阅读说明：本技术 一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法 (Preparation method of copper-based metal honeycomb heat dissipation material ) 是由 周芸 张光成 左孝青 于 2021-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法,属于多孔金属散热材料制备领域。本发明所述方法为将粉末增塑挤压成型与粉末冶金技术结合制备铜基金属蜂窝散热材料,即通过：混粉-炼料-挤压成型-脱粘脱碳-烧结等工艺步骤,制备出具有不同孔形的蜂窝状结构的多孔铜基散热材料。本发明所制备的铜基金属蜂窝散热材料,具有导热性好、散热面积大、散热效率高、制备工艺简单、成本低等特点,在计算机芯片、大功率电子设备及光电器件等散热电子元器件方面有着广阔的应用前景。(The invention discloses a preparation method of a copper-based metal honeycomb heat dissipation material, and belongs to the field of preparation of porous metal heat dissipation materials. The method combines powder plasticizing extrusion forming with powder metallurgy technology to prepare the copper-based metal honeycomb heat dissipation material, namely, the method comprises the following steps: mixing powder, refining, extrusion forming, de-bonding and decarbonizing, sintering and the like to prepare the porous copper-based heat dissipation material with different pore shapes and a honeycomb structure. The copper-based metal honeycomb heat-dissipating material prepared by the invention has the characteristics of good heat conductivity, large heat-dissipating area, high heat-dissipating efficiency, simple preparation process, low cost and the like, and has wide application prospect in the aspects of heat-dissipating electronic components such as computer chips, high-power electronic equipment, photoelectric devices and the like.)

一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法，属于先进金属多孔散热材料的

技术领域

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背景技术

随着信息化时代的高速发展，电子元器件和光电器件的高度集成化和微小型化，其单位面积产生的热量愈来愈高，如何在较短的时间内行之有效的耗散电子器件上的热量，成为了制约电子科技发展的一个重要课题。

研究数据表明，CPU的正常工作温度应在65℃以下，高于这个温度，CPU运行的稳定性就会受到严重影响，为了保证计算机的精确度和可靠性，需要对CPU进行高效的散热。LED作为新一代绿色照明光源，在拥有众多优点的同时，也存在不可忽视的缺点，即在发光过程中大约80%左右的能量会转化为热量，如果这些热量未得到及时的散发，将直接影响到LED的发光效率和寿命，所以有关CPU和LED的散热问题一直以来都是研究的热点。

在所有的金属中，除了银以外，铜是导热性能最好的，以此来制备的散热器散热效果好，但铜的密度很大，制备的全铜散热器存在重量大和加工难度大的缺点，不能满足CPU和LED对散热片重量的限制，而以铝制备的散热器，虽然质量轻，但散热效率达不到铜散热的效果，不能满足新一代大功率电子元器件对散热的要求。对于给定体积的散热器在降低重量的同时还需具有优异散热性能，因此开发多孔铜散热元件成为重要的技术发展方向。

在现有的散热器制备技术中，传统的翅片式散热器可以通过减小翅片之间的间距来增加散热表面积，但这样会增加散热器重量，同时增空气流动阻力，造成热阻升高，降低散热效率。

采用具有开孔结构的铜作为散热材料，将可能提高散热片的表面积，有望提高散热元件的散热能力。目前开孔铜基多孔材料主要制备工艺为：（1）定向凝固法(GASAR)，即利用铜与氢在高温下的共晶反应，采用定向凝固的方法制备出孔隙率大于15%、孔呈柱形分布的多孔铜基体材料。该技术存在的问题是工艺控制难度大，很难获得贯穿性的线性孔结构，且制备过程有一定的危险性。（2）粉末冶金法，即采用铜粉与造孔剂、粘结剂混合，经压坯、脱粘、烧结、水解和高温分解去除造孔剂等工序制备出相对密度在50～80%之间的多孔铜结构。该方法存在两个主要问题：孔形不规则，很难获得完全开孔结构，可控性较差。在强制冷却模式下，流阻较大，因此将限制热量的散失；工艺相对复杂，需要后续多道工序处理。（3）沉积法，即以聚氨酯泡沫为基体,采用电沉积技术在聚氨酯泡沫上沉积铜颗粒，后经烧结去除聚氨酯泡沫获得三维网状多孔铜,该技术只适用于制备薄膜多孔材料，虽然可以将多孔铜薄膜叠加来做散热材料，但制备工艺过程复杂成本更高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法，该方法制备的铜基金属蜂窝散热材料质量轻、散热快、成本低，该多孔铜散热材料可用于计算机芯片、大功率电子设备及光电器件等散热，具体包括以下步骤：

（1）混料与炼料：将纯铜粉与粘结剂按比例混合均匀，后加水进行炼料，其中铜粉占总质量分数的70%～80%，混料后经多次炼料后获得软硬适度的膏状坯料。

（2）挤压成型：将步骤（1）中的膏状坯料放入多孔分流挤压模具中挤压成型为整体蜂窝结构。

（3）干燥处理：将挤压成型的蜂窝体置于恒温干燥箱中进行干燥处理。

（4）脱粘脱碳：将干燥后蜂窝体进行脱粘处理，需在有氧气氛炉内烧结脱粘，炉内气压控制在1～2×10⁵Pa范围，获得所需氧含量，通过氧化去除粘结剂碳化所残留的碳。

（5）烧结：将脱粘后的样品在惰性保护气氛下烧结，最终获得铜基金属蜂窝散热材料。

优选的，本发明步骤（1）所述纯铜粉为平均粒度300～400目的气雾化粉，松装密度为2.2g/cm³～2.5g/cm³，纯度为99.9%。

优选的，本发明步骤（1）所述粘结剂为M1(纤维素醚HF4000)和M2(羟丙基甲基纤维素6000PF)混合而成，比例为1:1～1:1.5。

优选的，本发明步骤（1）中粘结剂与水的质量比为1:2～1:3。

优选的，本发明步骤（3）中干燥处理的条件为：干燥温度为120℃～130℃，干燥时间为1h～2h。

优选的，本发明步骤（4）中脱粘脱碳处理的条件为：温度为280℃～300℃，时间为120min；粘结剂在280℃～300℃碳化，粘结剂碳化形成的碳膜包裹在铜颗粒表面严重阻碍烧结结合，需要适量的氧气与碳反应生成气体排出。

优选的，本发明步骤（5）中烧结过程的条件为：烧结温度为850℃～950℃，保温时间为1h～2.5h。

热量的传递方式一般有热传导、热对流和热辐射，但在电子器件中热传导和热对流是主要的传热方式；在金属蜂窝内部具有大量有序的三维立体通孔结构，使得比表面积大大增加，相对于泡沫金属，与空气的接触面更多，能有效的结合两种热量传递方式，从而提高散热效果；同时蜂窝状的金属铜散热材料比翅片和泡沫铜散热材料更轻量化。本发明采用粉末增塑挤压-粉末冶金烧结技术，通过混料和炼料将铜粉末制成膏状体，经多孔分流模具在一定的压力和速率下挤出得到蜂窝结构体，蜂窝体干燥后在有氧气氛炉中进行脱粘脱碳处理，去除粘结剂碳化后留下的碳膜，最后在惰性保护气氛下烧结即得到铜基金属蜂窝散热材料。

本发明的优点和有益效果：

（1）相比于铜翅片式散热器和泡沫铜散热器，本发明的优点和有益效果主要表现为：本发明对铜蜂窝散热材料的制备能实现一次成型为完整结构，无繁琐加工的步骤，工艺简单，节约成本；本发明制备的铜基金属蜂窝散热材料，在金属蜂窝的内部有大量的线性直通孔，孔壁薄（壁厚为0.15~0.3mm）且分布均匀，具有较高的比表面积，有利于气体流动。

（2）通过更换挤压模具芯和调整相应的工艺参数，可以对本发明制备的金属蜂窝散热材料的孔形、孔尺寸、孔密度进行精准控制，获得所需孔形结构的蜂窝散热材料，使热量能够迅速、高效的散发出去，显著提高散热效率。

（3）本发明可根据需要制备内孔为方形或六边形的铜基金属蜂窝散热材料，孔壁薄且规则，对气流的阻力较小，表面积大能将热量以对流的方式带走，在相同体积下散热速度快效率高，同时更轻量化。

附图说明

图1为铜基金属蜂窝散热材料的制备工艺流程图。

图2为四边形内孔蜂窝散热材料的截面图。

图3为六边形内孔蜂窝散热材料的截面图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护内容并不限于所述内容，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）混料炼料：将平均粒度为300目的雾化铜粉和粘结剂放入混料机中混合均匀，后将混合均匀的粉料放入炼料设备中，加水进行炼料，其中铜粉占总质量分数的80%，粘结剂与水的质量比为1:2.5，混料后经多次炼料获得软硬适度的膏状坯料；所述粘结剂为纤维素醚HF4000和羟丙基甲基纤维素6000PF混合而成，比例为1:1。

（2）挤压成型：将混炼均匀的膏状挤压坯料放入四边形多孔分流模具中挤出内孔为四边形的整体蜂窝结构体。

（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构体在恒温干燥箱中进行缓慢干燥，干燥温度为120℃，干燥时间为120min；

（4）脱粘脱碳处理 需在有氧气氛炉内烧结脱粘，炉内气压控制在1×10⁵Pa范围,获得所需氧含量，通过氧化去除粘结剂碳化所残留的碳，脱粘温度为280℃，时间为120min。

（5）烧结：脱粘后的样品在氩气保护气氛中烧结，烧结温度为850℃～900℃，保温时间为2.5h，最后获得内孔为四边形、孔壁厚度（0.20mm）的铜基金属蜂窝散热材料，截面如图2所示。

实施例2

一种铜基金属蜂窝散热材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）混料炼料：将平均粒度为400目的雾化铜粉和粘结剂放入混料机中混合均匀，后将混合均匀的粉料放入炼料设备中，加水进行炼料，其中铜粉占总质量分数的75%，粘结剂与水的质量比为1:3，混料后经多次炼料获得软硬适度的膏状坯料，所述粘结剂为纤维素醚HF4000和羟丙基甲基纤维素6000PF混合而成，比例为1:1.5。

（2）挤压成型：将混炼均匀的膏状挤压坯料放入六边形多孔分流模具中挤出内孔为六边形的整体蜂窝结构体。

（3）干燥：将挤压成型的蜂窝结构体在恒温干燥箱中进行缓慢干燥，干燥温度为130℃，干燥时间为60min。

（4）脱粘脱碳处理：需在有氧气氛炉内烧结脱粘，炉内气压控制在1.5×10⁵Pa范围,获得所需氧含量，通过氧化去除粘结剂碳化所残留的碳，脱粘温度为300℃，时间为120min。

（5）烧结：脱粘后的样品在氩气保护气氛下烧结，烧结温度为900℃～950℃，保温时间为1.5h，最后获得内孔为六边形、孔壁厚度（0.25mm）的铜基金属蜂窝散热材料，六边形内孔蜂窝散热材料相比四边形内孔蜂窝散热材料有更高的比表面积，散热效果更佳，截面如图3所示。