是 用 粉末 冶金 技术 生产 的 。 1 日本住友 电工 S u mi t o mo E l e c t r i c 开发 的散 热 器 材 料 嘲 在 半导 体器 件 生产 中 ， 最 基本 的技 术之 一是 ， 如 何 使运 作 时产生 的 大量热 量 散发掉 。为解决 这个 问 题 ， 住友 电工成 功地 开发 了各 种各 样 的 ， 具有 独 特性 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 1 9 作者简介 韩风麟 1 9 2 8 ， 男 汉 ， 河北新河县人 ， 教授 ， 中国机协粉末冶金分会顾 问。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 粉末冶金工业 第 2 1 卷 能 ， 诸如 高热导率 ， 低热膨 胀 率及 低 介 电常数 的散 热 器 材料 1 合成 单 晶金刚石 l b型 S u mi 单 晶 这是 一 种 用超 高压合成 技术 ， 大量 生产 的金 刚石 ， 在所有 材料 中 ， 其热 导率最 高 见 图 1与表 1 。 2CVD- 金 刚 石 这 是 用 化 学 气 相 沉 积 C V D 技术 生 产 的一 种 无 粘 结 剂 多 晶 金 刚 石 膜 。 其杂质 含量极低 ， 具 有优异 的热导 率 。 3 半 透明立 方氮化 硼 T C B N ～这是一 种 无 粘 剂 烧 结 多 晶 立 方 氮 化 硼 ， 其 热 导 率 比 铜 高 5 0 。现在可供 应 的产品 尺寸直径 为 3 4 mm。 4 氮化铝 陶 瓷 A1 N 被 认 为 A1 N 是 陶 瓷 基 片最理想 的材料 ， 可广 泛替 代 B e O 陶瓷 。这 种材 料介 电常数 小 ， 适 合于高 频应用 。除 白色基 片外 ， 还 可提供 黑色基 片 。可提供 各种形 状 的、 厚 膜 、 薄膜金 属化 的 ， 可钎 焊的 ， 可切削 加工 的 A1 N 陶瓷 。 5 基 片与 散 热器 复 合 材 料 C MS H 一 ～这 种 材 料是 由两种不 同金属 复 合 制成 ， 一种 金 属 的热 膨 胀 率小 ， 另外一 种金属 的热 导率 高 。C MS H 材料 的 4种 基 本 复合 形 式 为 C u W ， C u Mo ， A1 一 S i 及 A1 一 Si C。 图 1 示 散热器 材料 的热性 能 。表 1 示 散热器 材 料 的物理一 力 学性 能 比较 。 图 2 与 图 3 分 别 示 散 热 器 材 料 在 1 C 集 成 电 路 ， 光 电 子 学 O p t o E l e c t r o n i c s ， 微 波 Mi c r o wa v e ， 功率 晶体管 P o we r Tr a n s i s t o r 及其 他 方 面 的应用 。 l O Xl O ’ 6 一 渣 毒； 5 Xl 0 一 Al o g 0 CMS H [ A一 4 O 2 u I ’ 卜c F e C l At l 一 L r J l | n CMS f a B c o Ga l 。 ． 。 CM S H Cu 一 oF e 一 一 、 0 、 S i a￡ D Al a ●个一 ● BN SiC I 体 V D 刚石 l l 热导率 v f m 图 1 散热器 材料 的热性能 f 2 5 ℃ 图 散 热 器 的 应 用 一 铝与铝 合金 由于密 度 小 与延 展 性好 ， 一 直 是 制 造散 热 器 的 最 佳 材 料 。 可 是 ， 纯 铝 的热 导 率 只 有 K ， 铝合 金 的热导 率 例 如 一 更 小 ， 见 图。由于 电子产 品的功 率 密度 越 来越 高 ， 因 此不 得不 采用热 导率 较高 的材料 。铜 的的热导 率高 m K ， 延 展性好 及 成本 较低 ， 是 一种 较 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 韩凤麟 粉末 冶金在 3 C产业 热管理 中的应用 3 理想 的散 热器 材 料 。 于是 ， 逐渐 转 向 了采 用 热 导 率 较 高的铝一 铜 复合 材料 ， 甚 至纯 铜材 料 。 表 1 散 热 器 材 料 的 物 理 一 力 学 性 能 比 较 材料 热导率／ W m K 0 2 5 ℃1 0 0 ℃ 一一 横 i 1 MH 数 z ／ GP a／ G P a K ／ TP a 。 。 S U MI 晶体 2 ， 0 0 0 1 ， 4 0 0 2 ． 3 1 0 ～0 ． 5 1 3 ． 5 2 9 ， 0 0 0 1 0 ， O C O 3 ． 9 1 ． 0 5 1 0 1 4 5 ． 7 C V D - 金刚石 1 ，0 0 0 2 ． 3 1 0 一 0 ． 5 1 5 2 9 ， 0 0 0 1 0 ， 0 30 1 ． 0 1 ． 0 5 5 ． 0 1 0 7 5 ． 8 T - C B N 6 0 0 6 4 0 3 ． 7 1 0 0 ． 5 1 3 ． 4 4 ～3 ． 4 9 4 ， 5 0 0 6 ，0 3 0 1 ． 0 0 ． 8 3 1 0 9 ～ 1 O “ 6 ． 5 S A 1N - 2 0 白色 2 0 1 8 O N S A 1 N1 7 白色 1 7 0 1 5 O 4 ． 5 1 0 0 ． 6 7 3 ． 2 6 1 ， 2 0 0 0 ． 3 0 ． 2 7 1 0 1 1 ＆5 S A ／ N I 4 B 黑色 1 4 0 1 2 0 W一 1 0 8 9 W 1 1 C u 1 8 o 1 7 6 6 ． 5 1 0 6 0 ． 1 6 1 7 ． O 0 3 0 0 1 ． 1 0 ． 5 6 0 ． 3 3 5 ． 3 1 0 8 W- 1 5 8 5 W一 1 5 1 9 o 1 8 3 7 ． 2 1 0 0 ． 1 7 1 6 ． 4 0 2 8 0 1 ． 2 0 ． 5 3 0 ． 3 1 4 ． 6 1 0 8 W一 2 O 8 O W 2 0 C u 2 0 0 1 9 7 3 1 0 0 ． 1 8 1 5 ． 6 5 2 6 0 1 ． 3 0 ． 4 9 0 ． 2 8 4 ． 0 X1 0 CM 1 5 8 5 Mo - 1 5 C u 1 6 0 1 5 6 7 ． 0 1 0 0 ． 2 8 1 0 ． O 1 1 5 0 1 ． 2 0 ． 5 4 0 ． 2 8 5 ． 3 1 0 C H A - 4 0 6 0 A 4 0 S i 1 2 6 1 3 8 1 5 ． 4 1 0 0 ． 8 8 2 ． 5 3 1 1 0 n 4 0 ． 2 5 0 ． 1 0 8 ． 1 1 O 7 0 S i G3 O A 1 1 5 0 8 1 0 6 2 ． 6 0 一 n 2 4 1 3 2 一 一 A i SC 6 O G 4 o A ／ 1 6 0 一 1 0 1 0 2 ． 6 5 n 2 4 1 2 5 一 一 5 O s iG 5 0 A 1 1 8 0 1 2 1 0 0 2 ． 7 0 一 n 2 8 1 1 8 S i 1 5 1 4 ． 2 1 0 0 ． 7 5 2 ． 3 0 n 2 0 ． 1 7 2 ． 3 1 0 3 1 1 ． 7 半导体 G a A s 4 6 3 4 5 ． 9 1 0 3 3 5 ． 3 2 一 ～0 ． 2 9 0 9 3 ． 8 1 0 0 1 1 ． 1 I r 】P 7 0 4 ． 5 1 O n 3 2 屯7 9 一 ～ n O 6 2 1 0 1 2 ． 0 A I 2 1 7 1 7 6 ． 7 1 0 n 8 O 3 ． 6 0 1 ， 9 0 0 0 ． 3 一 3 7 1 0 地8 ． 9 陶瓷 B e O 2 5 1 1 8 0 7 ． 6 1 0 n 9 6 2 ． 9 0 1 ， 2 0 0 0 ． 2 一 n 3 3 1 0 1 a 6 ． 7 s iC 2 1 0 I 9 0 3 ． 7 1 0 - 6 Q 7 3 3 ． 2 0 2 ， 8 0 0 0 ． 4 一 n 3 9 1 0 1 4 0 ． 0 Cu 3 9 3 3 9 3 1 7 ． 0 1 0 0 ． 3 8 ＆9 6 8 0 n 2 5 0 ． 1 2 1 ． 7 1 O 一 一 W 1 6 7 1 5 9 4 ． 5 1 0 0 ． 1 3 1 9 ． 3 0 3 7 0 一 一 n 3 8 5 ． 5 1 0 ～ 8 一 金属 M o 1 5 9 1 3 8 5 ． 1 1 0 6 0 ． 2 5 1 0 ． 2 2 1 6 0 ～0 ． 3 2 5 ． 7 1 0 8 一 F e _ N C o 1 7 1 7 5 ． 3 1 0 0 ． 4 4 ＆3 6 1 6 0 一 n 5 4 0 ． 1 4 屯9 1 0 一 图 3散 热 器 的应 用 二 在 铜 散热 器发 展 中 ， 近 年来 受到 广泛 关 注 的是 ， 用 粉末 冶 金 制 造 的多 孔 性 烧 结 铜 结 构 的 热 传 导 管 h e a t p i p e 以下简 称热 管 。热 管是 借 助小 的温 度 差 ， 利用液一 气二相变化 ， 快速传导大量热能的高效 散热装 置 。其 传导 的热 量 比大小 相 同的铜 材高 百倍 至数千 倍 。热 管通 常 使 用 纯 净水 作 为工 作 介 质 ， 水 的流动 是依 靠 用粉 末冶 金制 作 的多孔 性材 料结 构 的 毛细力 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 粉末冶金工业 第 z 1卷 2 热管的原理、 基本特 l生、 结构及制造_ 4 ] 热 管技术 是 1 9 6 3年美 国 Lo s Al a mo s国家实 验 室的 G． M． G r o v e r发 明 的 一 种 叫 做 “ 热管 ” 的 传 热 元件 ， 其充 分利用 了热 传 导 原理 与 致 冷介 质 的 快速 热传 递性 质 ， 通过 “ 热 管 ” 将 发 热物 体 的热 量 迅 速传 递 到热源外 ， 其导 热 能力 超 过 了任 何 已知 的其 他金 属 。“ 热 管” 技术 以前 被 广 泛应 用 于 宇航 、 军 工 等行 业 ， 自从被 引入散 热器制 造业 ， 使 得人 们改变 了传统 散热 器 的设 计思路 ， 摆 脱 了单纯 依 靠 大风 量 电机 来 达到 较好效 果 的单 一 散 热模 式 ， 采 用 热管 技 术使 得 散热器 即便是采用低转速 、 小风量电机 ， 同样可得到 令 人满 意的结 果 ， 从 而 使得 困扰 风冷 散 热 的 噪声 问 题 得 到 良好解 决 ， 开辟 了散热 行业新 天地 。 2 ． 1热传递 的原理 热 传递是 热能 由高温处 传到低 温处 的现象 。它 通 常可 分 为传 导 C o n d u c t i o n ， 辐 射 Ra d i a t i o n 及 对 流 C o n v e c t i o n 三种 。传 导为 两 个物 体相 接 触 时 热量由高温物体传到低温物体的现象 。传导热量的 多 少主要 是 依 靠 温 差及 物 体 的传 热 系 数 T h e r ma l c o n d u c t i v i t y 而定 。通 常物体 的 导热 系数 以 固体 为 最高 ， 其次 是液体 ， 最次是气 体 。在 固体 中 以金 属为 最高 。辐射是两个物体在不相接触 的情况之下 ， 热 由电磁波 或光子 传播 的现象 。对 流是 固体 和流体 或不同相 P h a s e 的流体相接触时 ， 由於流体流动而 传 热 的现象 。另外 有 两种 热传 递 现 象 ， 就是 沸 腾 热 传 递 B o i l i n g He a t T r a n s f e r 和 冷 凝 热 传 递 C o n d e n s a t i o n He a t T r a n s f e r 。它们通 常被包 括在对 流 之 中， 由于近二 十年来热 传递 学者热衷 的研究 ， 它们 已从其 中独立而 出 。沸 腾及冷凝 在热传 递 中最特殊 的一点就是它们和形态变化有关 ， 其中最常见的为 蒸发 及冷凝 现象 。蒸发及 冷凝 时液态 和气态 互变之 间所需 的热 能量称 之为潜 热 L a t e n t h e a t 。举 一个 实际 例子来看 ， 当一 个盛有 液体 的容器逐 渐受 热时 ， 容器 中液体 的温 度逐 渐 升 高 。如果 容 器 继续 受 热 ， 至靠近容 器表 面的 液体 温 度 超过 沸 点 时 ， 容器 表 面 的液 体开 始气 化 而有 气 泡 B u b b l e 产 生 ， 这种 现 象 称 之为沸 腾 B o i l i n g 。此时 由于液体 气化 而 自容 器 表 面吸收 大量 的热 ， 这种 热 传 递现 象 称 之 为沸 腾 传 递 。相反 的 ， 当气 体接触 到较冷 的 固体时 ， 固体表 面 附近 的气体 开始冷凝 成液 体而放 出其潜 热 。换 句话 说 ， 较 冷 的固体吸 收 了气 体 的潜 热 而使 之 冷 凝 为液 体 ， 这 种传 热现象 称 之 为 冷凝 热 传 递 。至 于热 管 的 传热现象 ， 并不属于以上热传递中的任何一种， 它是 传导 、 蒸 发 、 对 流及 冷凝等 现象 的组合 。其导 热量 比 同体积 的任何 金属 棒 高 千倍 以上 ， 因此 在 短 短数 年 之间热 管 已引起美 国及欧 洲从事 热传递 研究 者的极 大兴趣 。 2 ． 2 热 管 的原 理 当热管 的一端 置于较 高温处 而让 另一端在 较低 温处时 ， 传递热 现 象便 开 始 产 生 。热 由 高温处 首先 穿过金 属 管壁 进 入 多 孔 性 虹 吸 材 料 以下 称 管 芯 中 ， 管芯 内的工 作 液受 热 开 始蒸 发 。热 管 在高 温 处 的部 分称 之为蒸 发段 E v a p o r a t o r 。蒸发 后 的气 体 聚集 在蒸 发段 的 中空管 内， 同时 向热 管 的 另一 端 流 动。由于热管的另一端接触到较低温处 ， 当气体到 达较冷 的另 一端 时便 开 始 冷凝 ， 在 此 时 热量 就 由气 体穿过 管芯 、 工作 液及金 属管壁 而传 人较低 温部分 。 热管 在 较 低 温 的 部 分 称 之 为 冷 凝 段 C o n d e n s e r 。 在冷凝 段 内原 先 由蒸发段 蒸发 的气体 又凝结 成 了液 体 ， 这些 冷凝 后 的 液 体 因毛 细 现 象 C a p i l l a r y p u re p i n g ， 自冷 凝段又 流 回了蒸发 段 ， 如此 循环 不息 ， 热 量 由高 温处便 传到 了低 温 处 ， 这 便是 热 管 的传 热 原 理 。因为蒸 发 和 冷 凝 现 象在 几 乎 相 同 的 气 压 下 进 行 ， 管 内的温差 非常小 。至 于热管 两端外 壳 的温 差 ， 则 主要 由于热传 导 由管 壁 外 缘 经过 管 芯 、 工作 液 到 气体 所致 。如 果把热 管和 同体积金 属棒 的两端 置于 同样 温差之 下 ， 热 管 的 导热 量 可 以达 到 金属 棒 的千 倍 以上 。换 句话说 ， 当 同样 的 热量 通 过 热管 和 同 体 积 的金属棒 时 ， 热 管两端 的温差 要 比金属棒 小很 多 。 由于这 种 特性 ， 热 管 常 被称 为 “ 近等 温 导 热 ” 装 置 。 统 而 言之 ， 热 管在 结构 及 原 理上 最 特 殊 的～ 点 是 多 孔 性材 料 及 毛 细 现 象 的 应 用 。 由于 毛 细 现 象 的作 用 ， 在冷 凝段 的液体 可 以不需 外 力 的 作用 而 流 回蒸 发段， 这使热管成为一个完全独立而没有活动零件 的导热装 置 ， 同时也 使 热 管成 为 太 空 中传 热 的 独特 装置 ， 因为毛细现象的作用在太空失重状态之 下仍 可使 流体 流动 。图 4示热管传 热示 意 图 。 2 ． 3热管 的构 造与基 本工作 热管 大致说来 是 一根细 长 、 中空 、 两 头封闭 的金 属管 子 。它 有 1 5 e m 长 的 ， 也 有 1 5 m 长 的 ， 其 外 部 形状不拘， 在理论上几乎任何形状 的设计都是可以 的 。管 子 的内壁 附着一 层管芯 材料 w i c k 。管芯 材 料 内含 浸 著 液 体 ， 这 种 液 体 称 之 为 热 管 的 工 作 液 Wo r k i n g me d i u m ， 如此 便 是 通 常 的热 管 了 见 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 韩 凤 麟 粉 末 冶 金 在 3 C产 业 热 管 理 中的 应 用 5 冷却翅片 热量 散 失 管 芯 横 断 面 输 入 热量 图 4热管传 热示意图 4 。然而 在实 际上 生 产 制 造 时 并 不 如 此 单 纯 ， 其 结 构依 导热 量及 温度 的不 同而异 。 目前 已制成 的热 管 有用 黄 铜 、 镍 、 不 锈 钢 、 钨 及 其 他合 金 做 外 壳 的 。热 管工作 液 的种 类 更 多 ， 它包 括 钾 、 钠 、 铟 、 铯 、 锂 、 铋 、 水 银 、 水 、 木 酒 精 、 丙 酮 、 冷 冻 剂 F r e o n s 。液 态 氮 、 液态 氧及其 他 一 些无 机 盐 等 。事 实 上 ， 热 管 的外 壳 及 其 工作 液 的选择 都视 热管 的应 用情 况 而定 。譬 如 在 摄 氏一 千度 以上 的高 温 时 ， 热 管 内部多 用钾 、 钠 等 液 态金 属 ， 但热 管用 于零 下一 百 九 十度 时 ， 则 内部 多 用 液态 氮等 。 3 用粉末冶金制作微型粉末烧结式热管 据 中国热 管 网 ， 2 0 1 0 0 1 2 2关 于在 上 海举 办 的“ 第 1 3 届 国际热 管 会 议 扫 描 ” 的 报道 [ 5 ] ， “ 我 国 热 管 研究 在 闵桂 荣 院 士倡 导 下 ， 从 1 9 7 0年 起 步 ， 1 9 7 6 年 首先 应用 在第 二 颗 返 回式 卫 星上 ， 如 今 已成 功应 用 在近 6 O颗 卫 星 和 5艘 飞船 上 。 ” “ 目前 ， 热 管应 用 的重点 已由空 间转移 到地 面 ” 。“ 有二 家在 大 陆 的台 商 对记 者说 ， 我们 专 门为 世 界 知 名 笔 记 本 电脑 生产 各 种热 管 ， 现 在 已分 别 在 江 苏 昆 山 和 广 东 东莞 设 立 了加工 厂 ， 每年 产值 大约 5 0 0 0万 人 民 币” ， “ 中 国 台 湾淡江大学机械与机电工程系主任康 尚文证实 中 国台湾 已出现研 究 、 生 产 和 销 售 在 微 电 子产 品上 使 用 低成本 微 型热 管 的 热 潮 ， 一 批 热 管 公 司 正在 快 速 成 长 。 ” 热 管 管芯 有 丝 网式 ， 粉 末烧 结 式 及 轴 向沟槽 式 三种 ， 表 2示 这 三种 管 芯 优 缺 点 的 比较 。 由表 2可 看 出 ， 其 中 以粉末 烧结 式较 好 。 粉末 烧 结式热 管 的毛 细抽 吸力 与渗 透 率主 要决 定 于粉末 烧结 式 管芯 的孔 隙度 与孔 隙 的大 小 。林 岳 儒 ， 黄坤 祥 _ 6 用表 3示 的 各 种形 态 的铜 粉 制作 的粉 末 烧结 材 料 的 检 测 结 果 表 明 ， 在 密 度 皆 为 4 ． 4 5 g ／ c m。 的条 件下 ， 细 球形 粉烧 结材 料 的最 大孑 L 径 最 大 ， 为 4 0 ． 2 m， 见 表 4 。 表 2常 用 热 管 管 芯 性 能 的 比较 表 3不 同 形 态 铜 粉 的 粉 末 特 性 粗 球 形 1 2 4 细球形 5 2 树枝状 2 1 ． 4 不 规 则 状4 6 ． 2 表 4 在 密 度 相 同 的 条 件 下 ， 用气 泡 法 实 验 测 定 的 ， 不 同铜 粉 烧 结 试 样 的 最 大 孔径 ] 为研究 由不 同形 态 铜粉 制作 的粉末 烧 结式 管芯 的毛细抽吸力与渗透率 ， 文献E 6 ] 对由各种铜粉制作 的密度 相 同 的试 件 ， 以 水 为 工 作 介 质 ， 测 试 结 果 表 明 ， 水 都能 被抽 吸到 试 件 顶 端 8 0 mm ， 因 此 ， 无 法 判 定 哪一种 铜 粉 制作 的试 件 最 好 。另 外 ， 根 据 理 论 推算 ， 由实 验用 细球 粉 制 作 之 粉 末烧 结 试 件 的实 测 平 均孔 径为 2 2 t z m 计 算 ， 毛细 抽 吸力 的高度 为 6 6 ． 8 c m。可是 ， 一般 粉 末烧 结 式 热 管 的长 度 只有 3 0 c m 左 右 。 因此 ， 粉末 粒 度 对 粉 末 烧 结 式管 芯 的毛 细 抽 吸力 的影 响可 以 忽 略不 计 。 于是 ， 对 粉 末 烧 结 式 热 管来 说 ， 就是 粉末 的形 态 、 粒度 对其 渗透 率 的影 响 。 为研究 粉末 烧结 式 管芯 的渗 透率 ， 文献 [ 6 ] 设 计 了一 组试 验 ， 模 拟 热 管 的散 热 情 况 。当加 热 端 温 度 高 时 ， 表 示试 件抽 吸水 的速度较 慢 ， 来不 及将 输入 的 热量 排 出 ， 从 而使 温度 升 高 。对 不 同类 型铜 粉 ， 采 用 松装 烧 结试 件 ， 在输入 功 率 为 3 5 w 的情 况 下 ， 测定 了粉 末 烧结试 件 的散 热效 率 ， 其结 果 分 别 示 于 图 5 、 图 6及 图 7 。由图 5可看 出 ， 在输入 功 率为 3 5 W 的 情况 下 ， 细球 粉之 温度 最低 和树 枝状 粉 的温度 最 高 ， 这也 就 是表 明细球 粉 比不 规则形 状 与树枝 状 粉散 热 快 ， 这可 能是 粉末 颗 粒 形 态 与平 均粒 径 大 小 不 同所 致 。 由图 6可看 出 ， 粗 球形 粉之 温度 较低 ， 也 就是其 散热 效率 较 高 ， 这 表 明 ， 在 同样 情 况 下 ， 平 均 粒 径 大 的粉 末 ， 散热 效率 较高 。在 制作 松装 烧结 试件 时 ， 若 卯 0 O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 粉末 冶金工业 第 2 1卷 在左 右 两边 各 自松 装 平 均粒 径 不 同 的铜 粉 ， 由图 7 可知 ， 当平均粒 径大 的一端 置于水 中时 ， 其散热 效率 较高 ， 故铜粉 的平均粒 径决定 其散 热效率 。 { 赵 赠 赠 图 5三种 铜 粉 散 热 效 率 比 较嘲 图 6 不 同平均粒径粉散热效 率比较 p 赠 图 7 不 同端 浸 入 水 中 散 热效 率 比较 从上述各项研究试验结果可看出 ， 采用松装烧结工 艺制作 粉末烧 结管 芯 时 ， 采用 平 均 粒径 大 的球 形 铜 粉 较易提 高散 热效率 。 3 ． 1 平板型 粉末烧 结式热 管的 制造与 性能 邱六合等口 研究过不同类型铜粉对平板型粉末 烧 结式热 管性能 的影 响 。试 验采用 的是纯 度不低 于 9 9 ． 5 的 ， 气雾化 G A 的 ， 水 雾 化 WA 的及 氧化一 还原 0 R 生产 的铜粉 ， 其性 能示 于表 5 。 平板 型试 验 用粉 末 烧结 式 热管 分 为两 种 ， 一 为 小型 的 ， 尺 寸为 7 6 mm6 0 mm9 mm， 受 热 面积 为 4 5 6 0 mm ， 另一 为大 型 的 ， 尺 寸为 1 2 3 mm6 0 mm 9 mm， 受 热 面 积 为 7 3 8 0 mlT l ， 壁 厚 皆 为 2 mm。 表 5 试 验 用不 同类 型 铜 粉 的 性 能 热管 管壳是 由纯度 为 9 9 的 1 1 0 0纯 铜板 制 造 的 。首先 ， 将 热管 的上 下盖进 行清洗 。然后 ， 将铜 粉 分别松装 在上、 下盖上 ， 于 1 0 H z 十9 0 Ar 气 氛 中 ， 于 石 英 管 烧 结 炉 中， 以 5 ℃／ mi n之 速率 升 温 至 3 5 0 ℃ 预 热 3 0 mi n ， 再 以 5 ℃／ mi n 分 别 升 温 至 8 0 0 ℃ ， 9 0 0 oC， 1 0 0 0 ℃保温 2 h ， 随后 以 2 ℃／ mi n炉冷 到室温 出炉 。将 烧结 处理 过 的上 、 下盖 ， 用氩 弧焊焊 接 成一体 ， 对表 面 进 行研 磨 抛 光 。鉴 于在 焊 接 与抛 光 时 ， 热 管腔体 内存 的空 气会 产 生 氧 化现 象 ， 因此 ， 需要 于 1 0 H。 9 0 ％Ar 气 氛 中 ， 在 3 5 0 ℃ 下 ， 将 热 管进 行还 原处理 。将 管 内抽真 空至 1 3 ． 3 3 2 2 P a 1 1 0 t o r r ， 充 填 以 工 作 流 体 去离 子 水 ， 充 填 量 为 1 2 0 O 。其 液态部 分 刚好 能 完 全 充满 腔 体 内多孔 性 结构 内的孔 隙 ， 称 为充填 量 1 0 0 。 图 8示 由三种 铜粉 ， 于 9 0 0 ℃下 ， 用 松装 烧 结制 备 的粉 末烧结 式试 件 的 S E M 表 面 图象 。 图 9与 图 1 0分别示由三种铜粉 ， 于不 同烧结温度下 ， 制备 的 粉末 烧结 式 试 件 的孔 隙度 与渗 透 率 。 由图 9可 看 出 ， 由气雾 化粉 制 造 之试 件 孔 隙度 最 低 。这是 由于 如 图 8 所 示 ， 气 雾化粉 颗粒 为球形 ； 球形 颗粒 大小相 同时 ， 其松 装堆 积形 式 形成 的孔 隙度 和 球 形颗 粒 的 堆积 形式 相关 ， 其孔 隙 度为 4 7 ． 6 4 ～2 5 ． 9 6 。本 试验采用的气雾化粉粒径为 1 0 8 3 2肚 m， 因此， 其 于 8 0 0 ℃下烧结 的试 样 ， 孔 隙度 约为 3 3 ， 和随着 烧 结温度 升高 ， 因粉 末烧结 式试样 体积 收缩 ， 孑 L 隙度 也 随之减小 。 渗 透率试 验采用 的是 定水头 量测水 力传 导系数 值 K， 试 验装 置示 意于 图 1 1 。其 原 理 是依 据 D a r c y 定律 ， 当水连续 流过 粉末烧 结式试 样一段 时 间 ， 达 到 稳流 后 ， 用 计时 器开始 记 时 ， 当收 集 的渗 流水达 到约 1 0 0 mI 后 ， 关 闭计 时器 ， 称 量水 的重量 ， 将结果 代人 公式 ， 计算 出渗 透率 。 根据 D a r c y定 律 ， 水 力传 导 系数值 K c m／ s 的 表达 式 为 K q L m M ￡ 1 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 0 ∞ ∞ ∞ ∞ 加 ∞ 舳 ∞ 们 加 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 粉末冶金工业 第 2 1 卷 T a 环境温度 图 1 2热 阻 测量 示 意 图[ 7 1 与 图 1 4可看 出 ， 由 G A 粉 与 wA 粉 制 作 的粉 末 烧 结 式平 板 型 热 管 的 热 阻 值 ， 在 输 入 热 量 为 1 4 0 W 时 ， 约为 0 ． 3 5 ～O ． 3 6 ℃／ w。OR粉 的热 阻值 较 高 。 奎 ● p 曩 纛 图 1 3 铜 粉 种 类对 平 板型 热 管 大 热 阻 的 影 响 亭 ● 图 f 4铜 粉 形状 对 平 板 型 热 管 大 J 热 阻 的影 响 由图 l 5可看 出 ， 不 包含 粉末烧 结式管 芯 的散热 模组 的热 阻值 最 高为 0 ． 5 1 ～0 ． 5 9 ℃／ W ， 而且 ， 其 热 阻值 还随输 入热 量 增加 而 增 大 ， 这不 但 会 使无 粉 末