交错互通微通道多孔网格板制造及其强化传热研究

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随着微电子器件逐渐向大功率、微型化、高集成度方向发展,热流密度过高而散热空间狭小的矛盾日益突出,这迫使微电子器件对强化传热技术提出了更高的要求。为了即寻求高传热性能和小流体压降的强化传热结构,并实现制造工艺尽可能的简单、高效且低廉,本文利用传统铣削工艺制备出兼有微通道与规则孔隙结构的新型强化传热结构——交错互通微通道多孔网格板。并对其进行以下研究:(1)交错互通微通道多孔网格板铣削成形采用逆铣方式铣削微通道,并分析微通道铣削成形机理,还通过试验研究了微通道深度Hc、宽度Wc、间距Ws等参数,最后对交错互通微通道多孔网格板的拉伸、压缩、弯曲等机械性能进行研究,并建立相应的理论模型。结果表明,该加工工艺可以成功在基板两面加工出垂直正交且交错互通的微通道,得到交错互通微通道多孔网格板。(2)铣削交错互通微通道多孔网格板时毛刺生成及其控制研究铣削交错互通微通道多孔网格板时的毛刺生成机理,而后通过实验分析径向切削深度ae、切削速度v、进给速度vf和网孔大小对生成毛刺的影响,进而控制并尽量减小其长度。结果表明,当刀齿切出时,被切除金属与母体断裂分离,少量金属将残留在微通道顶端两侧成为撕裂毛刺。当径向切削深度ae等于或略大于Ha/2时,网孔处形成片状毛刺。当ae远大于Ha/2时,网孔内形成卷曲毛刺,并且可通过增大切削速度v与进给速度vf或者减小网孔尺寸来减小卷曲毛刺长度。(3)铣削微通道切削力模型建立已成形微通道深度t与切削厚度ac固定不变时的切削力模型。在此基础上,引入铣削时已成形微通道深度t与切削厚度ac的变化规律,得出铣削时单个刀齿在水平和竖直方向所受的力。最后,根据参与切削的刀齿分布情况求解出铣削微通道时的切削力模型。模型表明,刀齿所受切削力由三部分组成:主切削刃与副切削刃参与切削以及切屑横向变形受限制。铣削微通道时切削力由参与切削的刀齿所受的力共同组合而成,并在某一固定值上下做周期性波动。(4)铣削微通道有限元模拟分析利用商业有限元软件DEFORM-3D对切削微通道与铣削微通道进行模拟,并分析应力分布、塑性变形、金属流动速度和方向、切削力等,还分别与相同切削用量的切削凸台和铣削凸台进行对比。结果表明,切削力随已成形微通道深度t、切削深度ac和切削宽度aw而增大,随前角γ0的增加而减小,而受切削速度v的影响较小。铣削微通道时的切削力随着ae的增加而增大。由于切屑横向变形受到微通道两侧壁面的限制,所以微通道的两侧壁面上也存在较大的应力。(5)交错互通微通道多孔网格板强化传热性能研究通过理论计算得出交错互通微通道多孔网格板的孔隙率、比表面积等多孔特性,并研究孔隙率与比表面积随微通道间距Ws、微通道深度Hc以及微通道宽度Wc的变化规律。而后利用自行设计的压降测试系统和传热性能测试系统分别对网格板的压降、传热性能进行测试。最后分析体积流量、孔隙率、比表面积等参数对其压降、传热性能的影响,并以此为依据选出综合性能最好的网格板。结果表明,比空流道相比,装入网格板后压降ΔP与单位体积与单位面积传热系数传热性能KV、KA均有增大。高孔隙率的网格板压降较大,大体积比表面积和高孔隙率的网格板强化传热效果较好。
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