Cu粉特性对热导管烧结毛细结构性能的影响

易翠，王日初，莫文剑，钟耀宗



Cu粉特性对热导管烧结毛细结构性能的影响

易翠1, 2，王日初1，莫文剑2，钟耀宗2

(1. 中南大学材料科学与工程院，长沙410083；2. 湖南省天心博力科技有限公司，益阳413000)

研究热导管铜粉的松装密度、粉末粒度、粉末粒径分布对铜粉烧结的毛细结构体断裂强度、孔隙率、毛细力吸水通量的影响。结果表明：在烧结温度为980 ℃，烧结时间60 min的条件下松装烧结所得铜热导管毛细结构体综合性能良好，当铜粉松装密度2.1 g/cm3，粒径范围100~250 μm，其中粒径150~250 μm的质量分数为40%~70%时，铜粉烧结毛细结构体的断裂强度为9.11~9.67 MPa，孔隙率52.6%~53.8%，毛细力吸水通量1.30× 10−3~1.42×10−3 g/(s∙mm2)。

热导管；铜粉；断裂强度；孔隙率；毛细力；吸水通量

随着微电子技术发展，微电子芯片的集成度日益提高，其产生的高热流密度电子散热问题成为电子工业发展的瓶颈，电子元件发生故障时，55%来自于热问题[1]。为了使电子元件稳定有效地工作，延长电子元件的使用寿命，需要开发高效的热管理系统。热导管作为一种高效传热组件，在热管理系统中得到广泛应用[2]。热导管由密闭壁壳，毛细结构层和流体3部分组成。其中，毛细结构层提供流体的储存空间、流体回流的通道和动力[3]。烧结型热导管的毛细结构层由铜粉烧结而成，毛细结构层的特性，如孔隙率、毛细力吸水通量和断裂强度的高低都直接影响热导管的传热效率。近几年关于热导管的设计，生产工艺和毛细结构层特性对热导管性能影响的研究成为热导管工程应用的热点[4−12]。JIANG等[9]研究小型圆热导管烧结毛细结构层的设计和制造，LI等[10]研究压扁厚度对压扁型烧结式微热管性能的影响，REN等[11]研究回路热导管中毛细结构层特征对传热性能的影响。目前，从粉末冶金学的角度探求原料粉末与毛细结构层性能关系的研究工作报道较少。本研究从工程应用的角度探讨粉末的松装密度、粉末粒度、粒径分布等粉末特性对烧结型热导管毛细结构层的影响，以期为制备高性能的烧结型热导管提供实验依据。

1 实验

1.1 铜粉的制备

本实验使用的铜粉为热导管专用铜粉，粉末氧含量小于0.1%(下文中孔隙率为体积分数，其它皆为质量分数)。生产原料为纯度大于99.9%的电解铜板，Cu粉制造工艺流程为：水雾化→还原→破碎→抗氧化→筛分，制得不同松装密度、不同粒度范围和不同粒径分布的热导管铜粉。

1.2 铜粉烧结

本实验模拟热导管生产过程中的松装烧结工 艺[13]，将铜粉在振动平台上填入石墨模具并振实，放入网带炉烧结，烧结温度980 ℃，在氨分解气体气氛中保温1 h，制得铜粉烧结毛细结构体。烧结用的石墨模具有两种，一种尺寸为8 mm×100 mm圆柱体模腔，该模具烧结得到的铜棒用于孔隙率和毛细力吸水通量测试；一种尺寸为31.9 mm×12.74 mm×6.5 mm立方体模腔，该模具烧结得到的铜块用于断裂强度 测试。

1.3 性能测试

孔隙率的测试，使用游标卡尺测试铜棒的直径，长度1，使用电子秤称质量1，然后将铜棒放于水中浸置，然后抽真空，使毛细结构体的吸水过程在微负压中进行，保持浸置时间30 min，取出称质量2。

=4(2−1)/(×π×2×1) (1)

式中：为水的密度；1试样原始质量；2试样吸水后质量，1试样长度，为试样直径。

毛细力吸水通量()测试，使用游标卡尺测试铜棒直径2，长度2，使用电子秤称质量3，将铜棒放入1 cm深的水中，同时计时，记录水上升到铜棒顶端的时间为，使用电子秤称质量4。

式中：3为试样原始重量；4为试样吸水后重量；2为试样直径；为试样吸水时间。

采用WDW−20型万能试验机测试铜粉烧结毛细结构体的断裂强度，采用JSM−5600型扫描电子显微镜(SEM)观察粉末和粉末烧结后毛细结构体的微观形貌，采用霍尔流速计测试粉末的松装密度，采用敲击式振动筛和国家标准筛网测试粉末的粒径分布。

2 结果与分析

2.1 粉末特征

图1所示为不同松装密度粉末形貌显微照片，图1(a)所示为松装密度1.7 g/cm3的粉末，为薄片不规则形貌。图1(b)所示为松装密度1.9 g/cm3的粉末，为厚片状不规则形貌，图1(c)所示为松装密度2.2 g/cm3的粉末，为轴状不规则形貌，且出现部分类球形颗粒。图1(d)所示为松装密度2.6 g/cm3的粉末，为类球形颗粒。铜粉松装密度1.7~2.6 g/cm3，随松装密度升高，粉末由不规则片状结构逐渐向类球形转变。水雾化过程中，金属铜液被大流量水冲击破碎后，在冷却过程中来不及收缩成球形，而形成不规则形貌，由于粉末松装密度随粉末非球形系数的增加而降低，因此粉末形貌越趋于不规则，其松装密度越低。

2.2 粉末的松装密度对烧结后毛细结构体性能的影响

将不同松装密度，粒度为125~355 μm的铜粉，烧结后测试断裂强度、孔隙率、毛细力吸水通量。图2为不同松装密度铜粉烧结后的断裂强度。可以看出，随铜粉松装密度增加，烧结后断裂强度逐渐增加，且增幅稳定。由于粉末松装密度增加，粉末形貌逐渐由不规则薄片状转变为类球形颗粒，粉末间孔隙体积减小，粉体排列紧密度和粉体间接触面积增大。单元系粉末烧结机制主要是扩散和流动，粉体接触面积增大更利于粉体间原子扩散和烧结颈形成(烧结颈如图3所示)，使粉末烧结后断裂强度增加。

图4所示为不同松装密度铜粉烧结后的孔隙率和毛细力吸水通量。可以看出，随铜粉松装密度增加，烧结后孔隙率和毛细力吸水通量逐渐降低，且降低幅度稳定。铜粉烧结毛细结构的孔隙率为烧结前松散状态粉末孔隙率减去烧结过程中孔隙体积收缩。当粉末松装密度增加，粉末形貌逐渐由不规则薄片状转变为类球形颗粒，粉末松散状态下孔隙率降低，且粉体间接触面积大，有利于烧结的进行，在烧结过程中，松装密度高的粉末烧结程度更高，孔隙体积收缩大，所以粉末松装密度越高，烧结后毛细结构体后孔隙率 越低。

充分吸水后，毛细结构体孔隙全部被水填充[13]，吸水的体积即为孔隙体积，故吸水量与孔隙体积成正比。同时，当粉末松装密度增加时，粉体排列更紧密，粉末间孔隙尺寸减小，在烧结过程中由于烧结颈的不断长大而更容易被阻隔和消失[14]，毛细结构体吸水时，连通孔隙提供水流通道，被阻隔的孔隙阻碍水流前进，进而降低吸水速率。毛细力吸水通量由毛细结构体的吸水量和吸水速率决定，吸水量和吸水速率越大，毛细力吸水通量越高。

图1 不同松装密度铜粉的SEM像

图2 不同松装密度铜粉烧结后的断裂强度

图3 铜粉烧结后毛细结构体的SEM像

2.3 粉末的粒径范围对烧结后毛细结构体性能的影响

将松装密度为(2.1±0.05) g/cm3，不同粒径范围的铜粉烧结后测试断裂强度、孔隙率、毛细力吸水通量。断裂强度的测试数据如图5所示，可以看出，铜粉粒径减小，烧结后断裂强度升高。因为粉末粒径减小，烧结驱动力增大，利于烧结颈形成和长大，粉末烧结后断裂强度增加。

孔隙率和毛细力吸水通量的测试数据如图6所示，可以看出，随铜粉粒径减小，铜粉烧结后孔隙率和毛细力吸水通量降低。粉末松装密度相同，烧结前粉末松散状态孔隙率也相同，在烧结过程中小粒径粉末烧结驱动力更大，利于烧结颈长大，孔隙体积收缩增大，所以小粒径粉末烧结后毛细结构体的孔隙率更低。且小粒径粉末间孔隙尺寸小，烧结时易形成被阻隔和封闭的孔隙，降低吸水速率，毛细力吸水通量随之降低。

图4 不同松装密度铜粉烧结后的孔隙率和毛细力吸水通量

图5 不同粒径铜粉烧结后的断裂强度

图6 不同粒径铜粉烧结后的孔隙率和毛细力吸水通量

从图5和6中可以看出粒径为100~250mm粒度的铜粉烧结后的孔隙率和毛细力吸水通量，断裂强度均较高，综合性能好。

2.4 粉末的粒径分布对烧结后毛细结构体性能的影响

将松装密度为(2.1±0.05) g/cm3，粒径范围为100~ 250 μm，其中150~250 μm所占比例不同的铜粉烧结后测试断裂强度、孔隙率和毛细力吸水通量。

铜粉烧结后断裂强度的测试数据如图7所示，可以看出，断裂强度随150~250 μm占比增加，先经过缓慢增加到最高值，然后迅速降低。当150~250 μm比例从10%升高至50%，断裂强度处于较高值，且增加缓慢，当150~250 μm比例为50%时，断裂强度达到最高值；当150~250 μm比例大于50%时，断裂强度随150~250 μm比例增大而迅速减小。

图7 不同比例150~250 μm粉烧结后的断裂强度

图8所示为粒径范围为100~250 μm，其中150~ 250 μm所占比例不同的铜粉，烧结后的孔隙率和毛细力吸水通量，可以看出，孔隙率和毛细力吸水通量随150~250 μm粉末所占比例增加，先经过缓慢降低，然后平缓增长，最后迅速增加。当150~250 μm粉末比例从10%到30%，孔隙率和毛细力吸水通量逐渐降低，当150~250 μm粉末比例为从30%到70%时，孔隙率和毛细力吸水通量平缓增加，当150~250 μm粉末比例大于70%时，孔隙率和毛细力吸水通量迅速增加。

图8 不同比例150~250 μm粉烧结后的孔隙率和毛细力吸水通量

铜粉烧结后断裂强度和孔隙率，毛细力吸水通量出现这种变化规律主要受以下2个影响因素：1)粉末粒径影响：100~250 μm铜粉由100~150 μm(简称为“细粉”)和150~250 μm(本段中简称为“粗粉”)这2种粒径粉末组成，随着铜粉中粗粉比例增加，粉末粒径增大，烧结后断裂强度降低，孔隙率和毛细力吸水通量增大。2) 两种粒径粉末相互填充[15]作用：当粉末粒径尺寸相近时，粉体颗粒间易形成尺寸大小相近的孔隙，当粉末中粗细粉末混合时，粗粉间的大尺寸空隙可以被细粉填充而变小。当铜粉中粗细粉各自所占的比例越接近，这2种粒径粉末的填充作用越强，导致粉体间孔隙体积和孔隙尺寸减小，粉末颗粒接触面积增大，促进粉末烧结颈长大，导致粉末烧结后断裂强度增加，孔隙率和毛细力吸水通量降低。

从图7和8中可以看出，粉末松装密度(2.1±0.05) g/cm3，当100~250 μm粉末中150~250 μm所占比例为40%~70%时，粉末烧结后毛细结构体断裂强度，孔隙率，毛细力吸水通量综合性能好，且稳定。

3 结论

1) 铜粉粒径范围125~355 μm，松装密度1.9~2.5 g/cm3时，铜粉松装密度越高，铜粉烧结毛细结构体的断裂强度越高，孔隙率和毛细力吸水通量越低。

2) 铜粉松装密度(2.1±0.05) g/cm3，粒径范围125~355 μm和100~250 μm的铜粉烧结毛细结构体性能好，其中125~355 μm粉末烧结后具有高的孔隙率和毛细力吸水通量，100~250 μm铜粉烧结后具有高的断裂强度。

3) 铜粉松装密度(2.1±0.05) g/cm3，粒径范围100~ 250 μm，其中150~250 μm比例不同时，粉末烧结后毛细结构体断裂强度、孔隙率和毛细力吸水通量的影响因素为：铜粉粒径变化和不同粒径粉末的相互填充作用。当铜粉粒径范围为100~250 μm，其中150~ 250 μm的比例为40%~70%时，铜粉烧结毛细结构体综合性能好，断裂强度为9.11~9.67 MPa，孔隙率52.6%~ 53.8%，毛细力吸水通量1.30×10−3~1.42×10−3 g/(s∙mm2)。

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(编辑 高海燕)

Effects of copper powder character on properties of sintered capillary structure in heat pipe

YI Cui1,2, WANG Richu1, MO Wenjian2, ZHONG Yaozong2

(1. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Hunan province Tian Xin Bo Li technology Ltd., Co, Yiyang 413000, China)

The effects of apparent density, particle size and distribution of copper powder on the properties of sintered copper compacts with capillary structure, such as fracture strength, porosity and capillary water permeability were studied. The results showed that the copper compacts withcapillary structure sintered at 980 ℃ for 60 min, by copper powder with apparent density of 2.1 g/cm3, particle size of 100−250 μm, in which mass fraction of 150−250 μm copper powder is 40%−70%, should get the optimal properties with the porosity of 52.63%−53.8%, fracture strength of 9.11−9.67 MPa, water permeability of 1.30×10−3−1.42×10−3 g/(s∙mm2).

heat pipe; copper powder; fracture strength; porosity; capillary force; water permeability

TF123.23

A

1673−0224(2016)03−451−06

国家发改委重点项目产业化专项基金(湘发改工[2012]-1123)

2015−06−01；

2015−07−31

王日初，博士，教授。电话：0731-88836638；E-mail: wrc@mail.csu.edu.cn