一种环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯及其制备方法与流程

本发明涉及一种环路热管用氮化硅毛细芯，特别涉及梯度多孔结构毛细芯的设计及制备，属于温度控制领域。

背景技术：

环路热管作为高效的相变传热装置，是电子元件和航天器件在恒定温度下稳定长寿运行的关键部件，而毛细泵主芯是环路热管中最关键的部件之一。随着相关仪器设备的功耗越来越大，对系统散热和恒温要求越来越高，现有的金属毛细芯主芯在散热及耐腐蚀等方面已不能满足稳定长寿需求。选择多孔氮化硅作为毛细芯的制备材料，可以充分发挥氮化硅陶瓷本身的优良性能，所制备的毛细芯具有耐腐蚀、毛细抽吸力大以及热导率低等优点，可显著提高环路热管的稳定性和可靠性。

环路热管用毛细芯一方面需要强大的毛细驱动力来循环工质，另一方面，毛细芯需要及时将产生的蒸汽转移到蒸汽管道。因此对于毛细芯产品，在保证较高的孔隙率的条件下，既需要通过减小毛细孔径提高毛细吸力，同时也期望具有较大的气孔来实现蒸汽的高效转移。但是传统毛细泵均为单一孔径和孔隙率，难以同时满足在提高毛细吸力的同时实现蒸汽的高效转移。而且传统的压制工艺只能制备一些形状简单的毛细芯产品，且加工复杂。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种力学性能良好和兼具大的毛细抽吸力和高的渗透率的功能性环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种如上述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的制备方法，包括：将具有不同配比的至少两种氮化硅浆料依次注入模具进行凝胶固化、干燥、烧结、加工以获得所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯，其中氮化硅浆料包括氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂和水，先注入模具的氮化硅浆料中造孔剂的含量低于后注入模具氮化硅浆料中造孔剂的含量。

较佳地，至少两种氮化硅浆料包括第一浆料和第二浆料，所述第一浆料中氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：(0.5～10)：(0.1～5)：(0～10)：(20～300)；

所述第二浆料中氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：(0.5～10)：(0.1～5)：(10～50)：(20～300)；

将所得第一浆料注入模具中，在20～30℃下固化1～10分钟后倒出未凝胶的第一浆料，再将第二浆料注入模具中继续凝胶固化，得到坯体；

将坯体脱模后经烘干、烧结、加工，得到所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。

本发明通过分步浇注一次成型得到所需要的形状，通过后续烧结，可以得到柱状，板状或者其他复杂形状的氮化硅梯度多孔毛细芯。具体来说，先行配置两种不同浆料。将所得第一浆料注入模具中，待第一浆料在20～30℃下固化1～10分钟(由于固化温度和时间的选择，使得第一浆料仅靠近磨具内表面的部分开始凝胶，靠近模具中心部分的第一浆料未凝胶)后，倒出未凝胶的第一浆料，然后再将第二浆料倒入该空心内腔中继续固化，由于空心内腔的表面并未完全干燥，使得第二浆料固化时与第一浆料凝结所形成的胶体紧密结合，得到具有相互连通的开孔结构的坯体。然后经过脱模、干燥、烧结、加工，得到所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。本发明可以通过工艺控制得到精度较好的样品，减小加工难度。且本发明通过梯度孔结构设计，实现了内层大孔径层、外层小孔径层的层状结构，层间结合良好，在具有良好力学性能的条件下，通过梯度结构拓展了毛细芯的功能性。

较佳地，所述第一浆料在20～30℃下固化1～10分钟，第二浆料在20～30℃下进行固化，且第一浆料和第二浆料的凝胶固化总时间为1～4小时。

较佳地，所述烧结助剂选自y2o3、al2o3、yb2o3、lu2o3、sm2o3、sio2、nd2o3、eu2o3中的至少一种。

较佳地，所述造孔剂为可在烧结过程中被除去的物质，优选为淀粉、环己烷(o/w乳液)、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、聚乙烯醇pva、石蜡中的至少一种。

较佳地，所述凝胶剂选自明胶或/和异丁烯-马来酸酐共聚物。

较佳地，所述烘干为在20～150℃干燥3～100小时。

较佳地，所述烧结为在惰性气氛中，在1500～1950℃下保温1～12小时。

又，较佳地，所述烧结的升温速率为1～15℃/分钟。

又，较佳地，所述惰性气氛选自氮气，例如高纯氮气。

一方面，本发明提供了一种环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯，包括初级氮化硅毛细芯以及包覆于所述初级氮化硅毛细芯外表面的至少一层氮化硅小孔层。

本发明通过梯度孔结构设计，实现了内层氮化硅大孔径层(初级氮化硅毛细芯)、外层氮化硅小孔径层的梯度结构，所述氮化硅大孔层的孔径大于氮化硅小孔层，使得所述氮化硅梯度多孔毛细芯兼具大的毛细抽吸力和高的渗透率。而且所述氮化硅大孔层和氮化硅小孔层层间结合良好，即氮化硅大孔层和氮化硅大孔层具有相互连通的开孔结构，可在具有良好力学性能的条件下，通过梯度结构拓展了毛细芯的功能性。

较佳地，所述初级氮化硅毛细芯的孔径为0.1～1微米，孔隙率为50～60％。较佳地，所述氮化硅小孔层的孔径为0.5～30微米，孔隙率为55～70％。

较佳地，所述氮化硅小孔层的厚度为0.5～1mm。

较佳地，所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的外形为圆柱形状、碟状、板状或者平椭圆状。

本发明的特殊效益在于：

(1)梯度多孔结构兼具大的毛细抽吸力和高的渗透率，同时由于氮化硅陶瓷本身的特性，使得该毛细芯具有密度小、强度高、耐腐蚀以及热导率低等优点，可显著提高环路热管的稳定性和可靠性；

(2)制备工艺简单，可以通过多次浇注一次成型得到各种形状和大小的毛细芯产品；

(3)可用范围广：通过控制不同的浇注浆料和浆料中造孔剂的种类和含量既可以制备出单一孔径分布的毛细芯，也可以得到不同孔径分布和多层孔组合的多孔毛细芯。

附图说明

图1为本发明中所制备的陶瓷样品的截面图示意图；

图2为实施例1中所得多孔毛细芯的内层大孔b与外层小孔a微观形貌；

图3为实施例2中所得多孔毛细芯的层间结合部位的微观形貌。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明中所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯包括初级氮化硅毛细芯、以及包覆于所述初级氮化硅毛细芯外表面的一层或多层氮化硅小孔层。所述初级氮化硅毛细芯的孔径可为0.5～30微米，孔隙率可为55～70％，其孔径在此范围内时具有较高的渗透率。所述氮化硅小孔层的孔径可为0.1～1微米，孔隙率可为50～60％，其孔径在此范围内时具有较高的毛细抽吸力。所述氮化硅小孔层的厚度为0.5～1mm。当氮化硅小孔层为多层时，该多层的氮化硅小孔层的孔径及气孔率可从里到外形成气孔率及孔径依次减小的梯度结构。

本发明中所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的外形可为圆柱形状、碟状、板状或者平椭圆状。且所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯外壁面沿轴向和径向设置若干蒸汽槽道或者为无蒸汽槽道的光滑表面，所述蒸汽槽道的截面可为三角形、矩形、梯形或者ω形。作为一个示例，如图1所示，本发明中所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯包括：氮化硅大孔层、位于所述氮化硅大孔层(内层大孔层)中的毛细芯内腔、以及包覆于所述氮化硅大孔层外表面的氮化硅小孔层(外层小孔层)。所述氮化硅大孔层和氮化硅小孔层具有相互连通的开孔结构，且氮化硅大孔层的孔径大于氮化硅小孔层。

以下示例性地说明本发明提供的环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的制备方法。

根据毛细芯产品的形状和大小制备相应的模具；模腔内壁尽量光滑，便于脱模。所述的模具可以为金属模具、塑料模具、石膏模具、橡胶模具、玻璃模具等各种材质的模具。

浆料的制备。具体来说，配制氮化硅陶瓷浆料，将氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂依次加入到去离子水中，以球磨的方式进行混合，得到混合均匀的浆料。其中，所述氮化硅粉体(一般为0.3-0.8微米)、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比可为100：(0.5～10)：(0.1～5)：(1～50)：(20～300)。本发明通过控制浆料中造孔剂的添加量或种类，并以此调控所述浆料凝胶固化后的胶体气孔率，最终控制所得环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯中氮化硅大孔层和氮化硅小孔层的孔径和孔隙率。控制氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：(0.5～10)：(0.1～5)：(0～10)：(20～300)，并将氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂加入到水中，球磨混合后，得到第一浆料。控制氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：(0.5～10)：(0.1～5)：(10～50)：(20～300)，并将氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂加入到水中，球磨混合后，得到第二浆料。所述的烧结助剂可为y2o3、al2o3、yb2o3、lu2o3、sm2o3、sio2、nd2o3、eu2o3中任意一种或者是两种以上以任意比例组成的混合物。所述造孔剂可为淀粉、pmma、pva、o/w乳液、石蜡等可在烧结过程中被除去的物质。所述凝胶剂可选自明胶、异丁烯-马来酸酐共聚物中的至少一种。

将所得第一浆料注入模具中，部分凝胶后倒出未凝胶的第一浆料，再将第二浆料注入模具中继续凝胶固化，得到坯体。具体来说，将所得第一浆料注入模具中，待其部分凝胶后倒出未凝胶的第一浆料，得到地胶体。再将第二浆料注入第一胶体中，继续凝胶固化，得到坯体。或者说，等第一浆料完全固化后，再通过加工使其呈现中空结构，再将第二浆料注入该中空结构中。因此，本发明中所述部分凝胶后不仅限于只凝胶一部分。所述第一浆料为在20～30℃下固化1～10分钟。第二浆料的固化温度可为20～30℃，且第一浆料和第二浆料的凝胶固化总时间为1～4小时。以上仅是示例性示出第一浆料和第二浆料，应理解，还可依次包括第三浆料、第四浆料等形成梯度多孔结构。

将坯体脱模后经烘干、烧结、加工，得到所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。所述的烘干条件是在20～150℃干燥3～100小时。所述烧结为在惰性气氛中，在1500～1950℃下保温1～12小时。所述烧结的升温速率可为1～15℃/分钟。其中，惰性气氛选自氮气(高纯氮气)。其中，作为一个示例，烧结可为在氮气条件下，以1～15℃/min升至1500～1950℃，保温1～12小时。

其中，加工为机械加工。将烧结好的毛细芯进行机械加工，达到要求精度。机械精加工有车、磨、钻等工艺方法，车、磨可实现多孔氮化硅毛细芯外壁形状及蒸汽槽道的尺寸精度，钻可实现圆柱形多孔氮化硅毛细芯内部盲孔的形状、位置尺寸。

相对于传统的复合毛细芯，本发明在材质和制备工艺两方面进行了优化，采用陶瓷替代金属材料，提高了毛细芯产品的稳定性，同时由于氮化硅陶瓷本身的特性可以达到较高的强度。相对于传统的压制工艺只能制备一些形状简单的毛细芯产品，且加工复杂，本发明采用的多次浇注一次成型工艺，可以简单有效的制备各种尺寸和形状的产品，增加了产品结构的均匀性，同时减少了后期加工难度。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1：

(1)向两个球磨罐中分别加入100g的氮化硅球、40g去离子水，2.5g烧结助剂氧化钇，47.5g氮化硅粉体和1g凝胶剂明胶，球磨机转速为350rpm，球磨2小时后得到水基浆料；

(2)分别向两罐浆料中加入2g和20g的环己烷，继续球磨1小时得到两种不同造孔剂含量的浆料，分别编号1和2浆料；

(3)将1号浆料注入到石膏模具中，在25℃下固化3分钟候后倒出多余浆料，继续浇注2号浆料，在25℃下固化1小时，待其凝胶后得到内层大孔、外层小孔的双层孔结构的陶瓷湿坯；

(4)湿坯脱模后在室温条件下干燥48小时得到陶瓷坯体；

(5)将陶瓷坯体在氮气气氛中以10℃/min升至800℃，接着以3℃/min升至1680℃并保温2小时，烧结完毕后随炉冷却，得到多孔氮化硅陶瓷。经过机械加工得到环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。图2为实施例1中所得多孔毛细芯的内层大孔与外层小孔微观形貌，可以看到两种多孔层均呈现均匀的孔分布；所述氮化硅小孔层厚度为1mm。

实施例2：

(1)向两个球磨罐中分别加入100g的氮化硅球、40g去离子水，2.5g烧结助剂氧化钇，47.5g氮化硅粉体和0.2g凝胶剂异丁烯-马来酸酐共聚物，球磨机转速为350rpm，球磨2小时后得到水基浆料；

(2)分别向两罐浆料中加入0g和20g的淀粉，继续球磨1小时得到两种不同造孔剂含量的浆料，分别编号1和2浆料；

(3)将1号浆料注入到石膏模具中，在25℃下固化1分钟候后倒出多余浆料，继续浇注2号浆料，在25℃下固化2小时，待其凝胶后得到内层大孔、外层小孔的双层孔结构的陶瓷湿坯；

(4)湿坯脱模后在室温条件下干燥48小时得到陶瓷坯体；

(5)将陶瓷坯体在氮气气氛中以10℃/min升至800℃，接着以3℃/min升至1680℃并保温2小时，烧结完毕后随炉冷却，得到多孔氮化硅陶瓷。经过机械加工得到环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。图3为实施例2中所得多孔毛细芯的层间结合部位的微观形貌，可以看到层间结合连续且紧密。所述氮化硅小孔层厚度为0.5mm。

表1为本发明制备的环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯性能参数：