一种仿生分级多孔吸液芯材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热管吸液芯材料领域，尤其涉及一种仿生分级多孔吸液芯材料及其制备方法。

背景技术

热管由于具有优异的导热性能，在航空、航天、能源、电子等领域有着重要应用前景。吸液芯是热管的核心部件，其孔结构直接影响热管传热性能。吸液芯孔径越小，毛细力越大，渗透率越低，毛细力和渗透率呈反比关系。因此，如何通过孔径结构设计，实现渗透率和毛细力的同步提升，是吸液芯研究面临的主要难题。

当前，针对热管吸液芯结构设计和制备已开展大量研究工作。例如，Hui Li等(HuiLi,etal.,Applied Thermal Engineering,143(2018)621-629)通过烧结、合金化和脱合金处理的方法制备出分级多孔铜吸液芯材料，多孔基底和孔结构对材料性能的影响结果表明，铜粉的形貌、尺寸和粉末类型都会影响多孔铜的毛细性能。Munonyedi Egbo等(Munonyedi Egbo,etal.,J.Am.Chem.Soc.125(2003)7772–7773)通过颗粒烧结的方法制备出多孔吸液芯材料，由于烧结大颗粒带来的渗透性增加，以及烧结小颗粒导致的有效毛细管弯月面半径减小，使得单层的双粒径吸液芯比单一粒径吸液芯的毛细性能分别提高了27％和35％。Wu S C等(Wu S C,et al.,International Journal of Heat and MassTransfer,2013,56(s1-2):709-714)制备具有双层结构的吸液芯，两层结构分别具有不同的密度和粉末直径，加工时首先将2.2-2.8微米镍粉混合聚乙烯粉末制造出密度为0.5-0.65g/cm

自然界中植物的根茎经过上亿年的演变，已经形成了非常精细的分级多孔结构，这种结构能够高效地为植物输送水分和营养物质，从而保证植物生命的延续。通过植物根茎结构仿生的方法能够为吸液芯孔结构设计提供新的思路，但当前却面临仿生结构制备的难题。3D打印是一种新兴的材料制备工艺，具有制造过程全数字化，以及材料和结构可设计性强等技术优势，基于植物根茎结构仿生设计与3D打印技术相结合的方法，有望实现植物根茎仿生精细分级多孔结构的可控制备，从而克服传统吸液芯材料制备方法带来的孔结构不可控、毛细性能不高以及材料研发效率较低的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种仿生分级多孔吸液芯材料，具有植物根茎仿生结构。

本发明的另一目的在于提供上述具有植物根茎仿生结构的分级多孔吸液芯材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种仿生分级多孔吸液芯材料，具有由不同尺寸的全连通开孔结构组成的植物根茎仿生孔结构，孔结构呈三维网格状分布，孔截面形状为方形、六边形或圆形中的一种，大孔尺寸在100-400微米之间，小孔尺寸在10-50微米之间，吸液芯材料选自镍基合金、铜、不锈钢、铝合金或钛合金中的一种。

本发明还提供上述仿生分级多孔吸液芯材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取植物根茎进行切片、固定和脱水处理，制成电子显微镜样品，用于后续显微结构观察；

步骤2：将制备好的植物根茎样品放入扫描电子显微镜内进行观察，拍摄植物根茎多孔显微结构照片；

步骤3：提取植物根茎多孔结构特征信息，并利用三维制图软件建立三维多孔结构数字模型；

步骤4：将模型文件导入激光3D打印软件，并设置激光3D打印工艺参数；

步骤5：运行激光打印程序，开始打印多孔样品；

步骤6：样品打印结束后，将样品从金属基板上切割并取出；

步骤7：清除多孔结构内部残余粉末，得到仿生分级多孔吸液芯材料。

进一步，步骤1中，所述植物根茎选自胡杨、沙冬青或红柳树的根茎中的一种。

进一步，步骤1中，固定试剂为2.5％戊二醛，脱水试剂为乙醇，干燥设备为CO

进一步，步骤2中，扫描电子显微镜的工作电压为5-10KV。

进一步，步骤3中，三维制图软件为Solidworks或AutoCAD。

进一步，步骤4中，所述激光3D打印工艺为选区激光熔化，激光功率为20-60W，激光束斑尺寸为10-50微米。

进一步，步骤5中，粉末原料粒径小于20微米，粉末形貌为球形。

进一步，步骤7中，残余粉末利用超声波清洗机清除，超声波功率为1000-3000W，超声时间2-10小时。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明受大自然中植物根茎多孔结构输送水分现象的启发，提出新的分级多孔吸液芯材料及其制备方法，主要创新点如下：

1)植物根茎具有最优的多孔结构参数，采用植物根茎结构仿生的思路能够避免传统试错法带来的研发效率低下等问题。

2)利用分级结构中大孔和小孔的协同作用，能够克服传统单一孔径吸液芯毛细力和渗透率相互制约的瓶颈难题，极大提升热管传热性能。

3)通过数字化建模和3D打印的方法可以制备出任意分级多孔结构，具有材料和结构可设计性强以及产品生产效率高等优点。

附图说明

图1是实施例中仿生分级多孔吸液芯材料的制备方法的流程示意图。

图2是实施例中获得的分级多孔吸液芯结构模型的示意图。

图3是实施例中获得的分级多孔吸液芯结构模型的示意图。

图4是实施例中获得的分级多孔吸液芯结构模型的示意图。

图5是实施例中获得的3D打印分级多孔吸液芯材料的照片。

具体实施方式

本发明提供一种具有植物根茎仿生结构的分级多孔吸液芯材料及其制备方法，基于植物根茎结构仿生设计与3D打印技术相结合，克服传统吸液芯材料制备方法带来的孔结构不可控，毛细性能不高以及材料研发效率较低的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例通过以下步骤制备具有植物根茎仿生结构的分级多孔吸液芯材料，主要步骤流程如图1所示：

步骤1：切取合适大小的植物根茎组织，利用2.5％戊二醛固定8小时，随后利用乙醇进行脱水，最后用CO

步骤2：将制备好的植物根茎样品放入扫描电子显微镜内进行观察，拍摄不同倍数的植物根茎多孔显微结构照片，扫描电镜加速电压为8KV。

步骤3：利用图像处理软件对拍摄的扫描电镜照片进行处理，获取孔径尺寸和孔隙率等植物根茎多孔结构信息，在此基础上利用Solidworks软件建立三维多孔结构数字模型。

步骤4：将多孔结构模型stl文件导入激光3D打印软件，设置激光打印功率为40W，激光束斑尺寸为20微米。

步骤5：运行激光打印程序，开始打印多孔样品。

步骤6：样品打印结束后，利用线切割将多孔样品从金属基板上切割并取出。

步骤7：先通过手动和高压气枪初步清除样品中粉末，然后利用超声波清洗机进一步清除多孔结构内部残余粉末，超声波功率为1500W，超声时间为6小时，最后即可得到所需的分级多孔吸液芯材料。

利用Solidworks制图软件获取的分级多孔吸液芯结构模型如图2-4所示，可以看出得到的吸液芯包含大孔和小孔，且孔结构呈三维全连通网格状分布，具有高渗透率和高毛细力，能显著提升热管的传热效率。

通过激光3D打印制备的分级多孔吸液芯材料如图5所示，可以明显看出材料表面呈周期性排列的多孔结构，表明激光3D打印方法制备分级多孔吸液芯材料的有效性。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。