藕状多孔铜制备工艺优化及空间结构三维重构的研究

发布时间：2020-06-18 14:42

【摘要】：藕状多孔铜是应用定向凝固法制备的多孔金属结构,在制备过程中定向凝固与金属-气体共晶反应相结合,这使得藕状多孔铜气孔呈圆柱状,且沿凝固方向定向排列于铜基体中,气孔结构平直均匀,内壁光滑等,藕状多孔铜独特的结构特点使其能够用来制备各种特殊的微通道热沉,在散热领域具有重要的应用前景。本文采用Gasar工艺制备藕状多孔铜,从理论和实验上分析研究了工艺参数对藕状多孔铜气孔形貌和结构参数的影响,并且对工艺参数进行优化。拉速对藕状多孔铜气孔形貌、气孔生长方向以及相应多孔结构参数有重要影响,这主要与不同拉速下凝固界面形貌差异有关,只有合适的拉速条件才能使凝固界面以平界面方式推进,从而获得气孔较为平直生长的优质藕状多孔铜。在本实验条件下0.7mm/s为合适的抽拉速率。当拉速变大时,藕状多孔铜铸锭的平均孔径、通孔率和气孔平均孔长均逐渐降低,但气孔率基本保持不变。采用非破坏性纳米CT扫描技术对藕状多孔铜结构进行CT扫描及三维重构。对藕状多孔铜的三维结构进行分析,特别是对气孔形核变化进行观察和研究,阐明拉速对形核和气孔形态、分布的影响。通过研究我们发现藕状多孔铜的形核并不是从最初液态金属凝固开始的,只有在凝固界面处熔体中氢气达到一定过饱和度才开始形核。氢气泡形核主要受凝固界面处熔体中氢气过饱和度和凝固速度的影响,凝固初期,凝固速度大,短时间内,只要氢的浓度达到临界值后,气泡便大量形核。随着凝固的进行,固-液界面与水冷铜结晶器的距离增加,受到的激冷作用减弱,凝固速度降低,气体的扩散距离增加,气孔的形核数目减小。对于制备的藕状多孔铜结构而言,单位体积内气孔形核数目随拉速的增大而增加,在拉速0.55mm/s、0.7mm/s下制备的多孔铜锭形核数目更快的趋于稳定,多孔铜气孔结构更加均匀。当拉速增加时,单位体积内新气孔的形核数目增加,气孔的平均直径减小,气孔的分布均匀性下降。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.11;TB383.4
【图文】：

共晶相,气体,金属,共晶反应

沈阳工业大学硕士学位论文气体共晶定向凝固工艺气体共晶定向凝固原理孔金属是基于固-气共晶反应及定向凝固过程进行制备的，如图图，在实验过程中，金属在密闭的高压容器中熔化并达到相应温一段时间使气体溶于熔体中且达到饱和，由于气体在固相和，在金属熔体冷却凝固过程中，气体在固-液界面处析出，与固有规则圆柱形长孔排列的藕状多孔金属结构。这种由液相中同反应与传统的共晶反应相似，得到的规则的藕状多孔结构与共

定向凝固法,多孔金属,热沉

Chiba 研究了水冷条件下几种热沉结构的换热能力[17]，发现藕状多孔铜用作热沉时换热系数为 8W/(cm2·K)，散热效果要远远优于微通道及传统翅片式热沉。Du 对不同孔径和气孔率的藕状多孔铜散热的研究表明[18]，藕状多孔铜的散热性能随气孔率的增加而增加。合适的多孔铜孔径使得散热性能达到最佳；当孔径减小时，结构比表面积增加，散热效果提高。陈海峰与励精图治分别用水和液态金属作为冷却介质[19,20]，进行了散热测试，此外励精图治研发了使用藕状多孔铜散热器作为台式电脑 CPU 散热的工程样机，发现使用水及液态金属为冷却工质时，藕状多孔铜热沉的散热效果要优于微通道热沉。1.2.3 藕状多孔铜制备方法国内外主要的制备藕状多孔结构的工艺有：普通模铸法，连续区域熔化法，连续铸造法，离心铸造法等。普通模铸法是最早应用于制备藕状多孔结构的方法，根据浇注方式不同，分为漏包法、倾包法以及翻包法，如图 1.2 所示。

【参考文献】