CN112611242B - 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 - Google Patents
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 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，具有这样的特征：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和纳米团簇结构；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。本发明具有强化超浸润性和毛细扩散、增加核态沸腾位点数量、提升热管传热性能等优点。
Description
技术领域
本发明属于工程热物理领域，涉及一种平板热管，尤其涉及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。
背景技术
相比传统的风冷和液冷，平板热管作为一种相变散热器件，具有体积小、传热系数高、散热均匀性好等优点，因此，近年在航空航天高热流密度微电子器件、新能源装置系统散热领域具有重要应用前景。
平板热管内腔表面加工有亚毫米/微米级结构(吸液芯)，其作用为：产生毛细力吸附液态工质，并使冷端冷凝为液态的工质回流至热端。根据内腔表面结构形式可将平板热管分为沟槽式、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 ThermalEngineering,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
本发明提供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，以克服现有技术的缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，具有这样的特征：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；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。
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；微柱阵列内相应形状结构的次级沟道结构为均匀分布在柱体之间、由若干点状凸起构成的点状分布的沟道结构；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。
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。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：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0.05-0.5mm；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。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：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。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。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：其中，所述上板、下板及中间层金属网的激光加工功率为1-30W，频率小于等于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。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：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。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：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。纳米团簇结构指由若干纳米尺度的管线构成的团簇结构。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：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；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。
进一步，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，还可以具有这样的特征：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。
本发明还提供上述具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管的制造方法，具有这样的特征：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，形成“三明治”结构，并沿周进行焊接密封。
本发明还提供上述具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管的制造方法，具有这样的特征：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，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；
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(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，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。
本发明的有益效果在于：
一、本发明提出采用紫外或光纤激光加工系统在热端和冷端分别加工微柱阵列和微槽阵列，该分段式结构可满足热端和冷端不同的毛细扩散需求：热端的微柱阵列可实现各向同性毛细扩散，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；
二、本发明提出将激光加工的阵列结构和激光烧蚀处理的中间层金属网进行“三明治”式堆叠，进一步强化毛细扩散水平；
三、本发明提出通过线填充扫描的形式进行激光热管内腔微柱和微槽阵列的加工，通过控制线填充间距，实现仿红瓶子草绒毛结构的跨尺度阶层沟道的加工，强化液态工质的毛细输运；
四、本发明提出的激光加工中的重熔过程可在微柱阵列、微槽阵列以及中间层金属网表面形成微米尺度微裂纹，在提高表面超浸润性、强化毛细扩散的同时，可增加表面核态沸腾位点数量，提高表面传热能力；
五、本发明提出通过碱性化学氧化在表面生成纳米团簇结构，可进一步提高表面超浸润性和增加核态沸腾位点数量，提高表面传热水平。
本发明设计合理，制造工艺简单，在高热流密度微电子器件、燃料电池双极板大面积高效散热等方面具有重要应用价值。
附图说明
图1a是本发明提出的一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管的结构示意图；
图1b是本发明提出的一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管的主视剖面图及其局部放大图；
图2是本发明提出的微柱阵列和微槽阵列的激光加工扫描路径示意图；
图3是本发明提出的仿红瓶子草绒毛结构的跨尺度多层级沟道及强化毛细扩散示意图；
图4是本发明加工的微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面微裂纹强化核态沸腾示意图；
图5是本发明加工的纳米团簇结构强化核态沸腾示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
如图1a和b所示，本发明提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯超薄平板热管，包括上板1、下板2、中间层金属网3和充液毛细管4。
上板1和下板2内表面的热端均加工有微柱阵列5，冷端均加工有微槽阵列6。其中，微柱阵列5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6指由若干平行分布的沟槽构成的条状阵列结构。
微柱阵列5和微槽阵列6内均具有相应形状结构的次级沟道结构7。微柱阵列5内相应形状结构的次级沟道结构7为均匀分布在柱体之间、由若干点状凸起构成的点状分布的沟道结构。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。
微柱阵列5、微槽阵列6和中间层金属网3的表面均具有微米尺度微裂纹8。
其中，上板1和下板2内表面的微柱阵列5和微槽阵列6及其次级沟道结构7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0.05-0.5mm。中间层金属网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。
其中，微柱阵列5和微槽阵列6及其次级沟道结构7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。即由线填充扫描加工出包括一级主沟道(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。
微柱阵列5、微槽阵列6和中间层金属网3表面的微米尺度微裂纹8是由激光加工过程中烧蚀、重熔自发形成的。
其中，上板1、下板2和中间层金属网3的材料为钛、不锈钢或紫铜。
进一步地，在一优选方案中，微柱阵列5、微槽阵列6和中间层金属网3的表面均具有纳米团簇结构9。纳米团簇结构9指由若干纳米尺度的管线构成的团簇结构。
上板1、下板2和中间层金属网3的材料为钛时，通过电化学氧化获得纳米团簇结构9。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。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。
上板1和下板2相对设置，中间层金属网3被固定在上板1和下板2之间，微柱阵列5、微槽阵列6和中间层金属网3共同构成超薄平板热管的吸液芯结构。
充液毛细管4的一端固定在上板1，与平板热管的内部相通。
具体的，上板1的冷端或热端开设有贯穿其内外表面的贯穿孔，充液毛细管4具有盘状底座和毛细管本体，将其盘状底座与上板1外表面贴合，并将毛细管本体的内孔与上板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。
平板热管还包括沿周垫板10，设于中间层金属网3周围、上板1和下板2之间，厚度与中间层金属网3相同。上板1和下板2形状轮廓相同，中间层金属网3的轮廓内缩于上板1和下板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。
本发明提供的具有跨尺度超浸润吸液芯超薄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。然后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。然后对中间层金属网的双面进行激光烧蚀处理。
其中，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。
其中，对于具有纳米团簇结构的平板热管：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。
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(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。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。
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。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯的钛基超薄平板热管的制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将切割成球拍状的0.2mm厚TA1纯钛板作为上板和下板，其中，“拍面”区为热端，“拍柄”区为冷端。采用紫外激光加工系统分别在热端和冷端加工出微柱阵列和微槽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)。
步骤二、中间层金属网采用150目的TA1纯钛网，并采用电火花线切割工艺切割成球拍状，且轮廓线较上板和下板内缩4mm。中间层金属网双面经紫外激光烧蚀处理，获得微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。
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、采用电化学氧化技术，在上板、下板、中间层金属网表面获得纳米团簇结构，其中，电解液为0.5wt％氢氟酸水溶液，氧化电压为20V，氧化时间为20min。
步骤四、采用YAG激光点焊机将中间层金属网焊接固定至下板的微柱阵列及微槽阵列的顶部。上板冷凝区开设有圆形的贯穿孔，充液毛细管盘状底座和上板的外表面贴合，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。
在超薄平板热管传热过程中，微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面的大量微裂纹和纳米团簇结构不仅可提高表面的超浸润性，强化毛细扩散，还可提高有效核态沸腾位点数量。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。
实施例2
本实施例提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯的钛基超薄平板热管结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将切割成球拍状的0.2mm厚TA1纯钛板作为上板和下板，其中，“拍面”区为热端，“拍柄”区为冷端。采用紫外激光加工系统分别在热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列结构。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。
对上板或下板的微柱阵列和微槽阵列结构进行毛细扩散速度(Washburn毛细扩散特性)试验，结果发现，所加工的微柱阵列和微槽阵列的Washburn毛细扩散速度达27.4mm·s1/2，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％。
步骤二、中间层金属网采用150目的TA1纯钛网，并采用电火花线切割工艺切割成球拍状，且轮廓线较上板和下板内缩4mm。中间层金属网双面经紫外激光烧蚀处理，获得微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。
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、通过电化学氧化技术，在上板、下板、中间层金属网表面获得纳米团簇结构，其中，电解液为0.5wt％氢氟酸水溶液，氧化电压为20V，氧化时间为20min。
步骤四、采用YAG激光点焊机将中间层金属网焊接固定至下板的微柱阵列及微槽阵列的顶部。上板冷凝区开设有圆形的贯穿孔，充液毛细管盘状底座和上板的外表面贴合，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。
实施例3
本实施例提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯的不锈钢基超薄平板热管结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将切割成球拍状的1mm厚不锈钢板作为上板和下板，其中，“拍面”区为热端，“拍柄”区为冷端。采用光纤激光加工系统分别在热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列结构。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)。
步骤二、中间层金属网采用150目的不锈钢网，并采用电火花线切割工艺切割成球拍状，且轮廓线较上板和下板内缩4mm。中间层金属网双面经光纤激光烧蚀处理，获得微米尺度微裂纹。其中，光纤激光加工参数为：功率10W、扫描速度1000mm/s、频率40KHz。
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、采用YAG点焊机将光纤激光烧蚀处理后的中间层金属网焊接固定至下板的微柱阵列及微槽阵列的顶部。上板冷凝区开设有圆形的贯穿孔，充液毛细管盘状底座和上板的外表面贴合，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。
实施例4
本实施例提供一种具有跨尺度超浸润吸液芯的紫铜基超薄平板热管结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤一、将切割成球拍状的0.5mm厚紫铜板作为上板和下板，其中，“拍面”区为热端，“拍柄”区为冷端。采用紫外激光加工系统分别在热端和冷端加工出微柱阵列和微槽阵列结构。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)。
步骤二、中间层金属网采用150目的紫铜网，并切割成球拍状，且轮廓线较上板和下板内缩4mm。中间层金属网双面经紫外激光烧蚀处理，获得微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1000mm/s、频率40KHz。
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、采用氩弧焊将紫外激光烧蚀处理后的中间层金属网焊接固定至下板的微柱阵列及微槽阵列的顶部。上板冷凝区开设有圆形的贯穿孔，充液毛细管盘状底座和上板的外表面贴合，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；
步骤四、将2.5mol/L氢氧化钾和0.065mol/L过硫酸钾混合溶液经充液毛细管注入超薄平板热管内，并将热管水浴加热至70℃，氧化40min，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。
在超薄平板热管传热过程中，微柱阵列、微槽阵列和中间层金属网表面氧化生成的纳米团簇结构不仅可提高表面超浸润性，强化毛细扩散，还可提高有效核态沸腾位点数量。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。
本发明通过激光加工分别在超薄平板热管的热端和冷端加工出亚毫米微柱阵列、微槽阵列结构以满足热端和冷凝不同的毛细扩散需求，同时利用激光烧蚀处理后的中间层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。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，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。
Claims (9)
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。
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| GR01 | Patent grant | ||
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