[发明专利]一种仿生分级多孔吸液芯材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生分级多孔吸液芯材料及其制备方法，该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，制备步骤包括：制备植物根茎样品，获取根茎多孔结构信息，仿生多孔结构三维建模，仿生多孔结构3D打印，清理打印样品内部粉末。本发明基于植物根茎结构仿生设计与3D打印技术相结合得到具有植物根茎仿生结构的分级多孔吸液芯材料，能够调控孔径大小和孔隙分布，有利于多孔吸液芯材料结构设计和性能优化，克服传统吸液芯材料孔结构不可控、毛细性能不高和材料研发效率低的问题。

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/cm³的第一层烧结结构，然后利用特制的模具在外层制造出密度为0.91-0.94g/cm³的第二层镍粉。尽管有关多孔吸液芯的研究已有大量实验报道，但当前工艺方法制备的吸液芯孔结构多为随机分布，孔径尺寸和孔隙率不可控，且材料内部会出现部分闭孔结构，吸液芯毛细性能仍有待进一步提高。

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：