研究超快激光制備復(fù)合吸液芯超薄均熱板以增強熱性能

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)生的毛細力，其促進了工質(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化，已成為實現(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)計復(fù)合吸液芯的結(jié)構(gòu)，可以顯著增強液體回流，實現(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)機電工程學(xué)院激光微納加工謝小柱團隊在超快激光制備具有復(fù)合吸液芯的超薄均熱板以增強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。通過實驗測試和理論計算，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。

在項本研究中，團隊采用超快激光結(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行了深入分析，這些測試結(jié)果將為UTVC在實際應(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)有文獻的2-3.8倍，同時保持了較低的熱組，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，從而顯著增強了整體的熱傳導(dǎo)性能。

本研究為進一步研究極限功率下的超薄均熱板提供了重要的參考價值。

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：廣工激光實驗室

通訊作者：謝小柱

第一作者：曹佐

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