研究超快激光制备复合吸液芯超薄均热板以增强热性能

PART.01

成果介绍

随着轻薄型高性能电子设备的热流密度不断攀升，产热与散热之间的较量愈发激烈。当前，迫切需要采用低热阻的导热元件和材料来有效应对散热难题。超薄均热板（UTVC）作为一种被动式两相热传递装置，在散热技术领域已获得广泛应用。UTVC主要由蒸汽腔、吸液芯和工质构成，热工性能主要依赖于吸液芯产生的毛细力，其促进了工质的有效循环。面对便携式电子设备对热流通量需求的持续增长，吸液芯的微型化以及蒸汽通道尺寸的精细化，已成为实现高性能超薄均热板（UTVC）的关键技术挑战。

研究表明，通过设计复合吸液芯的结构，可以显著增强液体回流，实现汽液通道的有效分离，从而提升超薄均热板（UTVC）的传热效率和临界热流密度。因此，复合吸液芯被视为提升UTVC热性能的一个极具潜力的方案。然而，在厚度仅为1毫米或更薄的UTVC中，蒸汽空间的减小为复合吸液芯的应用带来了新的挑战。

广东工业大学机电工程学院激光微纳加工谢小柱团队在超快激光制备具有复合吸液芯的超薄均热板以增强热性能方面取得重要研究成果。本研究采用超快激光结合化学刻蚀法制备了1 mm厚的由铜网和微凹槽组成的复合吸液芯UTVC。通过实验测试和理论计算，研究了微槽深宽比、铜网尺寸、充液比和倾角等不同条件下UTVC的传热性能，提出了双层液体循环和液体流动竞争的假设。相关工作以题为 “Ultra-thin vapor chambers with composite wick fabricated by ultrafast laser for enhancing thermal performance”发表在英文期刊International Journal of Heat and Mass Transfer 2024年第233期。

在项本研究中，团队采用超快激光结合化学刻蚀法成功制备了一种厚度仅为1 mm的层叠吸液芯超薄均热板（UTVC），通过精密工艺实现了结构上的超薄化与高效热传导性能的结合。我们制备了多种具有不同微沟槽和铜网结构的UTVC，并对其热性能进行了一系列热性能测试。为了全面评估倾斜角度对UTVC热性能的影响，我们在四种不同的测试状态下对其最佳填充比进行了深入分析，这些测试结果将为UTVC在实际应用中的性能优化提供重要依据。主要结论如下:

（1）UTVC的最佳充液率为100%，水平状态下的最大换热功率为90 W，热阻为0.175℃/W;

（2）与铜板相比，UTVC可有效承受170 W的热负荷，热阻降低了53.8%。

（3）用200#的铜网与宽50μm深150μm的微沟槽（M200GW50D150）组成的复合吸液芯所制备的UTVC的传热性能是现有文献的2-3.8倍，同时保持了较低的热组，倾斜状态对传热性能影响不显著。

（4）设计了一种具有双层液体循环结构的分层吸液芯，通过将主要的液体布局调控至铜网下方，使得回流工作流体与蒸汽通道保持一定距离，从而显著增强了整体的热传导性能。

本研究为进一步研究极限功率下的超薄均热板提供了重要的参考价值。

PART.02

图片解读

图1. 本文所提出的复合吸液芯的示意图。(a)超快激光加工系统的示意图;(b)按照指定扫描路径去除蓝色薄膜;(c)通过化学蚀刻制备微柱;(d)在微柱之间利用超快激光制备平行的微沟槽结构;(e)激光切割加工铜网吸液芯

图2. 微沟槽的显微结构图像。(a1-c1)宽度为100µm、深度分别为50µm、100µm和150µm的微沟槽的SEM横截面图;(a2-c2)对应的SEM图像;(a3-c3)对应面的三维高度图;(a4-c4)对应的表面轮廓图

图3.铜网吸液芯的微观结构:(a)200 #铜网;(b) 300 #铜网

图4. (a)200#铜网与宽100μm深100μm的微沟槽组成的复合吸液芯的浸润性；(b)300#铜网与宽100μm深100μm的微沟槽组成的复合吸液芯的润湿性

图5.(a)不同吸液芯结构的UTVC热阻曲线;(b) M200GW50D150的UTVC温度分布曲线;(c)垂直导热系数曲线和水平导热系数曲线;(d) M200GW50D150的UTVC瞬态温度曲线

图6. 不同深宽比微沟槽的UTVC热阻曲线

图7. M200GW50D150和M300GW50D150的UTVC的热阻曲线

图8. 不同充液率的UTVC的热阻曲线

图9.(a)M200GW50D150的UTVC在不同倾斜角度下的热阻曲线；(b) M300GW50D150的UTVC在不同倾斜角度下的热阻曲线

图10. 双层液体循环示意图:(a)水平状态;(b)倾斜状态

图11. 与已发表文献的UTVC的热阻比较

论文原文：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.

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126035

来源：广工激光实验室

通讯作者：谢小柱

第一作者：曹佐

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