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光电领域的高集成度、高功率和高性能发展趋势导致了致命的高热流密度问题,基于相变传热原理的均热板以其高效传热性能而成为解决该问题的重要选择。毛细吸液芯(简称吸液芯)是均热板的核心部件。研究表明,壁面具有多孔结构的沟槽型吸液芯具有优异的性能,而制造是制约其应用的难题。因此,本文利用犁切-氢处理制造技术,成功的在管式均热板内加工出多孔壁面沟槽复合吸液芯。主要研究内容如下:
(1)均热板及吸液芯结构设计及优化
提出了均热板种类的不同划分归类方法;结合各种结构的特点,设计了面向光电领域的管式均热板结构;采用对比研究方法,分别建立和比较了实心铜板、空心铜板、均热板热阻模型,结果发现吸液芯占总热阻的主导地位;以热阻最优为目标函数,采用分区设计方法,分别在冷凝面和蒸发面设计出径向犁切和交错犁切沟槽吸液芯。
(2)吸液芯犁切加工参数优化设计
设计了管内沟槽犁切成形加工装置;建立了犁切加工和刀具几何模型、刀具数学模型:分析了犁切沟槽的形貌特征;利用深宽比、毛细吸力为目标函数,依靠正交实验方法,优化了犁切刀具参数和加工参数;采用交错犁切技术,制造了三维强化沸腾结构,分析了加工参数对三维沟槽形貌的影响。结果表明,As(刃倾角)=40°、γe(犁切角)=70°、β(成形角)=25°、αp(犁切深度)=0.7mm、f径向进给量)=0.69mm. fθ(周向进给量)=2.5°是最优的吸液芯犁切加工参数。
(3)圆管内壁沟槽犁切成形数值模拟
采用有限元模拟软件DEFORM V5.03,建立了管内壁面犁切成形的有限元分析刚-塑性模型;分别对管内单次径向犁切、单次轴向犁切、交错犁切成形沟槽形貌特征、应力分布和切削力变化情况进行了探讨,以此来研究管内表面犁切的成形机理。研究发现,工件曲率、犁切深度、进给量等对犁切沟槽形貌影响显著。
(4)多孔壁面沟槽复合吸液芯制造
采用犁切-氢处理制造技术,加工出多孔壁面沟槽复合吸液芯;对该制造技术的具体加工工艺、成形机理展开讨论;利用扫描电子显微镜、金相和酸液腐蚀等形貌分析手段和方法,通过对比研究加工参数对沟槽形貌的影响,来寻求最佳的制造参数。结果表明,沟槽壁面表层犁切时产生的点、线、面品格缺陷和氢处理时的温度、氢病等是多孔壁面沟槽复合吸液芯成形的主要原因。
(5)复合吸液芯性能测试
对比研究复合吸液芯对圆管压扁性能的影响,包括压扁过程中形貌和力学性能的变化;利用红外成像技术,对吸液芯的毛细性能进行测试,结果表明,600℃氢处理径向沟槽毛细吸力相比光板提高了375%;采用可视化技术,对交错犁切产生的三维柱状结构的强化沸腾性能进行了检测。结果发现,交错犁切-600℃氢处理制造的三维多孔壁面沟槽复合吸液芯,强化沸腾性能相比光板提高了51.4%。