一种铝制均热板吸液芯及其超快激光制造方法与铝制均热板
本发明涉及一种铝制均热板吸液芯及其超快激光制造方法与铝制均热板，属于相变散热。
背景技术：
1、换热器件是电子系统中连接热源与热沉的桥梁，以热管为代表的两相换热器件，利用工质气液相变循环实现远高于纯固态等单一相材料的导热能力，在现代电子系统中扮演着不可或缺的角色。随着元器件功率、性能的发展提升，其发热量也在不断上升，迫切需要具有更高性能的相变换热器件问世。
2、当前，铜-水、钛-水、铝-氨等多种体系的相变换热器件发展迅速，其共同特征是依靠具有毛细力的吸液芯结构实现工质的高效蒸发、冷凝与回流，具有优异工质输运能力和蒸发能力的蒸发端吸液芯结构是高性能相变换热器件的关键。
3、其中，以铝合金为基体材料，以丙酮、氨为工质的铝制均温板存在轻量化、可加工性良好、防冻结耐低温等优异性能，广泛运用于各类机载散热，特别是航天航空领域的星载、弹载高可靠性要求散热领域。
4、目前，已商用或文献报道中，两相换热器件蒸发端结构主要有两大类：
5、一类以烧结金属粉末、多层编制丝网等为代表，其特征是利用烧结粉末或者丝网之间形成的多孔毛细结构实现工质的蒸发冷凝及被动输运。由于铝及其合金等材料存在极易氧化的问题，可控的烧结能力尚未完全开发。而丝网结构由于其趋向于二维平面化，输运能力有限。此外，不论是烧结金属粉末或者金属丝网都存在共同的问题，即芯结构与基体之间存在热阻。金属粉末或丝网与蒸发面间接触面积与其孔隙率正相关，整体接触面积较小，并且焊接接头处由于工艺问题也会产生接触热阻，热量难以有效传递到蒸发芯中。
6、另一类蒸发芯结构为直接在蒸发端基体上制备的亲水性表面织构，这类结构由于是直接在基体上成形，不存在基体与蒸发芯之间的接触热阻问题，换热效率较高。主要有两种加工方式：一是机械加工方法，该方法的主要限制来源于结构尺寸较大导致的毛细驱动不足以及加工时间导致的成本问题；二是使用半导体行业的光刻-掩模-刻蚀工艺，对于多种材料均可以实现图形化加工，但使用半导体mems工艺加工宏观器件，成本极为昂贵。
7、铝制均温板主要具有两种主流的焊封工艺：其一为真空钎焊，由于铝氨型体系具有较高的工作正压，平板热管内部需要同时焊合多个起到支撑功能的凸点，在布置钎料时难以单独放置，往往采用大面积的薄型钎料，对于烧结型吸液芯而言过量的钎料不足以堵塞孔隙，而对于具有超润湿性的微纳表面织构则会迅速铺展，掩盖结构从而恶化设计性能；其二为真空扩散焊，常适用于孔隙更小的编织型丝网结构热管焊合，但前处理过程中需要先后在热强碱、浓硝酸、纯水、酒精等洗液中腐蚀清洗，对于表面形貌改变较大。
8、由上所述，现有批量生产的铝制均温板焊合工艺对于直接在表面构建的织构型吸液芯均不具有良好的兼容性。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种兼容于真空扩散焊连接前化学处理工艺的超快激光高效加工微结构吸液芯的方法。
2、为达到上述目的，本发明首先提供了一种铝制均热板吸液芯的超快激光制造方法，其包括以下步骤：
3、采用超快激光在铝合金表面形成预制槽道和微柱结构，并且至少在微柱结构的顶部形成重铸层；
4、采用氢氧化钠溶液、硝酸分别进行腐蚀，经过清洗，获得所述铝制均热板吸液芯。
5、根据本发明的具体实施方案，当采用真空扩散焊对铝制均热板进行焊封时，所采用的腐蚀工艺要求：前置结构应当具有尺寸缩放、结构粗化的特征。本发明通过采用超快激光对铝合金进行刻蚀形成满足腐蚀工艺要求的预制槽道和微柱结构，经过腐蚀之后能够获得理想的结构形貌，再经过真空扩散焊能够获得性能良好的铝制均热板。
6、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述微柱结构的侧面也形成有重铸层。
7、根据本发明的具体实施方案，在激光与材料的相互作用过程中，材料表面熔化并存在进一步气化，以液滴或蒸汽的形式溅射离开表面，同时产生的反作用力使得部分在表面的熔融物回到界面以形成重铸层。通过调整脉冲激光加工时的重复频率以及单脉冲能量，可以控制得到的表面附着重铸层的厚度和组成颗粒的粒径。重铸层主要集中在结构的顶部，适当厚度的重铸层可以有效保护结构顶部在后续化学处理过程中的过度腐蚀。从最终效果上，由于沿厚度方向以及沿宽度方向形成了一定程度的各向异性的腐蚀，因此，可以使铝制均热板吸液芯获得理想的结构形貌。利用较高功率参数加工形成的重铸层(或颗粒层)是不稳定的，不能作为直接使用的结构类型，而本发明突破了这一限制，将重铸层作为腐蚀工艺中的保护层，提供保护作用，这是现有技术中所没有公开过的。
8、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述重铸层的厚度为5μm-15μm，所述重铸层中的颗粒的粒径范围为50nm-5μm。所述重铸层的厚度具体可以为5-10μm或10-15μm。所述重铸层中的颗粒的粒径范围具体可以为100nm-4μm、500nm-3μm、1μm-2μm等。
9、根据本发明的具体实施方案，本发明采用超快脉冲激光刻蚀形成结构中的预制槽道，此方法中可以采用振镜进行激光加工，其技术方式自由度高，可实现路径规划，使槽道形状设计更加灵活，以适应不同需求，实现定制化设计。
10、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述超快激光的单脉冲能量为30-200μj，脉冲重复频率为600-1000khz。其中，所述超快激光的单脉冲能量具体可以为50-200μj，优选50-100μj。脉冲重复频率具体可以为700-1000khz、800-1000khz。
11、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述超快激光的脉冲宽度为飞秒级到纳秒级，例如45飞秒-100纳秒，具体可以为50飞秒、100飞秒、1000飞秒、10皮秒、100皮秒、1000皮秒、10纳秒、100纳秒等。
12、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述超快激光的光斑重叠率为30-100％。
13、根据本发明的具体实施方案，通过调节激光的工艺参数以及加工次数，可获得不同宽度、深度等尺寸的结构，以改变槽道形状。
14、根据本发明的具体实施方案，优选地，经过腐蚀后的槽道的宽度为50-250微米，深度为50-350微米；其中，槽道的宽度可以为100-200微米，深度可以为100-300微米。
15、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述槽道内部的纳米结构(该纳米结构是指通过酸蚀过程得到的表面纳米特征，为增强润湿性的纳米波纹结构，例如图5所示)的尺寸为20-200纳米。
16、根据本发明的具体实施方案，优选地，采用氢氧化钠溶液进行腐蚀包括：在30-100℃，采用质量浓度为5-20％(优选10wt％)的氢氧化钠溶液进行腐蚀至产生均匀气泡后60-120s。通过氢氧化钠溶液的腐蚀，可以去除基板表面的氧化层以及微结构表面的重铸层，主要的结构形貌在这一步完成。
17、根据本发明的具体实施方案，优选地，采用硝酸进行腐蚀包括：采用质量分数为10％-30％的硝酸进行90-120s的腐蚀。硝酸腐蚀过程可以在常温下进行。通过硝酸的腐蚀，可以溶解第一步碱液腐蚀过程中提前脱附的氧化层，并在微结构表面产生纳米粗糙度，以提高结构的润湿性。
18、根据本发明的具体实施方案，优选地，本发明所提供的铝制均热板吸液芯的超快激光制造方法在激光直写刻蚀之后，进行化学酸碱腐蚀处理，具体可以包括以下步骤：
19、采用超快激光在铝合金表面形成预制沟槽和微柱结构，其中，超快激光的单脉冲能量为0-200μj，脉冲重复频率为300-1000khz，脉冲宽度为飞秒级到纳秒级，光斑重叠率为30-100％；
20、根据微结构尺寸控制碱蚀工艺，在30-100℃下，采用质量浓度为5-20％的氢氧化钠溶液进行碱液腐蚀，在产生均匀气泡后继续腐蚀60-120s；
21、将经过碱液腐蚀处理的材料置于去离子水中浸泡90-120s，随后在流动水下清洗2min以去除残留的碱液；
22、在室温下，采用质量浓度为10％-30％的硝酸进行90-120s的酸液腐蚀；
23、然后采用去离子水、无水乙醇进行超声清洗，获得铝制均热板吸液芯。
24、本发明所提供的上述制造方法是一种兼容于真空扩散焊连接前化学处理工艺的超快激光高效加工微结构吸液芯设计制造方法，能够解决铝制均温板所存在的多孔芯难烧结、丝网芯毛细弱以及表面织构于工艺不兼容等问题。
25、本发明还提供了一种铝制均热板吸热芯，其是由本发明所提供的上述方法制造的，该铝制均热板吸热芯的微纳结构表面具有超润湿性。
26、本发明还提供了一种铝制均热板，其具有本发明所提供的上述铝制均热板吸热芯。该铝制均热板是通过真空扩散焊制备的。
27、本发明采用飞秒激光、化学腐蚀复合制备而成的超润湿吸液芯结构，在实践中具有优异的毛细芯吸性能：一方面，微米的槽道形貌和纳米粗糙度特征共同极大提高了材料的毛细驱动力；另一方面，激光加工过程中，由于激光的高斯能量分布以及光束向下传播过程中的多重反射效应，槽道结构通常具有较为尖锐的底部，一方面尖锐底部具有较高的粘滞作用，属于流动高压区，另一方面尖锐结构类似裂纹在器件长期服役中容易引起材料力学失效，本发明通过化学腐蚀，能够使结构尖锐底角被钝化，粘滞阻力大幅度下降，流动性能得以提升，可能存在的应力集中问题也被改善，同时，纳米结构的存在为蒸发过程提供了大量形核位点，加强了结构换热能力。
28、本发明所提供的化学腐蚀结合激光加工的方法不仅增强了结构的传热传质性能，同时将激光加工形貌限制的工艺输入阈值提高，从性能和效率两方面，该结构已经远超现有技术。
技术特征：
1.一种铝制均热板吸液芯的超快激光制造方法，其包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微柱结构的侧面也形成有重铸层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重铸层的厚度为5μm-15μm，所述重铸层中的颗粒的粒径范围为50nm-5μm。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述超快激光的单脉冲能量为30-200μj，脉冲重复频率为600-1000khz；
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述超快激光的光斑重叠率为30-100％。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，经过腐蚀后的槽道的宽度为50-250微米，深度为50-350微米；
7.根据权利要求1所述的方法，其中，采用氢氧化钠溶液进行腐蚀包括：在30-100℃，采用质量浓度为5-20％的氢氧化钠溶液进行腐蚀至产生均匀气泡后60-120s。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其中，采用硝酸进行腐蚀包括：采用质量浓度为10％-30％的硝酸进行90-120s的腐蚀。
9.一种铝制均热板吸热芯，其是由权利要求1-8任一项所述的方法制造的，该铝制均热板吸热芯的微纳结构表面具有超润湿性。
10.一种铝制均热板，其具有权利要求9所述的铝制均热板吸热芯。
技术总结
本发明提供了一种铝制均热板吸液芯及其超快激光制造方法与铝制均热板。该方法包括以下步骤：采用超快激光在铝合金表面形成预制槽道和微柱结构，并且至少在微柱结构的顶部形成重铸层；采用氢氧化钠溶液、硝酸分别进行腐蚀，经过清洗，获得所述铝制均热板吸液芯。本发明所提供的化学腐蚀结合激光加工的方法不仅增强了结构的传热传质性能，同时将激光加工形貌限制的工艺输入阈值提高，从性能和效率两方面，该结构已经远超现有技术。
技术研发人员：刘磊,吴俣汐,邹贵生,于航
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23