本發(fā)明涉及一種電子元器件防護(hù)裝置，具體涉及一種開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著航天器中電子設(shè)備的集成度越來越高，它們所產(chǎn)生的熱流密度也越來越大，采用具有儲(chǔ)熱控溫能力的結(jié)構(gòu)做防護(hù)，即在電子元器件的下表面放置一個(gè)具有儲(chǔ)熱控溫能力的結(jié)構(gòu)(具體為在電子元器件pcb板下方放置一個(gè)具有儲(chǔ)熱控溫能力的結(jié)構(gòu))緩解高熱流密度對(duì)電子設(shè)備的影響，起到電子元器件防護(hù)裝置的作用。此外，衛(wèi)星等航天器對(duì)防護(hù)裝置的體積和重量有嚴(yán)格的要求，因此對(duì)具有高承載、高導(dǎo)熱和優(yōu)異儲(chǔ)熱性能的輕質(zhì)多功能防護(hù)裝置的需求更加迫切。目前多用相變材料制備電子元器件防護(hù)裝置進(jìn)行潛熱儲(chǔ)能，有助于提高能效和開發(fā)可再生能源，但是大多數(shù)固液相變材料的熱導(dǎo)率很低，導(dǎo)致由固液相變材料制備的相變儲(chǔ)能裝置無法快速進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存和釋放。為解決這一問題，盛強(qiáng)在其論文“泡沫金屬?gòu)?fù)合相變材料的制備與性能分析”(功能材料，2022年年第1期(53)卷)中公布了一種以高熱導(dǎo)率材料(石墨和金屬材料等)作為多孔介質(zhì)骨架，以相變材料作為填充物的開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過在多孔介質(zhì)骨架中加入相變材料，多孔介質(zhì)骨架能夠快速進(jìn)行熱傳導(dǎo)，同時(shí)又有一定的強(qiáng)度，因此該開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)既能夠滿足快速散熱的需求，又能夠滿足減震吸能的需求。

2、開孔泡沫金屬作為常用的高熱導(dǎo)率多孔材料，具有比表面積大、熱導(dǎo)率高、強(qiáng)度大、密度較低、流動(dòng)性比較好等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)均質(zhì)金屬材料相比，能根據(jù)不同流動(dòng)工質(zhì)及應(yīng)用環(huán)境條件設(shè)計(jì)出符合要求的結(jié)構(gòu)，且孔徑可在毫米級(jí)到微米甚至納米級(jí)之間調(diào)制，這為開孔泡沫金屬材料在眾多強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了良好的保證。同時(shí)，沖擊載荷下，開孔泡沫金屬材料胞孔在發(fā)生變形、坍塌的過程中吸收能量，具有一定的強(qiáng)度，因此開孔泡沫金屬材料被廣泛應(yīng)用于沖擊吸能場(chǎng)景。

3、具有熱能儲(chǔ)存和溫度調(diào)控功能的物質(zhì)稱為相變材料。相變材料可分為無機(jī)、有機(jī)及復(fù)合相變材料。其中，有機(jī)相變材料是一類儲(chǔ)能性能穩(wěn)定的環(huán)境友好型的相變材料。有機(jī)相變材料具有儲(chǔ)能密度大、價(jià)格低廉、過冷度較低、熔化后蒸汽壓低、無相分離現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)。

4、開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)以高熱導(dǎo)率多孔材料作為基體，以相變儲(chǔ)能材料作為增強(qiáng)相?；w和增強(qiáng)相在空間中是單獨(dú)存在的兩個(gè)部分，它們各自在空間維度上貫穿于整個(gè)開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并在各個(gè)方向纏繞，因此界面體積比相當(dāng)高，既可以滿足一定的力學(xué)性能(如具有較大的抗壓強(qiáng)度、屈服應(yīng)力等)，又具備一定的功能性，如熱存儲(chǔ)熱傳導(dǎo)等。

5、開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法主要是將熔融態(tài)的相變儲(chǔ)能材料灌入高熱導(dǎo)率多孔材料，通過冷卻等方式使相變儲(chǔ)能材料和高熱導(dǎo)率多孔材料相互結(jié)合，構(gòu)成開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)。開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度、屈服應(yīng)力等力學(xué)性能受制備方式的影響顯著。目前開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方式主要為真空注入法(通常也被稱為真空沉浸法)。

6、肖鑫在“泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料熱物性研究”(工程熱物理學(xué)報(bào)，2013年3月第34卷第3期)中采用真空注入法制備泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含真空泵和真空表，所用材料為泡沫石墨，純石蠟(熔點(diǎn)60～62℃)，其中純石蠟固體狀態(tài)密度為914kg·m-3。制備泡沫復(fù)合相變材料時(shí)，首先在不銹鋼容器底部放置若干固體石蠟，將放置了大小為100mm×100mm×10mm泡沫石墨的樣品支撐架放于石蠟的上部。封裝容器，連接真空管路，開啟真空泵，整個(gè)系統(tǒng)的真空度控制在50pa以下。對(duì)不銹鋼容器進(jìn)行100℃水浴加熱。隨著石蠟的熔化，泡沫石墨和樣品支撐架將會(huì)下沉，在下沉的過程中液體石蠟將會(huì)進(jìn)入泡沫石墨孔隙中。待泡沫石墨完全沉積于液體石蠟，停止加熱，關(guān)閉真空泵，將不銹鋼容器整體放入25℃冷水浴中冷卻，直至石蠟完全凝固。對(duì)容器壁進(jìn)行少許再加熱直到固體石蠟與壁面分離。取出放置于樣品支架上的已經(jīng)注入了石蠟的泡沫石墨樣品，去除表面多余的石蠟，得到泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料。該材料經(jīng)過機(jī)械加工(包括切削打磨，組合加工)后成為開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

7、利用真空注入法制備開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，根據(jù)制備流程，每次制備只能制備一個(gè)開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)樣品，若需要多個(gè)樣品，則需要多次制備，制備效率較低。且在肖鑫采用真空注入法制備泡沫石墨/石蠟復(fù)合相變材料的操作流程“取出放置于樣品支架上的已經(jīng)注入了石蠟的泡沫石墨樣品，去除表面多余的石蠟”中會(huì)剩余大量溢出多孔泡沫金屬的相變材料，在分離過程中容易破壞多孔泡沫金屬，導(dǎo)致制備的開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，產(chǎn)生次品，無法投入使用。朱孟帥等在論文“高孔密度的泡沫銅對(duì)石蠟儲(chǔ)熱性能的研究”中，采用真空沉浸法制備泡沫銅和石蠟的復(fù)合相變結(jié)構(gòu)，測(cè)量了泡沫銅在石蠟中的填充率為0.43％、1.29％和2.15％下的儲(chǔ)熱速率分別為21.08j/s、20.91j/s、21.67j/s和23.25j/s。

8、目前還沒有公開文獻(xiàn)涉及對(duì)上述制備方法制備的開孔泡沫銅基石蠟增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測(cè)試的結(jié)果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：針對(duì)目前航空航天領(lǐng)域電子元器件無法實(shí)現(xiàn)快速均勻散熱及有效承載的問題，同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)制備方法工藝復(fù)雜、成本大且制備的開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)缺陷大等問題，提供一種開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)制備方法，所述開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)，且制備出的開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種能夠承受載荷、儲(chǔ)熱速率高的輕質(zhì)多功能結(jié)構(gòu)，既能夠滿足快速散熱的需求，又能夠滿足減震吸能的需求，適用于作為電子元器件防護(hù)裝置。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

3、開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)是由高熱導(dǎo)率多孔結(jié)構(gòu)和相變材料組合的與受防護(hù)的電子元器件形狀匹配的結(jié)構(gòu)，即若電子元器件為方形，開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)也為方形，若電子元器件為圓柱形，開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)也為圓柱，開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的底面尺寸一般等于被防護(hù)電子元器件的表面尺寸。高熱導(dǎo)率多孔結(jié)構(gòu)作為多孔介質(zhì)基體，相變材料作為填充物填充到多孔介質(zhì)基體中。多孔介質(zhì)基體與相變材料在空間維度上貫穿于整個(gè)開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，并在開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)各個(gè)方向相互纏繞。因此界面體積比相當(dāng)高，既可以滿足一定的力學(xué)性能，如較大的抗壓強(qiáng)度、屈服應(yīng)力等，又具備一定的功能性，如熱存儲(chǔ)熱傳導(dǎo)等。

4、高熱導(dǎo)率多孔材料采用開孔泡沫金屬，優(yōu)選開孔泡沫銅。開孔泡沫金屬要求比表面積為1000～50000m2/m3、熱導(dǎo)率高(即比導(dǎo)熱系數(shù)0.02～0.20(m·k)/(kg/m3))、密度為290～500kg/m3、流動(dòng)性比較好(要求開孔率大于90％)，具有開孔結(jié)構(gòu)的開孔泡沫金屬置于流動(dòng)的相變材料之中，由于開孔泡沫金屬表面積大、流動(dòng)過程復(fù)雜，使開孔泡沫金屬具有很好的散熱能力，在自然對(duì)流的條件下，一定范圍內(nèi)增大開孔泡沫金屬的孔徑或孔隙率均有利于提高對(duì)流換熱能力。

5、相變材料作為填充相，要求相變材料性能穩(wěn)定，優(yōu)選石蠟，無毒無腐蝕性，相變潛熱高(150～250j/g)，相變溫度范圍廣(0～115℃)。

6、本發(fā)明開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)制備方法包括以下步驟：

7、第一步，采用電解燒結(jié)工藝(見申請(qǐng)?zhí)枮?01810532644.3的專利“一種具備三金屬銅-鈷-鉬/泡沫鎳多孔電極材料及其制備方法與應(yīng)用”)制作相對(duì)密度(泡沫材料密度/金屬材料密度)為2.0％～40.0％的開孔泡沫金屬基材，采用電火花切割的方式(即是一種非接觸式的加工方式，利用電極與工件之間的放電加工原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的切割、打孔等加工)對(duì)開孔泡沫金屬基材進(jìn)行切割，獲得與被保護(hù)電子元器件的形狀匹配，且底面尺寸等于被防護(hù)電子元器件的表面尺寸的開孔泡沫金屬基體。

8、第二步，采用鋁合金制作多組方形模具，方形模具是上表面開口的方形盒子，方形盒子的容積要求能夠完全容納開孔泡沫金屬基體，且方形盒子在長(zhǎng)、寬、高方向至少留有5～10mm的間隙r，方形盒子的容積為a×b×h，即a為方形盒子內(nèi)部空間長(zhǎng)，a應(yīng)大于開孔泡沫金屬基體的長(zhǎng)+2r，b為方形盒子內(nèi)部空間寬，b應(yīng)大于開孔泡沫金屬基體的寬+2r，h為方形盒子內(nèi)部空間高，h大于開孔泡沫金屬基體的高+r(即方形盒子的頂部距離開孔泡沫金屬基體的頂部大于r)，方形盒子的各個(gè)面的厚度為0.5～1.5mm。方形模具數(shù)量m應(yīng)大于或等于被保護(hù)電子元器件數(shù)量n，即m≥n。

9、第三步，采用硅橡膠制作多組方形隔離墊，方形隔離墊是上表面開口的方形盒子，方形隔離墊的長(zhǎng)稍小于方形模具內(nèi)部的長(zhǎng)a、方形隔離墊的寬稍小于方形模具內(nèi)部的寬b，方形隔離墊的高等于h+5mm，方形隔離墊的各個(gè)面的厚度為1.5～2.5mm。將方形隔離墊放置于方形模具內(nèi)，方形隔離墊的5個(gè)外表面與方形模具的五個(gè)內(nèi)表面(除上表面)完全貼附，將開孔泡沫金屬基體置于方形隔離墊內(nèi)部，保持開孔泡沫金屬基體位于方形隔離墊底部中心位置處。方形隔離墊為消耗品，制作數(shù)量p應(yīng)至少大于方形模具數(shù)量m，即p≥m。

10、第四步，為方便存取及加熱融化固態(tài)的相變材料，將相變材料切成塊狀(最大的邊長(zhǎng)小于5mm，形狀不限)，得到相變材料塊，如圖3所示，相變材料塊的熔點(diǎn)較低，能夠在加熱過程中發(fā)生固-液相變，相變潛熱高，吸收環(huán)境中的熱量，保持環(huán)境溫度不升高。

11、第五步，將相變材料塊分別置于m個(gè)方形隔離墊內(nèi)部，使相變材料塊完全覆蓋開孔泡沫金屬基體并充滿方形隔離墊內(nèi)部。此步是根據(jù)需求同時(shí)對(duì)m個(gè)方形模具中的方形隔離墊進(jìn)行操作。

12、第六步，令抽真空容器底部?jī)?nèi)表面面積≈q個(gè)方形模具底部面積總和，q為正整數(shù)；

13、第七步，若q≤m，轉(zhuǎn)第八步；若q>m，轉(zhuǎn)第九步；

14、第八步，將q個(gè)方形模具平鋪于抽真空容器(發(fā)泡桶)底部上表面，對(duì)抽真空容器進(jìn)行水浴加熱，調(diào)整水浴爐溫度高于相變材料塊的相變溫度。在水浴爐內(nèi)表面底部架設(shè)支撐架，將抽真空容器固定在水浴爐內(nèi)部，支撐抽真空容器，支撐架高度應(yīng)能保證抽真空容器底部4～5cm浸沒在水中。轉(zhuǎn)第十步。

15、第九步，將m個(gè)方形模具平鋪于抽真空容器(發(fā)泡桶)底部上表面，對(duì)抽真空容器進(jìn)行水浴加熱，調(diào)整水浴爐溫度高于相變材料塊的相變溫度。在水浴爐內(nèi)表面底部架設(shè)支撐架，將抽真空容器固定在水浴爐內(nèi)部，支撐抽真空容器，支撐架高度應(yīng)能保證抽真空容器底部4～5cm浸沒在水中。轉(zhuǎn)第十三步。

16、第十步，將抽真空容器的真空泵進(jìn)氣閥門關(guān)閉，對(duì)抽真空容器進(jìn)行抽真空，直到真空泵上真空表指針指示“-0.1”。同時(shí)對(duì)抽真空容器在真空環(huán)境下進(jìn)行水浴加熱，使得q個(gè)方形模具中的相變材料由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，使得開孔泡沫金屬基體完全浸沒在熔融態(tài)的相變材料內(nèi)部。保持抽真空容器內(nèi)部處于真空環(huán)境，持續(xù)加熱一段時(shí)間，直到熔融態(tài)相變材料內(nèi)部無氣泡，表示開孔泡沫金屬基體孔都填滿。所述真空泵要求最大真空度為0.098mpa。

17、第十一步，將水浴爐內(nèi)熱水換成常溫水并加入冰袋，對(duì)抽真空容器在真空環(huán)境下進(jìn)行水浴冷卻。待相變材料完全凝固后，打開真空泵的進(jìn)氣閥門，取出抽真空容器內(nèi)的q個(gè)方形模具，將q個(gè)方形模具內(nèi)方形隔離墊包裹的復(fù)合材料塊沿高度方向，從開口端直接取出，并對(duì)復(fù)合材料塊進(jìn)行切割和打磨，去除表層多孔泡沫金屬孔外的相變材料，得到q塊開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)。

18、第十二步，令m＝m-q，若m>0，轉(zhuǎn)第七步繼續(xù)制備；若m≤0，轉(zhuǎn)第十五步。

19、第十三步，將抽真空容器的真空泵進(jìn)氣閥門關(guān)閉，對(duì)抽真空容器進(jìn)行抽真空，直到真空泵上真空表指針指示“-0.1”。同時(shí)對(duì)抽真空容器在真空環(huán)境下進(jìn)行水浴加熱，使得m個(gè)方形模具中的相變材料由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，使得開孔泡沫金屬基體完全浸沒在熔融態(tài)的相變材料內(nèi)部。保持抽真空容器內(nèi)部處于真空環(huán)境，持續(xù)加熱一段時(shí)間，直到熔融態(tài)相變材料內(nèi)部無氣泡，表示開孔泡沫金屬基體孔都填滿。所述真空泵要求最大真空度為0.098mpa。

20、第十四步，將水浴爐內(nèi)熱水換成常溫水并加入冰袋，對(duì)抽真空容器在真空環(huán)境下進(jìn)行水浴冷卻。待相變材料完全凝固后，打開真空泵的進(jìn)氣閥門，取出抽真空容器內(nèi)的m個(gè)方形模具，將m個(gè)方形模具內(nèi)方形隔離墊包裹的復(fù)合材料塊沿高度方向，從開口端直接取出，并對(duì)復(fù)合材料塊進(jìn)行切割和打磨，去除表層多孔泡沫金屬孔外的相變材料，得到m塊開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖4所示，開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)由開孔泡沫金屬基體與相變材料組合而成，開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)的外輪廓形狀及尺寸與開孔泡沫金屬基體相同，既具有開孔泡沫金屬基體的特征，又具有相變材料的功能(即既可以滿足一定的力學(xué)性能，如較大的抗壓強(qiáng)度、屈服應(yīng)力等，又具備一定的功能性，如熱存儲(chǔ)熱傳導(dǎo)等)，轉(zhuǎn)第十五步。

21、第十五步，結(jié)束。

22、最終，將得到的m個(gè)開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的n個(gè)分別放置在電子元器件的下表面(具體為在電子元器件pcb板下方放置一個(gè)具有儲(chǔ)熱控溫能力的結(jié)構(gòu))，即可在電子元器件工作過程中，對(duì)電子元器件進(jìn)行快速均勻的散熱，并在電子元器件受到?jīng)_擊時(shí)起到抗沖擊作用，從而保護(hù)電子元器件。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、(1)本發(fā)明的制備方法操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)批量化生產(chǎn)，且能夠保證較高的注入比α(超過90％)，適于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

25、(2)本發(fā)明提供的開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)由開孔泡沫金屬及相變材料復(fù)合而成，能夠快速進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存和釋放(即能夠快速吸收電子元器件釋放的熱量，使環(huán)境溫度降低，并通過開孔泡沫金屬基體，將熱量傳遞出去，實(shí)現(xiàn)熱量的釋放)。由于通過本發(fā)明所述的制備方式，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的相變材料填充率，開孔泡沫材料與相變材料緊密結(jié)合，使制備的開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)開孔泡沫材料儲(chǔ)熱量大，熔化時(shí)間短、儲(chǔ)熱速率高、熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)。能夠通過快速均勻的散熱，避免精密電子元器件因局部過熱而損壞。

26、(3)采用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)較高的相變材料填充率，開孔泡沫材料與相變材料緊密結(jié)合，在開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)，具有較高的屈服強(qiáng)度，吸收能量的能力強(qiáng)，具有較好的抗沖擊性能。通過良好的抗壓能力，避免電子元器件在受到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生損壞。

27、因此，采用開孔泡沫基相變?cè)鰪?qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)精密電子元器件進(jìn)行防護(hù)，能夠?qū)茈娮釉骷趶?fù)雜的工作環(huán)境下進(jìn)行保護(hù)。