一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管及其制造方法转让专利
申请号 : CN202011491242.7
文献号 : CN112611242B
文献日 : 2022-02-01
发明人 : 杨晓龙 , 唐煜 , 朱荻
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:包括上板、下板、中间层金属网和充液毛细管;
上板和下板内表面的热端均加工有微柱阵列,冷端均加工有微槽阵列;
微柱阵列和微槽阵列内均具有相应形状结构的次级沟道结构;
微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网的表面均具有微米尺度微裂纹;
上板和下板相对设置,中间层金属网被固定在上板和下板之间,微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网共同构成超薄平板热管的吸液芯结构;
充液毛细管的一端固定在上板,与平板热管的内部相通;
平板热管的制造方法包括以下步骤:步骤一、切割制作出上板和下板;
通过激光加工系统分别在上板和下板内表面的热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列及其次级沟道结构;
步骤二、切割制作出中间层金属网,且轮廓线内缩于上板和下板的轮廓线;
对中间层金属网的双面进行激光烧蚀处理;
步骤一与步骤二的顺序可互换,且在微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网的表面经激光加工过程中的烧蚀、重熔自发形成微米尺度微裂纹;
步骤三、将充液毛细管与上板焊接固定;
通过点焊工艺将中间层金属网固定至加工有微柱阵列和微槽阵列的下板表面,加工有微柱阵列和微槽阵列的上板以及沿周垫板堆叠至中间层金属网表面和侧面,并沿周进行焊接密封;
根据上板、下板及中间层金属网的材料在步骤三之前或之后加工出纳米团簇结构;
所述上板、下板和中间层金属网的材料为钛时,在步骤三之前,通过电化学氧化工艺在上板、下板和中间层金属网的表面加工出纳米团簇结构,电化学氧化溶液为0.5 wt%氢氟酸水溶液,氧化电压为20 V,氧化时间为20 min;
所述上板、下板和中间层金属网的材料为不锈钢时,在步骤三之前,通过化学刻蚀加工出纳米团簇结构;
所述上板、下板和中间层金属网的材料为紫铜时,在步骤三之后,将碱性化学氧化溶液经充液毛细管注入超薄平板热管内,并将平板热管水浴加热至50‑90 ℃,氧化20‑60 min,通过碱性化学氧化在微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面生成纳米团簇结构;
碱性化学氧化溶液为氢氧化钾和过硫酸钾的混合溶液,其中,混合溶液中氢氧化钾的浓度为1.0‑5.0 mol/L、过硫酸钾的浓度为0.01‑0.10 mol/L。
2.根据权利要求1所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:其中,所述上板和下板内表面的微柱阵列和微槽阵列及其次级沟道结构通过紫外或光纤激光加工获得,其柱体和槽体的宽度、高度/深度、间距为0.05‑0.5 mm;
所述中间层金属网的目数为30‑400,且双面均被紫外或光纤激光烧蚀处理。
3.根据权利要求2所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:其中,所述微柱阵列和微槽阵列及其次级沟道结构的激光加工扫描形式为线填充扫描,线填充间距为柱体/槽体间距的1/10‑1/2。
4.根据权利要求2所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:其中,所述上板、下板及中间层金属网的紫外或光纤激光加工功率为1‑30 W,频率小于等于100 kHz,扫描速度100‑3000 mm/s;
微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面的微米尺度微裂纹是由激光加工过程中烧蚀、重熔自发形成的。
5.根据权利要求1所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:其中,所述上板、下板和中间层金属网的材料为钛、不锈钢或紫铜。
6.根据权利要求5所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:其中,所述微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网的表面均具有纳米团簇结构。
7.根据权利要求6所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:其中,所述上板、下板和中间层金属网的材料为钛时,通过电化学氧化获得纳米团簇结构;
所述上板、下板和中间层金属网的材料为不锈钢时,通过化学刻蚀加工出纳米团簇结构;
所述上板、下板和中间层金属网的材料为紫铜时,通过碱性化学氧化在表面加工出纳米团簇结构。
8.根据权利要求1所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管,其特征在于:平板热管还包括沿周垫板,设于中间层金属网周围、上板和下板之间,厚度与中间层金属网相同;
所述上板和下板形状轮廓相同,中间层金属网的轮廓内缩于上板和下板,中间层金属网设置于上板和下板之间,四周通过沿周垫板密封焊接于上板与下板之间。
9.如权利要求1‑5或8任意一项所述的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管的制造方法,其特征在于:
包括以下步骤:
步骤一、切割制作出上板和下板;
通过激光加工系统分别在上板和下板内表面的热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列及其次级沟道结构;
步骤二、切割制作出中间层金属网,且轮廓线内缩于上板和下板的轮廓线;
对中间层金属网的双面进行激光烧蚀处理;
步骤一与步骤二的顺序可互换,且在微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网的表面经激光加工过程中的烧蚀、重熔自发形成微米尺度微裂纹;
步骤三、将充液毛细管与上板焊接固定;
通过点焊工艺将中间层金属网固定至加工有微柱阵列和微槽阵列的下板表面,加工有微柱阵列和微槽阵列的上板以及沿周垫板堆叠至中间层金属网表面和侧面,并沿周进行焊接密封。
说明书 :
一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管及其制造方法
技术领域
背景技术
散热领域具有重要应用前景。
管分为沟槽式、粉末/纤维烧结式和复合式三类。例如,国外光州科学技术院的Lim等人利用
飞秒激光在铜片表面加工出扇形沟槽阵列结构,该结构具有优越的浸润性,封装成平板热
管的导热功率达13W(Journal of Micromechanics and Microengineering,2008,18(10):
105013)。国内华南理工大学Li等人采用粉末烧结技术将铜粉烧结到外径6mm的铜管中形成
吸液芯,并利用相变压平法扁平化铜管,制成双拱形粉末烧结平板热管(Applied Thermal
Engineering,2015,86:106‑118)。广东工业大学的杨旸等人通过激光加工出沟槽阵列吸液
芯结构,激光加工沟槽之间熔渣堆积,这种多尺度结构可提高毛细扩散水平
(CN201610922373.3)。可见,研究学者已开发出多种吸液芯加工方法,但未见文献报道针对
平板热管热端和冷端的不同毛细扩散需求(平板热管热端需各向同性扩散,来提升散热均
匀性。冷端需各向异性扩散,来提升工质定向回流水平)加工的吸液芯结构。此外,利用微纳
米复合结构来强化吸液芯超浸润性和毛细力,同时增加核态沸腾位点数量,进而提高平板
热管传热水平的研究也鲜有报道。
发明内容
工有微柱阵列,冷端均加工有微槽阵列;其中,微柱阵列指由若干呈均匀阵列分布的柱体构
成的点状阵列结构,微槽阵列指由若干平行分布的沟槽构成的条状阵列结构。
构;微槽阵列内相应形状结构的次级沟道结构为均匀分布在槽体内、由若干条状凸起构成
的条状分布的沟道结构。
与平板热管的内部相通。
外或光纤激光加工获得,其柱体和槽体的宽度、高度/深度、间距为0.05‑0.5mm;所述中间层
金属网的目数为30‑400,且双面均被紫外或光纤激光烧蚀处理。
充扫描,线填充间距为柱体/槽体间距的1/10‑1/2。即由线填充扫描加工出包括一级主沟道
(微柱阵列和微槽阵列)和二级是次级沟道的仿红瓶子草绒毛多层级沟道结构。
100kHz,扫描速度为100‑3000mm/s;微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面的微米尺度微
裂纹是由激光加工过程中烧蚀、重熔自发形成的。
米团簇结构指由若干纳米尺度的管线构成的团簇结构。
团簇结构;电化学氧化溶液(即电解液)为0.5wt%氢氟酸水溶液,氧化电压为20V,氧化时间
为20min。所述上板、下板和中间层金属网的材料为不锈钢时,通过化学刻蚀加工出纳米团
簇结构。所述上板、下板和中间层金属网的材料为紫铜时,通过碱性化学氧化在表面加工出
纳米团簇结构。碱性化学氧化溶液为氢氧化钾和过硫酸钾的混合溶液,其中,混合溶液中氢
氧化钾的浓度为1.0‑5.0mol/L、过硫酸钾的浓度为0.01‑0.10mol/L,处理温度为50‑90℃,
氧化时间为20‑60min。
间层金属网相同;所述上板和下板形状轮廓相同,中间层金属网的轮廓内缩于上板和下板,
中间层金属网设置于上板和下板之间,四周通过沿周垫板密封焊接于上板与下板之间。
下板内表面的热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列及其次级沟道结构;步骤二、切割制
作出中间层金属网,且轮廓线内缩于上板和下板的轮廓线;对中间层金属网的双面进行激
光烧蚀处理;步骤一与步骤二的顺序可互换,且在微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网的表
面经激光加工过程中的烧蚀、重熔自发形成微米尺度微裂纹;步骤三、将充液毛细管与上板
焊接固定;通过点焊工艺将中间层金属网固定至加工有微柱阵列和微槽阵列的下板表面,
加工有微柱阵列和微槽阵列的上板以及沿周垫板堆叠至中间层金属网表面和侧面,形成
“三明治”结构,并沿周进行焊接密封。
下板内表面的热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列及其次级沟道结构;步骤二、切割制
作出中间层金属网,且轮廓线内缩于上板和下板的轮廓线;对中间层金属网的双面进行激
光烧蚀处理;步骤一与步骤二的顺序可互换,且在微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网的表
面经激光加工过程中的烧蚀、重熔自发形成微米尺度微裂纹;步骤三、将充液毛细管与上板
焊接固定;通过点焊工艺将中间层金属网固定至加工有微柱阵列和微槽阵列的下板表面,
加工有微柱阵列和微槽阵列的上板以及沿周垫板堆叠至中间层金属网表面和侧面,形成
“三明治”结构,并沿周进行焊接密封;根据上板、下板及中间层金属网的材料在步骤三之前
或之后加工出纳米团簇结构;
为0.5wt%氢氟酸水溶液,氧化电压为20V,氧化时间为20min;所述上板、下板和中间层金属
网的材料为不锈钢时,在步骤三之前,通过化学刻蚀加工出纳米团簇结构;所述上板、下板
和中间层金属网的材料为紫铜时,在步骤三之后,将碱性化学氧化溶液经充液毛细管注入
超薄平板热管内,并将平板热管水浴加热至50‑90℃,氧化20‑60min,通过碱性化学氧化在
微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面生成纳米团簇结构;碱性化学氧化溶液为氢氧化
钾和过硫酸钾的混合溶液,其中,混合溶液中氢氧化钾的浓度为1.0‑5.0mol/L、过硫酸钾的
浓度为0.01‑0.10mol/L。
各向同性毛细扩散,提升吸热的均匀性;冷端微槽阵列可实现单向毛细扩散,提升工质定向
回流水平;
质的毛细输运;
态沸腾位点数量,提高表面传热能力;
附图说明
具体实施方式
分布的沟槽构成的条状阵列结构。
沟道结构。微槽阵列6内相应形状结构的次级沟道结构7为均匀分布在槽体内、由若干条状
凸起构成的条状分布的沟道结构。
网3的目数为30‑400,且双面均被紫外或光纤激光烧蚀处理。上板、下板及中间层金属网的
激光加工功率为1‑30W,脉宽小于100ns,频率小于100kHz,光斑直径小于10μm。
(微柱阵列5和微槽阵列6)和二级次级沟道的仿红瓶子草绒毛多层级沟道结构。
20min。上板1、下板2和中间层金属网3的材料为不锈钢时,通过化学刻蚀加工出纳米团簇结
构9。上板1、下板2和中间层金属网3的材料为紫铜时,通过碱性化学氧化在表面加工出纳米
团簇结构9。碱性化学氧化溶液为氢氧化钾和过硫酸钾的混合溶液,其中,混合溶液中氢氧
化钾的浓度为1.0‑5.0mol/L、过硫酸钾的浓度为0.01‑0.10mol/L,处理温度为50‑90℃,氧
化时间为20‑60min。
1的贯穿孔对其后,采用焊接设备沿充液毛细管4的盘状底座周向焊接密封。
下板2,中间层金属网3设置于上板1和下板2之间,四周通过沿周垫板10密封焊接于上板1与
下板2之间。
叠至中间层金属网表面和侧面,形成“三明治”结构,并沿周进行焊接密封。
0.5wt%氢氟酸水溶液,氧化电压为20V,氧化时间为20min。上板、下板和中间层金属网的材
料为不锈钢时,在步骤三之前,通过化学刻蚀加工出纳米团簇结构。
过碱性化学氧化在微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面生成纳米团簇结构。
阵列结构及其次级沟道结构。其中,紫外激光加工参数为:功率3W、扫描速度500mm/s、频率
100KHz;所加工的微柱阵列的宽度、高度和间距均为0.2mm,微槽阵列的宽度、深度、间距均
为0.2mm。激光加工扫描形式为线填充扫描(图2),线填充间距为0.04mm。线填充扫描加工出
包括一级主沟道(微柱阵列和微槽阵列)和二级次级沟道的仿红瓶子草绒毛多层级沟道结
构(图3)。
米尺度微凸起和微裂纹。其中,紫外激光加工参数为:功率3W、扫描速度500mm/s、频率
100KHz。
并将充液毛细管内孔和上板的贯穿孔对齐后,采用YAG激光焊接设备沿充液毛细管的盘状
底座周向焊接密封。将沿周垫板堆叠至中间层金属网的沿边,并使沿周垫板上表面与中间
层金属网上表面平齐;将焊接有充液毛细管的上板堆叠至沿周垫板上,形成“三明治”结构,
并利用YAG激光焊接设备沿周向焊接密封。
位点数量。此外,通过激光线填充扫描,可加工出仿红瓶子草绒毛结构的包含次级沟道结构
的多层级沟道结构,实现液膜预润湿状态下的快速液体传输,大幅强化毛细扩散(图3)。如
图4所示,当固体表面气泡接触角θ一定时,楔形微裂纹上形成的气泡核曲率显著小于光滑
表面,故楔形裂纹上的气泡核拉普拉斯压力较小,气泡核更容易长大、脱离,形成核态沸腾。
阵列结构。其中,紫外激光加工参数为:功率3W、扫描速度500mm/s、频率100KHz;所加工的微
柱阵列的宽度、高度和间距均为0.1mm,微槽阵列的宽度、深度、间距均为0.1mm。
1/2
s ,比已有文献报道(Nano Energy,2018,51:373‑382;J.Microelectromech.S.,2010,19:
878‑884;Energy.Convers.Manage.,2013,66:66‑76;Exp.Therm.Fluid.Sci.,2013,250:1‑
9)的结果提高了25%。
米尺度微凸起和微裂纹。其中,紫外激光加工参数为:功率3W、扫描速度500mm/s、频率
100KHz。
并将充液毛细管内孔和上板的贯穿孔对齐后,采用YAG激光焊接设备沿充液毛细管的盘状
底座周向焊接密封。将沿周垫板堆叠至中间层金属网的沿边,并使沿周垫板上表面与中间
层金属网上表面平齐。将焊接有充液毛细管的上板堆叠至沿周垫板上,形成“三明治”结构,
并利用YAG激光焊接设备沿周向焊接密封。
列结构。其中,光纤激光加工参数为:功率30W、扫描速度1000mm/s、频率40KHz。所加工的微
柱阵列的宽度和间距为0.2mm、高度为0.4mm;微槽阵列的宽度和间距为0.2mm、深度为
0.4mm。激光加工扫描形式为线填充扫描(图2),线填充间距为0.02mm。线填充扫描加工出包
括一级主沟道(微柱阵列和微槽阵列)和二级次级沟道的仿红瓶子草绒毛多层级沟道结构
(图3)。
尺度微裂纹。其中,光纤激光加工参数为:功率10W、扫描速度1000mm/s、频率40KHz。
上板的外表面贴合,并将充液毛细管内孔和上板的贯穿孔对齐后,采用YAG激光焊接设备沿
充液毛细管的盘状底座周向焊接密封。将沿周垫板堆叠至中间层金属网的沿边,并使沿周
垫板上表面与中间层金属网上表面平齐。将焊接有充液毛细管的上板堆叠至沿周垫板上,
形成“三明治”结构,并利用YAG激光焊接设备沿周向焊接密封。
列结构。其中,紫外激光加工参数为:功率3W、扫描速度1000mm/s、频率40KHz。所加工的微柱
阵列的宽度和间距为0.2mm、高度为0.4mm;微槽阵列的宽度和间距为0.2mm、深度为0.4mm。
激光加工扫描形式为线填充扫描(图2),线填充间距为0.05mm。线填充扫描加工出包括一级
主沟道(微柱阵列和微槽阵列)和二级次级沟道的仿红瓶子草绒毛多层级沟道结构(图3)。
中,紫外激光加工参数为:功率3W、扫描速度1000mm/s、频率40KHz。
的外表面贴合,并将充液毛细管内孔和上板的贯穿孔对齐后,采用氩弧焊沿充液毛细管的
盘状底座周向焊接密封。将沿周垫板堆叠至中间层金属网的沿边,并使沿周垫板上表面与
中间层金属网上表面平齐;将焊接有充液毛细管的上板堆叠至沿周垫板上,形成“三明治”
结构,并利用YAG激光焊接设备沿周向焊接密封;
属网表面生成纳米团簇结构。
量。如图5所示,当固体表面气泡接触角θ一定时,纳米楔形分支上形成的气泡核曲率显著小
于光滑表面,故纳米楔形分支上的气泡核拉普拉斯压力较小,气泡核更容易长大、脱离,形
成核态沸腾。
金属网来进一步强化毛细扩散水平。借助激光加工重熔作用在微柱阵列、微槽阵列以及中
间层金属网表面形成微米尺度微裂纹,同时结合碱性化学氧化或电化学氧化等工艺生成纳
米线/纳米管团簇结构,最终获得亚毫米‑微米‑纳米复合结构,从而提高表面超浸润性,强
化毛细扩散和沸腾传热水平,增加核态沸腾位点数量、提升热管传热性能。此外,通过激光
线填充扫描,可加工出仿红瓶子草绒毛结构的包含次级沟道结构的多层级沟道结构,实现
液膜预润湿状态下的快速液体传输,大幅强化毛细扩散。本发明提供的一种具有跨尺度超
浸润吸液芯的超薄平板热管制造方法在微电子和新能源装备散热领域具有重要应用价值。
普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护
范围。