印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能_申鹏.pdf

第 28 卷第 3 期 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 Vol.28 No.3 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Jun.2023 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.2023011 印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能 申鹏，蔡颜玻，王德志，刘新利，段柏华 (中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083)摘 要：以平均粒径为 55112 m 的电解树枝状铜粉为原料、用尿素作为造孔剂，添加有机成分黏结剂、溶剂等有机物制备成浆料，采用印刷工艺制备毛细芯生坯，然后脱脂烧结制备厚度为(0.20.02)mm 的毛细芯，研究铜粉粒径、尿素的加入和浆料有机成分对毛细芯孔隙结构和毛细性能的影响。结果表明，造孔剂尿素的加入可提高毛细芯结构的孔隙率、平均孔径和渗透率，降低毛细力和分形维数。随铜粉粒径从 112 m减小到 55 m，毛细芯的孔隙率、平均孔径、孔隙的平均面积和平均周长、分形维数等孔结构参数、以及毛细芯的渗透率和毛细特性参数均下降，分形维数由 1.39 下降至 1.20，但毛细力上升。分形维数与渗透率相关，随渗透率下降，分形维数逐渐减小；毛细特性参数与渗透率成正比，与毛细力成反比。用 112 m 铜粉制备的毛细芯性能最优，其渗透率(K)为 2.021010 m2，毛细力(Pc)为 1.29 kPa，毛细特性参数(PcK)达到2.61107 N。关键词：毛细芯；毛细性能；树枝状铜粉；印刷工艺；分形维数；渗透率；毛细力 中图分类号：TG146.1+5 文献标志码：A 文章编号：1673-0224(2023)03-233-11 Pore structure and properties of capillary wicks prepared by printing process SHEN Peng,CAI Yanbo,WANG Dezhi,LIU Xinli,DUAN Bohua (School of Materials Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:Using electrolytic dendritic copper powder with an average particle size of 55112 m as raw material and urea as pore forming agent,adding organic component binder,solvent and other organic matter to prepare slurry,using printing process to prepare capillary wick green,and then degreasing and sintering to prepare capillary wick with thickness of(0.20.02)mm.The effects of copper powder particle size,urea addition and slurry organic components on the pore structure and capillary performance of the capillary wick were studied.The results show that the addition of poreforming agent urea can increase the porosity,average pore size and permeability of the capillary wick structure,and reduce the capillary force and fractal dimension.As the particle size of copper powder decreases from 112 m to 55 m,the porosity,average pore size,average area,average perimeter,fractal dimension,permeability and capillary performanca parameters of the capillary wick all decrease,while the capillary force increases,its fractal dimension decreases from 1.39 to 1.20.The fractal dimension is related to the permeability,and as the permeability decreases,the fractal dimension decreases gradually.Its capillary performanca parameters are directly proportional to permeability and inversely proportional to capillary force.The capillary wick prepared by 112 m copper powder has the best performance,the permeability is 2.021010 m2,the capillary force(Pc)is 1.29 kPa,and the capillary performanca parameter(PcK)reaches 2.61107 N.Keywords:capillary wick;capillary performance;dendritic copper powder;printing proces;fractal dimension;permeability;capillary force 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51874368)收稿日期：20230301；修订日期：20230416 通信作者：段柏华，教授，博士。电话：[phone]；E-mail: 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 234随着现代智能手机等在内的各种电子及航空器件等轻薄化、空间利用最大化的发展趋势，所使用的散热元件需要在小空间环境下将高热通量电子元件产生的热量迅速传递出去，以保证元件模块的正常工作。毛细芯是散热元件热管的关键部件，其毛细性能决定热管的传热性能。目前，毛细芯主要分为以下几类：丝网型1、沟槽型2、微柱型3、纤维烧结型4、粉末烧结型5和复合毛细芯68。MANEEMUANG 等9对纤维烧结型毛细芯的均热板的传热性能进行了研究，并使用热阻数值模型预测烧结纤维芯组装热管的热阻。HUANG 等10使用4 个螺旋编织网和一个底层丝网作为毛细芯组成均热板，在水平状态下的最大有效热导率约为 20 900 W/(mK)，在重力状态下的最高有效热导率为 25 200 W/(mK)，分别是纯铜的 52 倍和 63 倍。LI等5提出一种新型的双边拱形烧结芯，所组成的热管的总热阻为 0.020.60 K/W，最大传热能力高达25 W。CAO 等11利用可溶解的造孔剂 NaCl，采用压制成形法在添加 30%NaCl(质量分数)和冷压力为20 MPa 条件下制备了孔结构可控的双孔 Ti3AlC2芯，具有优异的毛细性能。王德志等12采用镍粉振实烧结法制备 Ni 多孔毛细芯圆柱，研究装料密度、烧结温度、烧结时间等对毛细芯的孔隙率、平均孔径、微观形貌、渗透率及毛细压力的影响。黄豆13采用粒径为 75 m 的不规则铜粉烧结制备的毛细芯，孔隙率为 66.79%，渗透率为 2.21011 m2，毛细力为 3 880 Pa，毛细特性参数为 8.54107 N，用该毛细芯制备的均热板在 78 W 功率下的热阻为0.24 K/W。ZHANG 等14采用粒径为 94107 m 的不同形貌铜粉制备粉末烧结型毛细芯，随铜粉的不规则程度增加，毛细芯的毛细特性参数上升，对应热管的毛细极限随之上升，其中用粒径为 94107 m 的树枝状铜粉制备的热管毛细极限为 44 W。粉末烧结型毛细芯具有较高的毛细力、优异的抗重力性能和较低的生产成本，是最具应用价值的热管毛细芯结构。工业上一般通过松散/振实烧结、粉末填充/压制烧结和流延成形等方法批量生产粉末烧结型多孔金属毛细芯。CAO 等11和王德志等12的研究展示了通过松散/振实烧结、粉末填充/压制烧结工艺制备的毛细芯对于大三维尺度热管的应用匹配。但随热管和均热板厚度减小，要求毛细芯的厚度更薄，采用传统制造方法中的粉末填充工艺存在许多困难(沿边、形状精度)。所以，为了满足近二维尺度热管的毛细芯的应用条件，研究人员采用流延成形法制备近二维尺度的热管毛细芯。RU 等1516用聚乙烯醇作为黏结剂配制水系浆料，通过流延成形制备片状铜毛细芯，其中含有 1.5%(质量分数)发泡剂的毛细芯表现出 0.26 g/s 的毛细抽吸速率和4.51011 m2的渗透率。RAK 等17用 TiH2作为发泡剂，通过流延成形和烧结制备出厚度为 370 m、孔隙率为 36.2%、平均孔径为 22 m 的钛多孔板。LIU等18通过流延成形制备了厚度为 25200 m、孔隙率为 50%、平均孔径为 0.60.9 m 的多孔镍片。流延成形法是大规模制备薄而平坦的多孔陶瓷、聚合物或金属片的最佳方法19，可较好地满足均热板用毛细芯的厚度要求，但其缺点是毛细芯形状不能一次成形，需后期进行二次切割成为特定形状。为了满足均热板的毛细芯厚度和特定形状要求，本文作者研究一种具备实用价值的毛细芯制备方法。丝网印刷是一种重要的超薄材料制备技术，常用于低温共烧陶瓷(low temperature co-fired ceramic,LTCC)20、高温共烧陶瓷(high temperature co-fired ceramic,HTCC)21、硅太阳能电池电极22等的制备，可通过网版制备出高精度的具有特定形状图案的生坯膜，厚度可达几十微米，满足均热板用毛细芯的薄化应用需求和形状多样化需求。CHEN 等23采用印刷烧结法制备厚度为 0.55 mm 的烧结型铜粉毛细芯，所用粉浆是将二丙二醇单甲醚和粒度为6575 m 的铜粉按 51 的质量比混合制成的，烧结后的铜层厚度为 0.2 mm，孔隙率为 59.7%。采用该毛细芯制备均热板的最佳充液率为 43.2%，水平状态下均热板的最大传热能力为6.5 W，热阻为0.46 K/W。但他们未深入研究固相粉体粒径与液相成分对毛细芯的结构与毛细性能的影响规律，以及毛细性能对均热板的传质过程与传热性能的影响。本文作者采用电解树枝状铜粉为原料、用尿素作为造孔剂，添加有机成分黏结剂、溶剂等有机物制备成浆料，采用丝网印刷脱脂烧结工艺制备多孔铜毛细芯，研究铜粉粒径、尿素的加入和浆料有机成分对毛细芯孔隙结构和毛细性能的影响，为更薄均热板和图案化芯结构提供新的制备方法。第 28 卷第 3 期 申鹏，等：印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能 235 1 实验 1.1 毛细芯制备 1.1.1 原料及试剂 所用铜粉为北京兴荣源科技有限公司生产的电解树枝状铜粉，纯度(质量分数)为 99%，经过筛分取平均粒径分别为 112、99、70 和 55 m 的 4 种铜粉作为原料。浆料有机成分包括黏结剂、溶剂等。使用尿素(质量分数为 99%，粒度75 m，上海麦克林生化有限公司)作为造孔剂。1.1.2 浆料制备过程 依照文献24，固相中尿素的体积分数为 30%左右时其毛细上升高度较大，所以设计固相(包括铜粉和尿素)中尿素的体积分数为 33.3%。表 1 所列为制备铜粉毛细芯所用浆料的组成。首先在烧杯中将铜粉和尿素混合，再加入黏结剂和溶剂等有机成分配制成固相体积分数为 35%的浆料，用玻璃棒搅拌预混 5 min 后，使用三锟研磨机(S-65，上海索廷科技有限公司)均质化浆料，得到 1#4#毛细芯的浆料。不加入尿素，采用上述方法制备 5#毛细芯的 浆料。表 1 铜粉毛细芯的浆料组成 Table 1 Composition of slurry with copper powder capillary wick Capillary wick No.Cu powder particle size/m Slurry component Organic composition of slurry Urea 1#112 exist exist 2#99 exist exist 3#70 exist exist 4#55 exist exist 5#99 exist 6#99 1.1.3 印刷和脱脂烧结 1#5#浆料用 80 目尼龙网版(孔径为 180 m)在尺寸为 130 mm30 mm0.45 mm 的铜基底上进行丝网印刷，制备尺寸为 120 mm20 mm 的毛细芯生坯。所用丝网印刷平台为东莞市世创力智汇科技有限公司生产，网版与印刷平台之间的距离为 5 mm，印刷时刮板与印刷平台呈 45角。6#毛细芯为将铜粉填充到尺寸为120 mm20 mm的长条形亚克力模具中形成松散的铜粉生坯。将所有毛细芯生坯放入真空管式炉中，以 2/min 速率升温，在 200500 下进行低温快速脱脂，然后在 900 保温 1 h进行烧结，得到厚度为(0.200.02)mm 的毛细芯。脱脂烧结过程在氢气环境下进行。1.2 组织与性能测试 1.2.1 毛细芯的孔隙结构测试 采用阿基米德排水法25测试毛细芯的孔隙率，计算公式如下：221Cu21Cu32H O()/1()/()/mmmmmm-=-+-(1)式中：m1为铜基底的质量，m2为带有铜基底的毛细芯成品的干质量，m3为带有铜基底的毛细芯成品的饱和吸水质量，Cu为铜的密度，2H O为水的密度，取 1 g/cm3。使用 PANalytical 公司生产的 X 射线衍射仪(XRD)对毛细芯进行物相分析，扫描速度为 4()/min，Cu 靶，入射波长为 0.154 nm。用 TESCAN MIRA4 LMHOne Max 40型扫描电镜(SEM)在20.0 keV 下观察和分析毛细芯的微观形貌与结构，并使用软件 Imageproplus 6.0 对扫描电镜得到的二次电子和背散射电子图像进行处理，得出毛细芯的平均孔径、孔隙的平均长径比、平均面积和平均周长等孔结构参数。1.2.2 分形维数的计算 利用 SEM 图像，采用表面孔结构面积周长法计 算 表 面 孔 隙 的 分 形 维 数2627。首 先 通 过Imageproplus 6.0 软件进行图像处理得到孔隙的周长(P)和面积(A)。美国数学家曼德布特罗认为不规则图形的形状满足以下关系：f1/1/2DPA (2)式中：Df为不规则图形形状的分形维数。将式(2)进行对数求和化，得到：flglg2DPAC=+(3)由此计算出不同面积A的孔隙的lg A和lg P，并对其进行线性拟合，直线的斜率即为Df/2，得到毛细芯表面孔隙结构的分形维数Df。粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 2361.2.3 抽吸性能测试 用去离子水作为工作流体，采用毛细抽吸实验测试毛细芯的抽吸性能。首先使用固定夹将片状铜粉毛细芯样品固定在垂直案板上，运用升降台将盛满去离子水的水槽提升至与样品接触1 mm为止，然后使用摄像机记录不同时刻工质(去离子水)的上升高度，得到时间高度曲线。高度与时间满足以下关系28：cddhPhghKt=+(4)式中：为工质的黏度，为工质的密度，为毛细芯的孔隙率，K为渗透率，t为时间，h为工质克服 重力上升的毛细抽吸高度，dh/dt为毛细芯的抽吸速度，g为重力加速度。对dh/dt和1/h拟合，根据直线的斜率和截距，得出渗透率(K)、毛细力(Pc)和毛细特性参数(Pc K)。2 结果与讨论 2.1 毛细芯的微观结构 图1所示为用不同粒径铜粉制备的毛细芯(1#4#)表面形貌。由图可见，毛细芯中存在2种孔径的孔隙，一种是由尿素占位形成的大孔隙，另一种是 由两个或多个铜粉颗粒之间形成的烧结颈构成孔隙壁的中小孔隙。铜颗粒尺寸越小，组成孔隙壁的颗粒数目越多，故形成的孔隙越多，孔径越小。烧结颈都较粗大，说明颗粒之间结合紧密。随铜粉粒径从112 m减小到55 m，毛细芯的孔径减小，孔隙数量增多，孔隙的密度增大；并且形成烧结颈的铜粉颗粒形貌发生变化，这是因为铜粉粒径越小，其表面能越大，烧结驱动力越大，原树枝状铜粉的枝状部位原子越容易借助空位运动向颈部迁移，铜粉的枝状结构由此消失，变为块状形貌。图2所示为2#、5#和6#毛细芯的微观形貌，3个样品均使用粒径为99 m的铜粉制备。对比加尿素制备的毛细芯(2#)和未加尿素的毛细芯(5#)，发现加入造孔剂尿素的毛细芯中产生大孔径孔隙(见图2(a)，孔径两极化；未加尿素的5#毛细芯孔径较小，且孔径较单一。对比加入浆料有机成分但未加尿素的丝网印刷毛细芯(5#)和粉末填充毛细芯(6#)，发现两者的孔径较接近，孔隙壁均由单一大颗粒铜粉组成，孔径都较单一。总体上，2#、5#和6#毛细芯的孔隙分布都较均匀。图3所示为铜粉粒径为110 m的1#毛细芯的XRD谱，表2所列为1#毛细芯的EDS元素分析结果。由图3和表2可知，毛细芯由纯铜组成，无其 图 1 用不同粒径铜粉制备的毛细芯表面 SEM 照片 Fig.1 Surface SEM images of the capillary wick prepared with copper powders of different particle size(a),(e)1#capillary wick;(b),(f)2#capillary wick;(c),(g)3#capillary wick;(d),(h)4#capillary wick 第 28 卷第 3 期 申鹏，等：印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能 237 图 2 浆料有机成分和造孔剂尿素对毛细芯微观形貌的影响 Fig.2 Effects of organic components of slurry and pore forming agent urea on SEM micromorphologies of capillary wick(a),(d)2#capillary wick;(b),(e)5#capillary wick;(c),(f)6#capillary wick 图 3 1#毛细芯的 XRD 谱 Fig.3 XRD pattern of 1#capillary wick 表 2 1#毛细芯的元素组成 Table 2 Elemental composition of 1#capillary wick Element w/%x/%C 4.40 19.45 O 0.25 0.82 Cu 95.35 79.73 他衍射杂峰，说明丝网印刷毛细芯生坯中的有机成分已全部脱除，得到干净的毛细芯样品，C元素的质量分数仅为4.4%。2.2 孔隙结构 表3所列为铜粉毛细芯的孔隙率、平均孔径、孔隙的长径比、孔隙平均面积和平均周长等孔结构参数。由表3可知，随铜粉粒径减小，毛细芯的孔隙率减小。这是因为粉末粒径越小，粉末表面能越大，烧结驱动力越大，原子迁移速率越快，故烧结致密度越高。毛细芯的平均孔径、孔隙的平均面积和平均周长同样随铜粉粒径减小而减小。平均孔径跟铜粉颗粒的初始堆积间距和烧结颈的生长有关。铜粉颗粒越大，颗粒的初始堆积间距越大，尿素和液相占位越大，故烧结后形成的孔径越大；铜粉颗粒越大，原子迁移形成烧结颈所需的时间越长，烧结颈生长速率越小，通过烧结产生的固相骨架收缩率较小，即孔隙尺寸变化较小，所以孔径较大。孔 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 238隙的长径比随铜粉粒径减小先增大后减小，2#毛细芯的长径比最大。1#毛细芯的孔隙长径比小于2#，是因为制备1#毛细芯所用尿素的粒径(75 m)远小于铜粉粒径(平均粒径为112 m)，致使尿素颗粒进入铜粉颗粒间隙，形成尿素颗粒被铜粉颗粒包裹的空间布置，脱脂烧结后，尿素颗粒占位的大孔隙保存完好，孔隙形状较圆润，孔隙不能贯穿铜粉颗粒形成高长径比的孔隙。制备2#毛细芯的铜粉粒径(平均粒径为99 m)与尿素粒径(75 m)接近，烧结后尿素占位形成的较大孔隙仍在铜粉颗粒的支撑作用下留存下来，形成具有高长径比的贯穿孔隙。随铜粉粒径进一步减小，毛细芯孔隙的长径比逐渐下降，这是因为铜粉粒径远小于尿素粒径时，在脱脂和烧结过程中尿素占位形成的孔隙产生塌缩，即小颗粒铜粉的致密化使孔隙面积急剧减小，致使大孔隙无法维持稳定，毛细芯的孔隙率降低，最终形成低长径比的孔隙。由表3可知，与未加尿素的丝网印刷毛细芯5#相比，加入尿素的2#毛细芯孔隙率从60.37%提高到69.56%，平均孔径提升16.66%。与5#毛细芯相比，粉末填充毛细芯(6#)的孔隙率提升到62.25%，且平均孔径增大，这可能是由于流延成形时刮刀的压力使坯体中铜粉的堆积间距变小，初始孔隙率减小，烧结后孔隙率自然更小。按照2#、5#、6#顺序，孔隙的平均面积和平均周长都先大幅增大后小幅减小，与孔隙率的变化趋势一致，但孔隙的长径比从大到小的排序为6#、5#、2#，与孔隙率的排序不一致，这表明尿素的加入和浆料有机成分的加入都可使铜粉毛细芯表面结构的孔隙长径比减小。图4(a)(f)所示为按照式(3)计算的1#6#毛细芯结构的实验结果与拟合的lg Plg A关系图，图中1#6#的线性相关系数R2分别为0.957 21、0.962 06、0.950 59、0.936 42、0.942 39和0.949 65，表明毛细芯结构的孔隙具有自相似性，适合用分形维数描述27,29。图中拟合直线的斜率即为Df/2，由此得到所有毛细芯样品的分形维数Df，如图5所示。由图5可知，分形维数随铜粉粒径减小呈整体下降趋势，其中3#毛细芯的分形维数最大，表明该毛细芯的孔隙结构复杂程度和孔隙数量综合高于2#。与粉末填充的6#毛细芯相比，尿素的加入(2#)和浆料中有机成分的加入(5#)均使毛细芯的分形维数减小；对比5#和2#可知，尿素的加入使分形维数减小9.43%，对比5#和6#发现浆料中加入有机成分使分形维数减小0.88%，尿素与浆料中有机成分的加入对分形维数的影响与对长径比的影响一致。从图5看出，2#的分形维数远小于5#的，而5#的分形维数略小于6#的。这可能是由于铜粉粒径对毛细芯孔隙复杂程度的影响小于尿素的影响，导致2#的分形维数明显小于未加入尿素样品的分形维数。浆料有机成分的加入使孔隙的复杂程度略微 降低。2.3 毛细性能 图6所示为铜粉粒度对毛细芯抽吸性能的影响。图6(a)所示为工质(去离子水)的时间高度曲线，从图看出，铜粉粒径越小，工质爬升相同高度时所需的时间越长。其中2#和3#毛细芯(铜粉粒径分别为99 m和 70 m)的爬升曲线较相近，2#的工质爬升速度稍快于3#的。图6(b)和(c)所示分别为毛细芯的渗透率(K)和毛细力(Pc)、毛细特性参数(PcK)。由图可知，随铜粉粒径减小，毛细芯的渗透率下降，毛细力上升，毛细特性参数下降。随铜 表 3 毛细芯的孔隙参数 Table 3 Pore parameters of the capillary wick Capillary wick No.Porosity/%Average pore size/m Aspect ratio of pore Average area/m2 Average perimeter/m1#72.27 66.68 1.88 18 365.40 915.34 2#69.56 54.41 1.99 4 984.55 370.64 3#69.51 44.94 1.93 2 626.32 270.94 4#68.97 36.25 1.85 1 442.79 182.68 5#60.37 46.64 2.09 2 290.91 307.68 6#62.25 49.00 2.18 2 589.93 383.84 第 28 卷第 3 期 申鹏，等：印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能 239 图 4 1#6#毛细芯的实验结果与 lg Plg A 拟合图 Fig.4 Experiment results and fitting plots of lg Plg A for 1#6#capillary wick(a)1#;(a)2#;(a)3#;(a)4#;(a)5#;(a)6#图 5 1#6#毛细芯的分形维数 Fig.5 Fractal dimension plot of 1#6#capillary wick 粉粒径由112 m减小到55 m，毛细芯的渗透率由2.021010 m2下降至0.691010 m2，毛细力由1.29 kPa 提升至1.97 kPa，毛细特性参数由2.61107 N下降至1.36107 N。这是毛细芯的孔隙率和孔径同时下降所致。综合图5和图6可知，随铜粉粒度减小，毛细芯分形维数的变化与渗透率的变化大体相同，随分形维数减小，渗透率下降，毛细力升高。LI等30研究了用5075、75100和100150 m粒径的铜粉制备的烧结毛细芯的毛细性能，结果表明渗透率随铜粉粒径减小而下降，但毛细特性参数不是随铜粉粒径减小而单调递减，而是铜粉粒径为 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 240 图 6 铜粉粒径对毛细芯毛细性能的影响 Fig.6 Effects of copper powder particle size on capillary performances of capillary wick(a)Time vs.height curves for capillary rise experiment;(b)Permeability(K)and capillary force(Pc);(c)Capillary performance parameter(PcK)75100 m的毛细芯具有最佳的毛细特性参数。本文采用平均粒径为99 m(粒径范围为75102 m)的铜粉制备的丝网印刷毛细芯孔隙率为69.56%，远大于LI等30制备铜粉毛细芯的孔隙率46.2%，但该毛细芯的毛细特性参数并非最佳，而是随铜粉粒度进一步增大，毛细特性参数继续增大。随铜粉粒度增加，毛细芯的毛细特性参数持续增大的原因可能是由于孔隙率增大会大幅提升渗透率对整体毛细特性参数的影响，而同时孔隙的孔径减小对毛细力的提升幅度较小，如图6(c)所示，随铜粉平均粒径从99 m增加到112 m，毛细芯的渗透率增加幅度为31.13%，而毛细力只减小8.97%，所以毛细特性参数增大。用平均粒度为112 m的铜粉制备的毛细芯的毛细特性参数为2.61107 N，远大于DENG等31用75109 m粒径铜粉制备的毛细芯的毛细特性参数(2.75108 N)。表4所列为1#4#毛细芯的孔隙率、毛细性能与文献报道的毛细芯性能对比。在铜粉粒径相近的情况下，本文的渗透率远高于文献13和14的渗透率，而毛细力较小，毛细特性参数较高。毛细芯的毛细性能是影响均热板传热特性的主导因素。黄豆等13的研究表明，可以通过毛细特性参数来评估均热板的毛细性能，用毛细特性参数最大(0.85107 N)的毛细芯制备的均热板，在78 W传热功率下热流密度为34.67 W/cm2，而热阻只有0.24 K/W，毛细特性参数越大，均热板的传热性能越好。ZHANG等14采用粉末填充烧结法，用粒径为94107 m的树枝状铜粉制备的毛细芯，毛细特性参数为0.99107 N，用该毛细芯制备的热管毛细极限为44 W。而本研究制备的毛细芯的毛细特性参数达到2.61107 N，进一步组成均热板并测试其传热性能有待研究。图7所示为2#、5#和6#毛细芯的毛细性能，通过对比可看出尿素和浆料中的有机物对毛细芯毛细性能的影响。从图7(a)看出，添加尿素的2#毛细第 28 卷第 3 期 申鹏，等：印刷工艺制备毛细芯的孔隙结构与性能 241芯的工质爬升速度远大于未添加尿素的5#。对比5#和6#的毛细上升曲线，在高度小于75 mm时6#的工质爬升速度较快，而在高度大于75 mm时5#的工质爬升速度较快。图7(b)和(c)是毛细芯的渗透率和毛细力、毛细特性参数。2#毛细芯的渗透率远大于5#的，但2#的毛细力小于5#的毛细力，2#的毛细特性参数大于5#的。加入浆料有机成分的5#毛细芯的渗透率却低于6#的渗透率，这是因为5#的孔隙率和平均孔径均小于6#的。综上所述，毛细芯的毛细性能取决于孔隙结构。图 7 浆料有机成分和尿素对毛细芯毛细性能的影响 Fig.7 Effects of slurry organic composition and urea on capillary performances of capillary wick (a)Time vs.height curves for capillary rise experiment;(b)Permeability(K)and capillary force(Pc);(c)Capillary performance parameter(PcK)表 4 1#4#毛细芯孔隙率、毛细性能与文献报道的毛细芯性能对比 Table 4 Comparison of porosity and capillary properties of 1#4#capillary wick with capillary wick reported in references Capillary wick No.Powder particle size/m Porosity/%Permeability(K)/1010 m2 Capillary force(Pc)/kPa Capillary performance parameter(PcK)/107 N 1#112 72.27 2.02 1.29 2.61 2#99 69.56 1.54 1.42 2.16 3#70 69.51 1.02 1.79 1.80 4#55 68.97 0.69 1.97 1.36 18 50 40.81 0.02 6.06 0.13 18 60 45.44 0.03 4.41 0.11 18 110 68.54 0.23 1.37 0.32 13 75 66.79 0.23 3.88 0.85 14 94107 67.10 0.38 2.61 0.99 粉末冶金材料科学与工程 2023 年 6 月 242 3 结论 1)用平均粒度为55112 m的铜粉为原料，采用印刷工艺制备厚度为(0.20.02)mm的毛细芯，其孔隙率为60.37%72.27%，平均孔径为36.2566.68 m，渗透率(K)为0.5010102.021010 m2，毛细力(Pc)为1.291.97 kPa，毛细特性参数(PcK)范围为0.841072.61107 N，远高于文献报道的同类产品的性能参数。2)随铜粉粒径减小，毛细芯的孔隙率和孔隙的平均孔径、平均面积、平均周长，以及毛细芯的渗透率和毛细特性参数等均下降，毛细力上升。铜粉粒径为112 m的毛细芯的毛细特性参数最佳，达到2.61107 N。3)尿素的加入可以提高毛细芯结构的孔隙率、平均孔径和渗透率，降低毛细力和分形维数。4)随铜粉粒径减小，分形维数整体呈下降趋势，渗透率变化趋势与分形维数的大体相同。随分形维数减小，渗透率下降，毛细力上升。REFERENCES 1 TANG Y,TANG H,LI J,et al.Experimental investigation of capillary force in a novel sintered copper mesh wick for ultra-thin heat pipesJ.Applied Thermal Engineering,2017,115:10201030.2 POPOVA N,SCHAEFFER C,AVENAS Y,et al.Fabrication and thermal performance of a thin flat heat pipe with innovative sintered copper wick structureC/41st IAS Annual Meeting,Conference Record of the 2006 IEEE.Tampa,Florida:USA,2006:791796.3 AOKI H,IKEDA M,KIMURA Y.Ultra-thin heat pipe and its applicationJ.Frontiers in Heat Pipes,2012,2(4):69.4 LING W S,ZHOU W,LIU R L,et al.Thermal performance of loop heat pipe with porous copper fiber sintered sheet as wick structureJ.Applied Thermal Engineering,2016,108:251260.5 LI Y,HE J B,HE H F,et al.Investigation of ultra-thin flattened heat pipes with sintered wick structureJ.Applied Thermal Engineering,2015,86:10618.6 JIANG L L,TANG Y,PAN M Q,et al.Phase change flattening process for axial grooved heat pipeJ.Journal of Materials Processing Technology,2012,212(1):331338.7 YANG C,CHANG C,Song C Y,et al.Fabrication and performance evaluation of flexible heat pipes for potential thermal control of foldable electronicsJ.Applied Thermal Engineering,2016,95:445453.8 L L,LI J.Managing high heat flux up to 500 W/cm2 through an ultra-thin flat heat pipe with super hydrophilic wickJ.Applied Thermal Engineering,2017,122:593600.9 MANEEMUANG S,KAMMUANG-LUE N,TERDTOON P,et al.Effect of pipe flattening on pressure drop in vapor wick and thermal performanca of miniature round and flat-shape heat pipe with sintered fiber wickJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,2021,176:121416.10 HUANG G W,LIU W Y,LUO Y Q,et al.A novel ultra-thin vapor chamber for heat dissipation in ultra-thin portable electronic devicesJ.Applied Thermal Engineering,2019,167:1