一种环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯及其结合涂层制备方法与流程

本发明涉及一种环路热管用梯度多孔毛细芯及其制备方法，特别涉及采用涂层法制备氮化硅梯度多孔结构毛细芯的方法。

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，现有的金属毛细泵主芯在散热及耐腐蚀等方面已不能满足稳定长寿需求。另一方面，环路热管用毛细芯既需要强大的毛细驱动力来循环工质，也需要及时将产生的蒸汽转移到蒸汽管道。因此，通过材质上的改良和梯度多孔结构的设计来优化毛细芯性能显得尤为重要。

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，以及位于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，所述初级氮化硅毛细芯的孔隙率为60～90％、孔径为10～200微米，氮化硅小孔层的孔隙率为40～60％、孔径为0.1～1微米。

本发明通过梯度孔结构设计，制备了一种外表面包覆至少一层有氮化硅小孔层的初级氮化硅毛细芯，即环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。本发明中氮化硅小孔层的40～60％、孔径为0.1～1微米，使得所述氮化硅梯度多孔毛细芯兼具大的毛细抽吸力(也就是说，可实现高的毛细管力)。所述初级氮化硅毛细芯的孔隙率为60～90％、孔径为10～200微米，使得所述氮化硅梯度多孔毛细芯具有高的渗透率，可实现媒介大通量传输。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(实现蒸汽的高效转移)。

较佳地，所述氮化硅小孔层的厚度为0.1～1mm，以均衡实现大的动力及通量。

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。

第二方面，本发明还提供了一种结合涂层法制备上述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的方法，包括：

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，得到浆料，所述氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：(0.5～10)：(0.1～5)：(0～20)：(20～300)；

将所得浆料以喷涂或涂覆的形式沉积在所述初级氮化硅毛细芯的表面，再经固化、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。本发明采用气相浆料沉积技术在所述初级氮化硅毛细芯的表面沉积氮化硅小孔层，再进行加工，得到所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯。

较佳地，所述喷涂的参数包括：喷头直径为0.8～1.8mm、压力为0.2～0.8mpa、喷枪与实践的距离为150～300mm。

较佳地，所述固化为在25～60℃下固化6～12小时；所述干燥为在80～150℃下干燥2～6小时。

较佳地，所述烧结为在1650～1850℃下煅烧1～4小时，优选为先以2～20℃/分钟升温至800～1100℃，再以2～10℃/分钟升温至1680～1850℃后煅烧1～2小时，更优选为先以5～10℃/分钟升温至900～1100℃，再以2～4℃/分钟升温至1700～1750℃后煅烧1～2小时。

较佳地，采用发泡法、浇注法或冷冻干燥法制备所述初级氮化硅毛细芯。

较佳地，所述加工为机械加工，加工精度为圆度10～100μm，直线度10～100μm。

本发明制备的氮化硅梯度多孔毛细芯，一方面利用氮化硅陶瓷本身耐腐蚀、强度高以及热导率低等优点，显著提高了环路热管的稳定性和可靠性。另一方面，利用梯度多孔结构，既通过内层大孔结构实现了蒸汽的高效转移，又通过外层小孔径层实现了较大的毛细抽吸力，同时保证了较好的强度。

毛细芯需要与蒸发腔壁严格配合来实现环路热管的高效稳定的工作，因此对于加工精度的要求很高，而梯度多孔陶瓷直接加工容易在过程中引起破坏从而导致制品失败。在本发明中，在对初级毛细芯的加工的过程中，仅需要控制毛细芯内腔的精度，外侧的加工可以不用很精细，甚至外侧在加工中的一些破损也可以在涂层制备过程中得到修复。涂层制备的过程中不会对制品产生破坏，且二次加工仅需进行简单的打磨即可。通过对初级毛细芯的遴选，可以有效保证涂层制备和二次加工过程的成功率。

本发明的特殊效益在于：

(1)该氮化硅毛细芯可显著提高环路热管的稳定性和可靠性，同时梯度多孔结构使得该毛细芯兼具大的毛细抽吸力和高的渗透率；

(2)在外层氮化硅凃层制备的过程中不会对初级毛细芯产生破坏，且对初级毛细芯外侧的平整度要求不高，而且外侧小孔径层的厚度可以在涂层制备的过程中得到控制，减小最终的加工难度；

(3)可用范围广：既可以制备双层梯度多孔毛细芯，也可以通过多次制备不同涂层，不同孔径分布和多层孔组合的多孔毛细芯；

(4)涂层制备和二次加工基本不会对制品造成破坏，因此可以通过初级毛细泵产品的合格率提高最终制品的成功率。

附图说明

图1为实施例中最终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的微观形貌，可以看到两种多孔层均呈现均匀的孔分布；

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。

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。

本发明通过涂层法在初级毛细芯外侧制备了一层孔径较小的氮化硅层(氮化硅小孔层)，实现了内层大孔径层、外层小孔径层的梯度孔结构。

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氮化硅小孔层(可为一层或多层)，所述初级氮化硅毛细芯的孔径可为10～200微米，氮化硅小孔层的孔径可为0.1～1微米。所述初级氮化硅毛细芯的孔隙率可为60～90％。所述氮化硅小孔层的孔隙率可为40～60％。所述氮化硅小孔层的厚度可为0.1～1mm。当氮化硅小孔层为多层时，该多层的氮化硅小孔层的孔径变化不限。具体来说，在氮化硅小孔层的厚度一定的范围内，该多层的氮化硅小孔层从里到外形成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包括但不仅限于圆柱形状、碟状、板状或者平椭圆状，且初级氮化硅毛细芯形状与环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的外形相类似。其形状之一可如图1所示，包括初级氮化硅毛细芯外表面的氮化硅小孔层，其中初级氮化硅毛细芯包括氮化硅大孔层和毛细芯内腔。

本发明中，在外层氮化硅层(氮化硅小孔层)制备的过程中不会对初级毛细芯产生破坏，且对初级毛细芯外侧的平整度要求不高，易于操作，而且外侧小孔径层的厚度可以在涂层制备的过程中得到控制，减小最终的加工难度。此外，通过初级毛细芯的遴选，可以有效保证最终制品的成功率。以下示例性地说明本发明提供的结合涂层法制备所述环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯的方法。

根据毛细芯产品的形状和大小制备并加工得到相应尺寸的孔径较大的初级毛细芯。所述的初级毛细芯可以通过但不仅限于发泡法、干压法、浇注法、冷冻干燥法等制备工艺得到。所述的初级毛细泵的内腔需要精加工到所需尺寸，外部可以粗加工且留有一定余量。

采用发泡法制备初级氮化硅毛细芯,以si3n4粉体为原料，以水为溶剂，聚乙烯醇作为粘结剂，通过机械湿法球磨混合均匀，制成浆料。然后加入发泡剂没食子酸正丙酯，经强力搅拌后，得到泡沫浆料，然后经过固化、干燥得到坯体。将所得坯体经脱粘后，在1600～1900℃下烧结1～4小时，再经机械加工，得到初级氮化硅毛细芯。所述si3n4粉体：水：聚乙烯醇：没食子酸正丙酯的重量比可为100:(50～100):(0.5～2):(1～5)。所述浆料中还包括烧结助剂。所述强力搅拌转速为1000～2000rpm。所述烧结气氛可为惰性气氛，选自氮气或高纯氮气的一种。所述si3n4粉体的粒径可为0.1-0.5微米。

采用凝胶浇注工艺制备初级氮化硅毛细芯，以si3n4粉体为原料，以水为溶剂，异丁烯-马来酸酐共聚物作为粘结剂及固化剂，通过机械湿法球磨混合均匀，制成浆料。然后经过固化、干燥得到坯体。将所得坯体经脱粘后，在1600～1900℃下烧结1～4小时，再经机械加工，得到初级氮化硅毛细芯。所述si3n4粉体：水：异丁烯-马来酸酐共聚物的重量比可为100:(80～150):(0.1～1)所述浆料中还包括烧结助剂。所述烧结气氛可为惰性气氛，选自氮气或高纯氮气的一种。所述si3n4粉体的粒径可为0.1-0.5微米。

冷冻干燥法制备初级氮化硅毛细芯。以si3n4粉体为原料，以水和聚乙二醇为溶剂，聚乙烯醇为粘结剂，通过机械湿法球磨混合均匀，制成浆料。将所得浆料经消泡、真空脱气后倒入模具中，再经冷冻、脱模、低温真空干燥，得到坯体，所述冷冻为-18～-200℃下冷冻2～12小时。将所得坯体经脱粘后，在1600～1900℃下烧结1～4小时，再经机械加工，得到初级氮化硅毛细芯。所述si3n4粉体：水：聚乙烯醇：聚乙二醇的重量比可为100：(50～100)：(5～10)：(5～10)。所述浆料中还包括烧结助剂。所述低温真空干燥的温度可为-50～70℃，时间可为12～24小时，真空度可为1～20pa。所述烧结的升温速率可为2～20℃/分钟。所述烧结气氛可为惰性气氛，选自氮气或高纯氮气的一种。所述si3n4粉体的粒径可为0.1-0.5微米。

上述涉及烧结助剂选自y2o3、al2o3、yb2o3、lu2o3、sm2o3、sio2、nd2o3和eu2o3中的至少一种。上述涉及造孔剂为可在烧结过程中被除去的物质，优选为选自淀粉、pmma、液体石蜡中的至少一种。上述涉及粘结剂选自聚乙烯醇、酚醛树脂中的至少一种。

在初级毛细芯制品的外侧制备孔径较小的多孔氮化硅涂层(氮化硅小孔层)。所述的孔径较小的涂层可以通过喷涂、直接涂覆等方式制备。

采用喷涂法或直接涂覆法制备氮化硅小孔层。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，得到浆料，所述氮化硅粉体、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)：(0～20)：(20～300)。所述喷涂的参数可包括：喷头直径为0.8～1.8mm、喷涂压力为0.2～0.8mpa、喷枪与实践的距离为150～300mm。

将所得浆料以喷涂或涂覆的形式沉积在所述初级氮化硅毛细芯的表面，再经固化、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。在此之前还可在初级毛细泵外侧涂覆一层氮化硅浆料，凝胶后再次喷涂或涂覆，直至达到所需厚度，以避免一次涂覆过厚导致涂层开裂，同时沉积不同组分的浆料，还可实现多重梯度结构的制备。所述固化可为在20～30℃下固化12～24小时。所述干燥可为在50～60℃下干燥12～24小时。所述烧结可为在1600～1850℃下煅烧1～4小时，优选为先以第一升温速率2～20℃/分钟(优选为5～10℃/分钟)升温至800～1100℃(优选为900～1100℃)，再以第二升温速率2～10℃/分钟(优选为2～4℃/分钟)升温至1680～1850℃(1700～1750℃)后煅烧1～3小时。其中第一升温速率大于第二升温速率。

再经过二次加工得到梯度多孔毛细芯产品。所述二次加工仅需对毛细芯制品外侧进行简单的打磨即可。所述加工或二次加工为机械加工，加工精度为圆度10～100μm，直线度10～100μm。

本发明制备的环路热管用氮化硅梯度多孔毛细芯中层间结合良好，且外层的小孔径层可以显著提高毛细芯的力学性能，通过复合孔结构拓展了毛细芯的功能性，该毛细芯具有密度小、强度高、耐腐蚀、毛细力大以及热导率低等优点。

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)采用发泡法，将si3n4粉体：氧化钇：水：聚乙烯醇：没食子酸正丙酯的重量比为100:5:72:1:5均匀混合后强力搅拌，转速为2000rpm，获得泡沫浆料，在室温下24小时固化，然后放入60℃烘箱中干燥12小时，在1800℃下烧结2小时。制备具有较大孔径的初级毛细芯，并进行初步加工。所述初级氮化硅毛细芯的孔径为10～200微米，孔隙率为82％；

(2)浆料配置将氮化硅粉体、烧结助剂氧化钇、凝胶剂异丁烯-马来酸酐共聚物、造孔剂pmma加入到水中，球磨混合后，得到浆料，所述氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：4：0.3：10：80；

(3)在初级毛细泵外侧涂覆一层上述氮化硅浆料，凝胶后再次涂覆，直至达到所需厚度；

(4)待涂层固化(25℃下固化12小时)、干燥(80℃下干燥12小时)后进行烧结，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，得到梯度多孔氮化硅陶瓷；

(5)二次加工得到氮化硅梯度多孔毛细芯。加工精度为圆度20μm，直线度50μm。所述氮化硅小孔层的厚度为1mm、孔径为0.5～0.6微米，孔隙率为55％。

实施例2：

(1)采用凝胶浇注工艺将si3n4：氧化钇：水：异丁烯-马来酸酐共聚物按重量比为100:6:120:0.5均匀混合获得浆料，注入模具中，室温下48小时固化，然后放入80℃烘箱中干燥24小时，在1750℃下烧结2小时。制备具有较大孔径的初级毛细芯，并进行初步加工。所述初级氮化硅毛细芯的孔径为10～20微米，孔隙率为68％；

(2)浆料配置将氮化硅粉体、烧结助剂氧化镥、凝胶剂异丁烯-马来酸酐共聚物、造孔剂淀粉加入到水中，球磨混合后，得到浆料，所述氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：5：0.2：5：72；

(3)在初级毛细泵外侧涂覆一层氮化硅浆料，凝胶后再次涂覆，直至达到所需厚度；

(4)待涂层固化(40℃下固化6小时；)、干燥(100℃下干燥6小时)后进行烧结，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，得到梯度多孔氮化硅陶瓷；

(5)二次加工得到氮化硅梯度多孔毛细芯。加工精度为圆度20μm，直线度50μm。所述氮化硅小孔层的厚度为1.5mm、孔径为0.5～0.6微米，孔隙率为48％。

实施例3

(1)采用冷冻干燥法，以si3n4粉体：水：聚乙烯醇：聚乙二醇的重量比可为100:100:5:5。通过机械湿法球磨混合均匀，制成浆料。将所得浆料经消泡、真空脱气后倒入模具中，再经-50℃下冷冻6小时。将所得坯体经脱粘后，在1700℃下烧结2小时，制备具有较大孔径的初级毛细芯，并进行初步加工。所述初级氮化硅毛细芯的孔径为20～100微米，孔隙率为78％；

(2)浆料配置将氮化硅粉体、烧结助剂氧化镱、凝胶剂异丁烯-马来酸酐共聚物、造孔剂液体石蜡加入到水中，球磨混合后，得到浆料，所述氮化硅粉体、烧结助剂、凝胶剂、造孔剂与水的质量比为100：6：0.4：8：72；

(3)在初级毛细泵外侧喷涂一层氮化硅浆料，凝胶后再次喷涂，直至达到所需厚度。所述喷涂的参数包括：喷头直径为1mm、压力为0.5mpa、喷枪与初级毛细芯的距离为200mm

(4)待涂层固化(30℃下固化12小时；)、干燥(120℃下干燥4小时)后进行烧结，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，得到梯度多孔氮化硅陶瓷；

(5)二次加工得到氮化硅梯度多孔毛细芯。加工精度为圆度20μm，直线度50μm。所述氮化硅小孔层的厚度为0.5mm、孔径为0.6～0.7微米，孔隙率为52％。