激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法转让专利
申请号 : CN202010653892.0
文献号 : CN111964500B
文献日 : 2021-12-24
发明人 : 谢小柱 , 黄亚军 , 龙江游 , 任庆磊 , 张宇梁 , 张家发 , 徐美芳
申请人 : 广东工业大学
摘要 :
权利要求 :
1.激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,包括以下步骤:S10.以前体材料CuO NP、分散剂PVP及还原剂EG配制CuO纳米油墨,其中mCuONP:mEG=1.33~2.28,mCuONP:mPVP=1.85~3.08;
S20.制备CuO纳米涂层:将步骤S10中配制得到的CuO纳米油墨旋涂至高分子基材膜上,干燥得到CuO纳米涂层;
S30.制备柔性吸液芯:采用飞秒激光加工系统诱导步骤S20干燥后的CuO纳米涂层还原烧结得到Cu阵列,对高分子基材膜表面进行漂洗去除未加工区域剩余的CuO NP,得到柔性吸液芯;飞秒激光诱导采用的激光参数为:激光脉冲能量为0.21nJ~0.24nJ,激光扫描速度为2mm/s~7mm/s,激光扫描次数为1次,激光脉宽、重复频率、激光波长为固定值;
S40.制备柔性微热管:清洗高分子柔性膜和金属管,采用高分子柔性膜封装步骤S30的柔性吸液芯得到柔性微热管;采用充液管对柔性微热管内部抽真空,在柔性微热管的两端连接金属管,金属管的冷凝段连接有冷凝器。
2.根据权利要求1所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,步骤S10中,按以下步骤配制CuO纳米油墨:S11.在加热、磁力搅拌和超声振荡的共同作用下,将PVP和EG多次分批混合均匀得到分散剂溶液;
S12.配合机械振动、磁力搅拌和超声振荡,将CuO NP均匀分散于步骤S11的分散剂溶液中,形成CuO纳米油墨。
3.根据权利要求1所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,步骤S20中,在旋涂CuO纳米油墨之前,对高分子基材膜表面进行氧等离子体表面处理;所述高分子基材膜选自PET膜、PEN膜、PC膜、PI膜、PES膜、PLLA膜中的一种。
4.根据权利要求1所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,激光脉宽为280fs,重复频率为76MHz,激光波长为1030nm。
5.根据权利要求1所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,步骤S30中,采用乙醇和去离子水对高分子基材膜表面进行漂洗。
6.根据权利要求1所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,步骤S40中,将金属管置于酸液中浸泡清洗去除表面氧化层后再用清水清洗金属管表面,将高分子柔性膜浸泡于有机清洁剂的稀释溶液中清洗去除表面有机污渍。
7.根据权利要求1至6任一项所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,所述飞秒激光加工系统包括飞秒激光器、第一光路传输系统、第二光路传输系统、显示模块以及纳米移动平台,步骤S20干燥后的CuO纳米涂层夹装于纳米移动平台,所述第一光路传输系统置于飞秒激光器与纳米移动平台之间、将飞秒激光器产生的激光导向至CuO纳米涂层,所述第二光路传输系统置于纳米移动平台和显示模块之间。
8.根据权利要求7所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,所述第一光路传输系统包括用于改变光路方向的双向色镜及用于光束聚焦的显微物镜,所述显微物镜位于双向色镜和纳米移动平台之间。
9.根据权利要求8所述的激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法,其特征在于,所述第二光路传输系统包括用于反射光束的反射镜和用于成像的CCD照相机,所述CCD照相机与显示模块连接,所述反射镜位于CCD照相机和纳米移动平台之间。
说明书 :
激光诱导还原烧结氧化铜油墨制备柔性微热管的方法
技术领域
背景技术
然而传统的刚性热管满足不了复杂结构、狭小空间的微型电子元器件以及可折叠电子器件
的高性能散热需要。吸液芯作为热管的核心部件,其决定微热管的传热性能,目前常使用的
吸液芯包括切削沟槽式吸液芯、烧结式吸液芯和丝网式吸液芯,其中切削和烧结成型的加
工方法制备的吸液芯,无法制成非线性、多尺度、结构复杂的吸液芯,且无法在微观上控制
结构和形状,难以在柔性基材上制备;采用金属铜网或烧结铜粉的方式虽然能够在柔性基
材上制备吸液芯,但以此获得的毛细结构的亲水性能和机械性能较差。
和烧结处理,制备所需高孔隙率烧结铜为吸液芯的热管方法。上述方法虽能在柔性基材上
还原烧结得到吸液芯,但其工序复杂、制作成本高昂,且难以适用于微热管吸液芯的制备;
另外,上述方法获得的吸液芯用于微热管时,其毛细结构的亲水性能和机械性能较差,在微
热管弯曲时内部毛细结构容易受到破坏导致热管的传热性能下降。
发明内容
内液体的回流阻力小、热管传热效率高,热管的导热性能好。
柔性吸液芯;
两端连接金属管,金属管的冷凝段连接有冷凝器。
和孔洞的Cu阵列,该Cu阵列可减小热管内液体的回流阻力、提高传热效率,增强热管的导热
性能;且本发明采用飞秒激光诱导还原烧结,工艺简单,控制精确度高,制得的柔性吸液芯
可适用于微热管;以CuO NP作为原料,相比于贵金属纳米颗粒、Cu纳米颗粒,可较大程度降
低生产成本;以高分子基材膜为基底,以高分子柔性膜为封装材料,赋予微热管以良好的柔
韧性,较好地实现了可重复弯曲性能,具有较好的实用性;以金属管连接蒸发段和冷凝段,
可降低热源与工作液之间的热阻,降低整个散热系统的热阻,提高导热性能。
得液液分散均匀和固液分散均匀的分散方式也可适用于本发明。步骤S11中,加热是为了便
于液液的充分混合,可选用采用45℃~65℃的水浴进行加热。
不限于列举的膜种类。为保证加工过程中高分子基材膜的平整度,对高分子基材膜表面进
行氧等离子体表面处理,表面处理完毕后按照配置好的CuO纳米油墨按设定好的转速和时
间旋涂至高分子基材膜,本发明可根据应用需要通过调整旋涂转速和旋涂时间来调整CuO
纳米涂层的厚度。
长为固定值。本发明可根据改变激光参数、CuO纳米涂层厚度以得到不同孔隙率、不同线宽、
结构复杂的柔性吸液芯,具有灵活的可控性。
其中,金属管可选用同时具有较好的延展性和较好导热性能的金属材料,高分子柔性膜可
选用同时具有较好柔性和封装性能的膜材料。
所述第一光路传输系统置于飞秒激光器与纳米移动平台之间、将飞秒激光器产生的激光导
向至CuO纳米涂层,所述第二光路传输系统置于纳米移动平台和显示模块之间。
备热的热管,热管内液体的回流阻力小、热管传热效率高,热管的导热性能好。
附图说明
具体实施方式
子体表面处理以保证高分子基材膜9的表面平整度;另外,对高分子基材膜表面进行氧等离
子体表面处理时,氧等离子体与高分子材料表面分子直接或间接作用,可使得高分子基材
膜表面分子链上产生极性基团,表面张力显著提高,使得高分子基材膜表面易于接受涂层,
增加了Cu阵列的粘附性;
域剩余的CuO NP,得到柔性吸液芯;
柔性微热管的两端连接金属管,金属管的冷凝段连接有冷凝器。
于步骤S11的分散剂溶液中,形成CuO纳米油墨。
1030nm。
路传输系统置于飞秒激光器1与纳米移动平台3之间、将飞秒激光器1产生的激光导向至CuO
纳米涂层,第二光路传输系统置于纳米移动平台3和显示模块2之间。其中,第一光路传输系
统包括用于改变光路方向的双向色镜4及用于光束聚焦的显微物镜5,显微物镜5位于双向
色镜4和纳米移动平台3之间;第二光路传输系统包括用于反射光束的反射镜6和用于成像
的CCD照相机7,CCD照相机7与显示模块2连接,反射镜6位于CCD照相机7和纳米移动平台3之
间。实施时,飞秒激光器1输出高斯光,高斯光的方向被双向色镜4改变至正对着纳米移动平
台3,高斯光传输到显微物镜5由显微物镜5将光束聚焦到CuO纳米涂层表面,通过控制加热
温度诱导CuO纳米涂层还原烧结形成Cu阵列;此过程中,通过控制激光和纳米移动平台3共
同制备各种轨迹的Cu阵列图形;CuO纳米涂层表面光线经反射镜6反射至CCD照相机7,以实
时在线观测CuO纳米涂层加工情况。
的稀盐酸溶液中,当然也可浸泡于其他浓度的其他类型酸溶液中,浸泡时间以完全去除金
属表面氧化层为准;为加快清洗速率,本实施例清洗过程可配合使用超声振荡或机械搅拌
等方式;为清洗残留在金属表面的酸液,在去除氧化层后用清水清洗酸液并干燥备用。高分
子PDMS膜表面常常吸附一些有机杂质,本实施例采用有机清洁剂的稀释溶液中,清洗时间
以完全去除表面有机杂质为准;为加快清洗速率,本实施例清洗过程可配合使用超声振荡
或机械搅拌等方式;为清洗残留在高分子PDMS膜表面的有机溶液,在去除有机杂质后用清
水清洗并干燥备用。
抽吸速率:
(a)为Cu阵列横截面视角的表面形貌图,图3(b)为Cu阵列倾斜视角的表面形貌图,图3(c)为
孔隙率计算示意图。由图3(a)、图3(b)可以发现,Cu阵列结构疏松,分布有数量众多的缝隙
和孔洞;由图3(c)可得到本实施例Cu阵列的孔隙率为30.22%;孔隙率高的Cu阵列结构不仅
能够有效增强热管的轴向传热能力,而且通过增加孔隙率能够减小热管内液体的回流阻
力,可提高传热效率,增强热管的导热性能。
表征,具体地:选用去离子水作为热管工作流体,在第3s时,在Cu阵列最下端注入一滴去离
子水,去离子水在接触Cu阵列瞬间沿轴线向上攀升,于8s到达极限位置,攀升高度为
6.308mm;在整个过程中,随着液体攀升高度的增加,毛细抽吸速率逐渐下降,于第8s降至
零,此时液体攀升高度不再变化,如图4(a)所示。平均毛细抽吸速率可以通过毛细抽吸距离
与毛细抽吸时间的比值简单计算,本实验反重力平均毛细抽吸速率为1.26mm/s。到第14s时
液体已基本完全蒸发,从毛细抽吸初始到毛细抽吸达高度上限为止用时5s,从毛细抽吸到
达高度上限到液体完全蒸发为止用时6s。在第2.5s时,在Cu阵列最右端注入一滴去离子水,
液体由右至左沿Cu阵列轴线方向迅速流动,通过1mm距离用时0.6s,如图4(b)所示,计算可
得水平平均毛细抽吸速率为1.67mm/s,因不受重力作用的影响水平平均毛细抽吸速率要大
于反重力平均毛细抽吸速率。由测试结果可见,本实施例获得的吸液芯内液体的回流阻力
较小,可有助于提高热管的导热性能。
吸液芯的工作流体小于从吸液芯蒸发的工作流体,则油芯的饱和度会降低。随着油芯的饱
和度降低,蒸发速率降低同时毛细抽吸速率提高,直到它们彼此相等,随后进入新的平衡。
用与实施例一相同的方法测试孔隙率和水平平均毛细抽吸速率,本实施例测得的孔隙率为
27%,水平平均毛细抽吸速率为1.45。由此可见,本实施例激光参数下获得的Cu阵列可有效
增强热管的轴向传热能力、减小热管内液体的回流阻力,可提高热管的传热效率、增强热管
的导热性能。
用与实施例一相同的方法测试孔隙率和水平平均毛细抽吸速率,本实施例测得的孔隙率为
25%,水平平均毛细抽吸速率为1.3。由此可见,本实施例激光参数下获得的Cu阵列可有效
增强热管的轴向传热能力、减小热管内液体的回流阻力,可提高热管的传热效率、增强热管
的导热性能。
用与实施例一相同的方法测试孔隙率和水平平均毛细抽吸速率,本实施例测得的孔隙率为
22%,水平平均毛细抽吸速率为1.15。由此可见,本实施例激光参数下获得的Cu阵列可有效
增强热管的轴向传热能力、减小热管内液体的回流阻力,可提高热管的传热效率、增强热管
的导热性能。
率为28.38%。由此可见,本实施例激光参数下获得的Cu阵列可有效增强热管的轴向传热能
力、减小热管内液体的回流阻力,可提高热管的传热效率、增强热管的导热性能。
率为26.05%。由此可见,本实施例激光参数下获得的Cu阵列可有效增强热管的轴向传热能
力、减小热管内液体的回流阻力,可提高热管的传热效率、增强热管的导热性能。
采用与实施例一相同的方法测试孔隙率和水平平均毛细抽吸速率,本实施例测得的孔隙率
为9.89%,水平平均毛细抽吸速率为0.35。由此可见,在本对比例选用的激光参数下,Cu阵
列的孔隙率较小,对热管传热能力的改善有限,Cu阵列的性能更倾向于作为Cu电路使用,而
并不适宜于用作吸液芯和制作热管。
率为13.1%。由此可见,在本对比例选用的CuO纳米油墨组分配比下,Cu阵列的孔隙率较小,
对热管传热能力的改善有限,Cu阵列的性能更倾向于作为Cu电路使用,而并不适宜于用作
吸液芯和制作热管。
以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本
发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求
的保护范围之内。