一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯的制作方法
【專利摘要】一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，由包括氮化硅粉末、燒結(jié)助劑以及造孔劑的原料燒制而成，其中氮化硅含量不少于90％wt。氮化硅粉末的平均粒徑介于0.1～10μm之間，α相氮化硅占比大于90％。多孔氮化硅毛細芯所含微孔互相連通，微孔孔徑介于0.5μm～5μm之間，開孔孔隙率大于50％。本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯由氮化硅粉末燒結(jié)而成，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕，可以有效抑制環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)的分解，提高了環(huán)路熱管的壽命。同時本發(fā)明多孔氮化硅毛細芯脆性高，機械加工性能好，在外壁精加工時，不會使表面微孔閉合，保證了較高的毛細芯開孔孔隙率。
【專利說明】
一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于熱控領(lǐng)域，涉及一種環(huán)路熱管，特別是該種環(huán)路熱管上使用的毛細芯組件。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著空間遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的槽道熱管逐漸難以滿足遙感器內(nèi)熱源數(shù)量多、尺寸小、功率大、控溫精度高及傳熱路徑需要柔性環(huán)節(jié)等散熱或控溫需求。環(huán)路熱管是一種利用毛細力驅(qū)動工質(zhì)循環(huán)并完成熱量傳遞的兩相流體回路系統(tǒng)，具有熱阻低、傳輸熱量大、傳熱距離遠、控溫精度高、柔性導(dǎo)熱以及安裝靈活等優(yōu)點，可以有效解決上述難題。
[0003]蒸發(fā)器是環(huán)路熱管的核心部件，其主要由蒸發(fā)器殼體和其內(nèi)部的毛細芯緊密結(jié)合而成。毛細芯成品既要求微米級的孔徑、較高的孔隙率，同時表面還需具有非常高的尺寸精度。
[0004]目前，絕大多數(shù)毛細芯毛坯通過金屬粉末燒結(jié)而成，再通過機械精加工外表面達到高尺寸精度。但由于金屬材料塑性較高，現(xiàn)有的車、磨、電火花等加工方法容易導(dǎo)致毛細芯外表面微孔閉合，大大降低了開孔孔隙率，進而造成環(huán)路熱管性能的下降，甚至失效。金屬粉末燒結(jié)毛細芯還存在掉渣掉粉現(xiàn)象，嚴重時會使環(huán)路熱管因局部阻塞失效。除此之外，金屬粉末燒結(jié)毛細芯導(dǎo)熱系數(shù)高，蒸發(fā)器背向漏熱(蒸發(fā)器向儲液器漏熱)大，不利于環(huán)路熱管的啟動及穩(wěn)定運行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可以用于環(huán)路熱管的多孔氮化硅毛細芯，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、脆性高，可以保證較高的開孔孔隙率，同時毛細芯與蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁面貼合率高，可以減小蒸發(fā)器熱阻，減少蒸發(fā)器向儲液器的反向漏熱，并且長期使用不出現(xiàn)掉渣掉粉現(xiàn)象，提高了環(huán)路熱管的工作效率和可靠性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，由包括氮化硅粉末、燒結(jié)助劑以及造孔劑的原料燒制而成，其中氮化硅含量不少于90 % Wt。
[0007]所述氮化硅粉末的平均粒徑介于0.1?ΙΟμπι之間，α相氮化硅占比大于90%。所述的多孔氮化硅毛細芯所含微孔互相連通，微孔孔徑介于0.5μπι?5μπι之間，開孔孔隙率大于50%。
[0008]所述的多孔氮化硅毛細芯的外形為圓柱形、碟形、矩形或者平橢圓形。
[0009]所述的多孔氮化硅毛細芯由長棒狀晶柱相互交錯搭接而成。
[0010]所述的多孔氮化硅毛細芯導(dǎo)熱系數(shù)小于4W/(m.K)，抗彎強度大于lOMPa。
[0011 ]所述的多孔氮化硅毛細芯外壁面與蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁面貼合率大于80 % O所述的多孔氮化硅毛細芯外壁面沿軸向和徑向設(shè)置若干蒸汽槽道或者為無蒸汽槽道的光滑表面，所述的蒸汽槽道截面為三角形、矩形、梯形或者Ω形。
[0012]所述的燒結(jié)助劑為氧化釔、氧化鋁以及氧化镥中的一種或其組合。所述的造孔劑為淀粉、鋸末、碳粉、尿素顆粒、硬脂酸顆粒、苯甲酸、萘粉、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、石油焦、酚醛樹脂、有機晶須、H3PO4中的一種或其組合。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0014]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯由氮化硅粉末燒結(jié)而成，氮化硅具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕，耐高溫，與水、氨、丙酮、氟利昂等多種工質(zhì)有良好相容性，有效抑制了環(huán)路熱管內(nèi)部工質(zhì)的分解，提高了環(huán)路熱管的壽命。
[0015]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯脆性高，機械加工性能好，在外壁精加工時，不會使表面微孔閉合，保證了較高的毛細芯開孔孔隙率。
[0016]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯在保證較高的開孔孔隙率的同時，表面可采用機械精加工手段提高尺寸精度，毛細芯與蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁面貼合率高，減小了蒸發(fā)器熱阻，提尚了環(huán)路熱管性能。
[0017]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯微孔呈細長狹縫形，能夠在保持小孔徑的同時提高孔隙率，使毛細芯在提供相同毛細力時產(chǎn)生的流動阻力更小。
[0018]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯，導(dǎo)熱系數(shù)小于4W/(m.K)，遠低于金屬毛細芯導(dǎo)熱系數(shù)，可減少蒸發(fā)器向儲液器的反向漏熱，改善環(huán)路熱管的啟動性能，提高環(huán)路熱管的工作效率和可靠性。
[0019]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯由高長徑比的長棒狀晶柱相互交錯搭接而成，這種結(jié)構(gòu)可以抵抗裂紋的擴展，使裂紋在擴展中得以分支、偏轉(zhuǎn)搭接，從而增大了斷裂所需能量，提高了毛細芯的強度和韌性。
[0020]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯具有良好的物理穩(wěn)定性，強度高，長期使用不出現(xiàn)掉渣掉粉現(xiàn)象，可有效提高環(huán)路熱管產(chǎn)品壽命。
[0021]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯保證開孔孔隙率的同時提高了表面加工精度，與蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁面貼合率高，減小了蒸發(fā)器熱阻，提高了環(huán)路熱管性能。
[0022]本發(fā)明提供的多孔氮化硅毛細芯可制成圓柱形、碟形、矩形或者平橢圓形，適用于圓柱型環(huán)路熱管和平板型環(huán)路熱管。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明圓柱形毛細芯結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明碟形毛細芯外形圖；
[0025]圖3為本發(fā)明矩形毛細芯外形圖；
[0026]圖4為本發(fā)明平橢圓毛細芯外形圖。
【具體實施方式】
[0027]—種用于環(huán)路熱管的多孔氮化硅毛細芯，由包括氮化硅粉末、燒結(jié)助劑以及造孔劑粉末的原料燒制而成，其中氮化娃含量不少于90 % wt。
[0028]這里的燒結(jié)助劑可以為氧化釔、氧化鋁以及氧化镥中的一種或其組合。而造孔劑可以為淀粉、鋸末、碳粉、尿素顆粒、硬脂酸顆粒、苯甲酸、萘粉、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、石油焦、酚醛樹脂、有機晶須、H3PO4中的一種或其組合。
[0029]為了保證使用效果，在選用氮化硅粉末時，最好是其中α相>90%，平均粒徑介于0.1?ΙΟμπι之間。成型后，所述多孔氮化硅毛細芯所含微孔互相連通，微孔孔徑介于0.5μπι?5μπι之間，開孔孔隙率大于50%。
[0030]如圖1所示，多孔氮化硅毛細芯外形可以為圓柱形，一端沿中心軸線設(shè)置盲孔。多孔氮化硅毛細芯壁厚均勻，外徑6?30mm，壁厚為1.5?10mm。多孔氮化硅毛細芯內(nèi)外壁面同軸度優(yōu)于0.5_，外圓壁面圓柱度優(yōu)于0.1_。
[0031]如圖2所示，多孔氮化硅毛細芯外形可以為碟形。多孔氮化硅毛細芯壁厚均勻，夕卜徑30?110mm，壁厚為3?15mm。多孔氮化娃毛細芯外圓周壁面圓柱度優(yōu)于0.1mm，上下表面平面度優(yōu)于0.2mm，平行度優(yōu)于0.2mm。
[0032]如圖3所示，多孔氮化硅毛細芯外形可以為矩形。多孔氮化硅毛細芯壁厚均勻，壁厚為2?50mm。多孔氮化硅毛細芯外壁面各表面平面度優(yōu)于0.2mm，各平行表面平行度優(yōu)于
0.2mmo
[0033]如圖4所示，多孔氮化硅毛細芯外形可以為平橢圓形。多孔氮化硅毛細芯壁厚均勾，壁厚為2?10_。多孔氮化娃毛細芯外壁面各平面的平面度優(yōu)于0.2mm，兩側(cè)曲面圓柱度優(yōu)于0.1mm，各平行表面平行度優(yōu)于0.2mm。
[0034]無論采用何種外形，多孔氮化硅毛細芯所含微孔呈長狹縫形。多孔氮化硅毛細芯由長棒狀晶柱相互交錯搭接而成，抗彎強度大于lOMPa，導(dǎo)熱系數(shù)小于4W/(m.K)。
[0035]多孔氮化硅毛細芯外壁面與蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁面貼合率大于80%，多孔氮化硅毛細芯外壁面沿軸向和徑向設(shè)置若干蒸汽槽道或者為無蒸汽槽道的光滑表面。蒸汽槽道截面可以是三角形、矩形、梯形或者Ω形。
[0036]多孔氮化硅毛細芯制備過程分為生坯燒結(jié)和機械精加工兩大步驟。生坯燒結(jié)又分為生坯成型和燒結(jié)兩大工藝，生坯成型可通過壓制成型、注漿成型等工藝方法實現(xiàn)，燒結(jié)有大氣燒結(jié)、真空燒結(jié)、氣氛燒結(jié)等工藝方法。機械精加工有車、磨、鉆等工藝方法，車、磨可實現(xiàn)多孔氮化硅毛細芯外壁形狀及蒸汽槽道的尺寸精度，鉆可實現(xiàn)圓柱形多孔氮化硅毛細芯內(nèi)部盲孔的形狀、位置尺寸。
[0037]蒸汽槽道和內(nèi)部盲孔的另一種實現(xiàn)方法是，在毛細芯生坯成型及燒結(jié)過程中采用內(nèi)置模具實現(xiàn)。多孔氮化硅毛細芯的內(nèi)部微孔孔徑和開孔孔隙率的大小可通過選擇不同粒徑的氮化硅粉末、燒結(jié)助劑粉末和不同粒徑、不同比例的揮發(fā)性/可燃性造孔劑實現(xiàn)。
[0038]例如，采用模壓成型工藝進行毛細芯制備時，可以采用以下流程:
[0039](I)混粉。將90的％的€(相氮化硅粉末與5%wt氧化釔粉末、5%wt氧化鋁粉末混合后，加入無水乙醇，攪拌均勻得到漿料。
[0040](2)濕磨。將配好的漿料倒入球磨罐中，以氮化硅球為球磨介質(zhì)在球磨罐中球磨24?48h0
[0041 ] (3)干燥。將磨好的漿料放入烘箱干燥，60 0C干燥6小時，將料漿烘干。
[0042](4)過篩。將烘干的混料過40目篩。
[0043](5)模壓成型。將過篩后的混料放入模具，壓力SOMPa模壓成型。
[0044](6)氣壓燒結(jié)。將成型生坯放在0.2?IMPa氮氣氣氛的碳管爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700?1800°C，保溫60min?120min，完成毛細芯的燒結(jié)。
[0045](7)機械加工。將燒結(jié)好的毛細芯進行機械加工，達到要求精度。
[0046]采用注漿成型工藝進行毛細芯制備時，可以采用以下流程:
[0047](I)混粉。將90wt %的α相氮化硅粉末與5wt %氧化釔粉末、5wt %氧化鋁粉末混合，攪拌均勻。
[0048](2)懸浮液制備。將混合粉末及2wt %的聚乙烯醇溶液加入去離子水中。添加0.6 %?0.9wt %聚丙稀酸錢，用濃氨水調(diào)節(jié)懸浮液的pH值至10，并加入適量丙三醇(0.05 %wt)作為消泡劑，攪拌均勻，形成固相含量為60 %的懸浮液。
[0049](3)球磨。將配好的懸浮液倒入球磨罐中，加入磨球，在行星式球磨機上球磨3?6h，制備料漿。
[0050](4)注漿成型。將料漿陳腐1h?12h后注入石膏模具中吸水成型制備出生坯。
[0051 ] (5)干燥。將脫模后的毛細芯燒結(jié)生坯置于恒溫恒濕箱中干燥12h?24h，溫度控制在40 0C?60 0C，濕度控制在50 %?70%o
[0052](6)脫膠。將干燥后的毛細芯燒結(jié)型坯置于馬弗爐中，在700?900°C下保溫I?2h。
[0053](7)氣壓燒結(jié)。將脫膠的毛細芯燒結(jié)素坯放入0.2?IMPa氮氣氣氛的碳管爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1700?1800°C，保溫60min?120min，完成毛細芯的燒結(jié)。
[0054](8)機械加工。將燒結(jié)好的毛細芯進行機械加工，達到要求精度。
[0055]需要說明的是，為了實現(xiàn)蒸發(fā)器殼體與毛細芯之間較高的貼合率，毛細芯表面要求較高的加工精度，故通常需要對毛細芯進行機械精加工，常用的方法有車削和線切割。車削是通過機械力對毛細芯進行擠壓、撕裂，達到尺寸精度，其影響區(qū)域不只限于加工表面。由于金屬毛細芯較好的塑性，車削時金屬毛細芯的擠壓撕裂和撕裂后的金屬碎肩會使毛細芯孔徑分布不均，堵塞毛細孔。線切割是用電腐蝕的方法對毛細芯進行加工，加工面上的金屬材料會高溫熔化流入微孔進而堵塞毛細芯表面微孔。而本發(fā)明所述多孔氮化硅毛細芯脆性較高，機械加工時氮化硅碎肩直接從毛細芯表面斷裂剝落，不發(fā)生塑性變形，因而毛細芯表面微孔不受影響。
[0056]本發(fā)明所述多孔氮化硅毛細芯已成功應(yīng)用于衛(wèi)星相機環(huán)路熱管對CCD器件進行精確控溫，環(huán)路熱管地面測試傳熱功率達到400W以上，控溫精度達到±0.4°C，目前已連續(xù)在軌運行9個月，產(chǎn)品預(yù)期壽命15年以上。在蒸發(fā)器直徑相近條件下，多孔氮化硅毛細芯環(huán)路熱管傳熱性能具有明顯優(yōu)勢。
[0057]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:由包括氮化硅粉末、燒結(jié)助劑以及造孔劑的原料燒制而成，其中氮化娃含量不少于90 % Wt。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述氮化硅粉末的平均粒徑介于0.1?ΙΟμπι之間，α相氮化硅占比大于90%。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的多孔氮化硅毛細芯所含微孔互相連通，微孔孔徑介于0.5μπι?5μπι之間，開孔孔隙率大于50%。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的多孔氮化硅毛細芯的外形為圓柱形、碟形、矩形或者平橢圓形。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的多孔氮化硅毛細芯由長棒狀晶柱相互交錯搭接而成。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的多孔氮化硅毛細芯導(dǎo)熱系數(shù)小于4W/(m.K)，抗彎強度大于lOMPa。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的多孔氮化硅毛細芯外壁面與蒸發(fā)器殼體內(nèi)壁面貼合率大于80%。8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的多孔氮化硅毛細芯外壁面沿軸向和徑向設(shè)置若干蒸汽槽道或者為無蒸汽槽道的光滑表面，所述的蒸汽槽道截面為三角形、矩形、梯形或者Ω形。9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的燒結(jié)助劑為氧化釔、氧化鋁以及氧化镥中的一種或其組合。10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種環(huán)路熱管用多孔氮化硅毛細芯，其特征在于:所述的造孔劑為淀粉、鋸末、碳粉、尿素顆粒、硬脂酸顆粒、苯甲酸、萘粉、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、石油焦、酚醛樹脂、有機晶須、H3PO4中的一種或其組合。
【文檔編號】F28D15/04GK106066131SQ201610587111
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】羅世魁, 李春林, 楊濤, 高騰, 趙石磊, 宋欣陽, 張煚, 呂寵
【申請人】北京空間機電研究所