研究超快激光制備復(fù)合吸液芯超薄均熱板以增強(qiáng)熱性能

PART.01

成果介紹

隨著輕薄型高性能電子設(shè)備的熱流密度不斷攀升，產(chǎn)熱與散熱之間的較量愈發(fā)激烈。當(dāng)前，迫切需要采用低熱阻的導(dǎo)熱元件和材料來有效應(yīng)對散熱難題。超薄均熱板（UTVC）作為一種被動式兩相熱傳遞裝置，在散熱技術(shù)領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。UTVC主要由蒸汽腔、吸液芯和工質(zhì)構(gòu)成，熱工性能主要依賴于吸液芯產(chǎn)生的毛細(xì)力，其促進(jìn)了工質(zhì)的有效循環(huán)。面對便攜式電子設(shè)備對熱流通量需求的持續(xù)增長，吸液芯的微型化以及蒸汽通道尺寸的精細(xì)化，已成為實(shí)現(xiàn)高性能超薄均熱板（UTVC）的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

研究表明，通過設(shè)計(jì)復(fù)合吸液芯的結(jié)構(gòu)，可以顯著增強(qiáng)液體回流，實(shí)現(xiàn)汽液通道的有效分離，從而提升超薄均熱板（UTVC）的傳熱效率和臨界熱流密度。因此，復(fù)合吸液芯被視為提升UTVC熱性能的一個(gè)極具潛力的方案。然而，在厚度僅為1毫米或更薄的UTVC中，蒸汽空間的減小為復(fù)合吸液芯的應(yīng)用帶來了新的挑戰(zhàn)。

廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院激光微納加工謝小柱團(tuán)隊(duì)在超快激光制備具有復(fù)合吸液芯的超薄均熱板以增強(qiáng)熱性能方面取得重要研究成果。本研究采用超快激光結(jié)合化學(xué)刻蝕法制備了1 mm厚的由銅網(wǎng)和微凹槽組成的復(fù)合吸液芯UTVC。通過實(shí)驗(yàn)測試和理論計(jì)算，研究了微槽深寬比、銅網(wǎng)尺寸、充液比和傾角等不同條件下UTVC的傳熱性能，提出了雙層液體循環(huán)和液體流動競爭的假設(shè)。相關(guān)工作以題為 “Ultra-thin vapor chambers with composite wick fabricated by ultrafast laser for enhancing thermal performance”發(fā)表在英文期刊International Journal of Heat and Mass Transfer 2024年第233期。

在項(xiàng)本研究中，團(tuán)隊(duì)采用超快激光結(jié)合化學(xué)刻蝕法成功制備了一種厚度僅為1 mm的層疊吸液芯超薄均熱板（UTVC），通過精密工藝實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)上的超薄化與高效熱傳導(dǎo)性能的結(jié)合。我們制備了多種具有不同微溝槽和銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的UTVC，并對其熱性能進(jìn)行了一系列熱性能測試。為了全面評估傾斜角度對UTVC熱性能的影響，我們在四種不同的測試狀態(tài)下對其最佳填充比進(jìn)行了深入分析，這些測試結(jié)果將為UTVC在實(shí)際應(yīng)用中的性能優(yōu)化提供重要依據(jù)。主要結(jié)論如下:

（1）UTVC的最佳充液率為100%，水平狀態(tài)下的最大換熱功率為90 W，熱阻為0.175℃/W;

（2）與銅板相比，UTVC可有效承受170 W的熱負(fù)荷，熱阻降低了53.8%。

（3）用200#的銅網(wǎng)與寬50μm深150μm的微溝槽（M200GW50D150）組成的復(fù)合吸液芯所制備的UTVC的傳熱性能是現(xiàn)有文獻(xiàn)的2-3.8倍，同時(shí)保持了較低的熱組，傾斜狀態(tài)對傳熱性能影響不顯著。

（4）設(shè)計(jì)了一種具有雙層液體循環(huán)結(jié)構(gòu)的分層吸液芯，通過將主要的液體布局調(diào)控至銅網(wǎng)下方，使得回流工作流體與蒸汽通道保持一定距離，從而顯著增強(qiáng)了整體的熱傳導(dǎo)性能。

本研究為進(jìn)一步研究極限功率下的超薄均熱板提供了重要的參考價(jià)值。

PART.02

圖片解讀

圖1. 本文所提出的復(fù)合吸液芯的示意圖。(a)超快激光加工系統(tǒng)的示意圖;(b)按照指定掃描路徑去除藍(lán)色薄膜;(c)通過化學(xué)蝕刻制備微柱;(d)在微柱之間利用超快激光制備平行的微溝槽結(jié)構(gòu);(e)激光切割加工銅網(wǎng)吸液芯

圖2. 微溝槽的顯微結(jié)構(gòu)圖像。(a1-c1)寬度為100µm、深度分別為50µm、100µm和150µm的微溝槽的SEM橫截面圖;(a2-c2)對應(yīng)的SEM圖像;(a3-c3)對應(yīng)面的三維高度圖;(a4-c4)對應(yīng)的表面輪廓圖

圖3.銅網(wǎng)吸液芯的微觀結(jié)構(gòu):(a)200 #銅網(wǎng);(b) 300 #銅網(wǎng)

圖4. (a)200#銅網(wǎng)與寬100μm深100μm的微溝槽組成的復(fù)合吸液芯的浸潤性；(b)300#銅網(wǎng)與寬100μm深100μm的微溝槽組成的復(fù)合吸液芯的潤濕性

圖5.(a)不同吸液芯結(jié)構(gòu)的UTVC熱阻曲線;(b) M200GW50D150的UTVC溫度分布曲線;(c)垂直導(dǎo)熱系數(shù)曲線和水平導(dǎo)熱系數(shù)曲線;(d) M200GW50D150的UTVC瞬態(tài)溫度曲線

圖6. 不同深寬比微溝槽的UTVC熱阻曲線

圖7. M200GW50D150和M300GW50D150的UTVC的熱阻曲線

圖8. 不同充液率的UTVC的熱阻曲線

圖9.(a)M200GW50D150的UTVC在不同傾斜角度下的熱阻曲線；(b) M300GW50D150的UTVC在不同傾斜角度下的熱阻曲線

圖10. 雙層液體循環(huán)示意圖:(a)水平狀態(tài);(b)傾斜狀態(tài)

圖11. 與已發(fā)表文獻(xiàn)的UTVC的熱阻比較

論文原文：Cao Z, Xie X, Huang J, et al. Ultra-thin vapor chambers with composite wick fabricated by ultrafast laser for enhancing thermal performance[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2024, 233: 126035.

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126035

來源：廣工激光實(shí)驗(yàn)室

通訊作者：謝小柱

第一作者：曹佐

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