CN116618105A - 一种仿生植物导管微结构及其制作方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加工领域，特别涉及一种仿生植物导管微结构及其制作方法和应用，包括基板和多个微米结构体；多个微米结构体均与基板固定连接，多个微米结构体阵列布置，多个微米结构体沿同一方向弯折，微米结构体的弯折部分与相邻的微米结构体连接，以形成封闭的过流通道，设计了仿植物导管的封闭过流通道结构，使该微结构具备毛细流动和气液相变的性能，解决了现有技术中无法兼具此两者的问题。

Description

一种仿生植物导管微结构及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及加工领域，特别涉及一种仿生植物导管微结构及其制作方法和应用。

背景技术

金属铜具有极高的热导率、较好的介质相容性，广泛用于热管、均热板等基于两相相变原理的热管理器件的制备；在这些器件中，内部表面覆盖了一层吸液芯结构，吸液芯结构中一方面发生液气相变过程以带走热量，另一方面依靠毛细力促使冷凝液体的高效回流，无论是增强液气相变过程需要增加表面的活性行核点数量，还是增强局部液体的瞬时扩散能力，这都要求表面具有精细的微米级或纳米级的微结构。

现有技术中，有大量制备复合微结构来增强表面的液气相变或毛细传输过程，这些结构或者制备方法中，一般通过机械微加工、电加工、激光加工等方法制备毫米或微米结构，再通过化学氧化、化学刻蚀、化学沉积、热氧化等方法制备微米或纳米结构，但是，由于前后制备工艺缺乏协同效应，导致后续工艺制备的微米或纳米结构一般是开放式的毫米或微米结构表面，这种复合结构虽然具有较强的液气相变能力，但在相变器件中不可避免的与蒸气阻力相对抗，其毛细流动能力也会下降，难以实现液气相变和毛细流动这两方面性能的综合或平衡。

因此，研究一种兼具毛细流动和气液相变性能的微结构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生植物导管微结构及其制作方法和应用，以解决现有微结构无法兼具毛细流动和气液相变性能的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的目的之一在于提供一种仿生植物导管微结构，多个所述微米结构体均与所述基板固定连接，多个所述微米结构体阵列布置，多个所述微米结构体沿同一方向弯折，所述微米结构体的弯折部分与相邻的所述微米结构体连接，以形成封闭的过流通道，过流通道为仿植物导管的封闭结构，一方面可提高液体在其内的的毛细流动性，另一方面有利于实现液气分层运输。

在第一方面的一些实施方式中，沿所述微米结构体邻近所述基板方向上，所述微米结构体的厚度变宽，所述微米结构体上窄下宽的结构设计，使其在受到冲击压力时，具备一侧受力不均匀化的特点，即微米结构体的顶部冲击强度高，微米结构体的底部冲击强度低，实现微米结构体的弯折。

在第一方面的一些实施方式中，所述微米结构体的横截面形状为锥形或梯形。

在第一方面的一些实施方式中，所述微米结构体的弯折部分与相邻的所述微米结构体重叠。

在第一方面的一些实施方式中，所述微米结构体的顶部弯折。

在第一方面的一些实施方式中，所述微米结构体的中部弯折。

在第一方面的一些实施方式中，所述微米结构体包括常径段和变径段，所述变径段与所述基板固定连接，所述变径段弯折并与相邻的变径段连接。

在第一方面的一些实施方式中，所述过流通道的宽度≤50μm，所述过流通道的高度≥100μm。

在第一方面的一些实施方式中，所述微米结构体顶部的宽度≤20μm，所述微米结构体的高度和宽度的比值≥1.5。

在第一方面的一些实施方式中，还包括多个纳米结构体；多个所述纳米结构体均设于所述过流通道内，多个所述纳米结构体均与所述微米结构体的壁面和/或所述基板的板面固定连接，纳米结构体可以提供更大比表面积，有效增强液气相变能力。

在第一方面的一些实施方式中，所述纳米结构体包括多个纳米颗粒和多个纳米波纹片；多个所述纳米颗粒表面覆盖所述微米结构体的壁面；多个所述纳米波纹片阵列布置，多个所述纳米波纹片与所述基板的板面固定连接，过流通道的底部覆盖有纳米结构体可以实现不同类型植物导管的仿生，使仿植物导管的过流通道同时兼具高效的毛细流动和高效的气液相变性能。

在第一方面的一些实施方式中，所述纳米颗粒的宽度≤300nm，纳米颗粒的高度≤300nm。

在第一方面的一些实施方式中，所述纳米波纹片的宽度≤400nm，所述纳米波纹片的高度≤100nm；相邻两个所述纳米波纹片之间的距离≤800nm。

在第一方面的一些实施方式中，所述基板、所述微结构体和所述纳米结构体的材质至少包括纯铜或氧化铜或铜合金；所述纳米结构体中铜的质量分数≥50％，铜，具有较低的热阻、较好的介质相容性、优异的稳定性，可长期稳定使用。

本发明的目的之二在于，提供一种仿生植物导管微结构的制作方法，包括以下步骤：

S1，短脉冲激光处理，将短脉冲激光以特定的路径扫描基板，以形成多个微结构体；利用短脉冲激光束进行的路径扫描，去除掉扫描路径上的材料，去除部分即为凹槽，而保留下来的部分即为微结构体，短脉冲激光有两点好处，一是使用短脉冲激光加工形成微米结构体具有小的结构尺度，较大的结构深宽比，且加工表面较平整，不存在明显的高度起伏；二是由于激光能量的高斯型分布，制备出的微米结构体的横截面轮廓可以实现对力场强度的有效调控。

S2，覆膜处理，将黑膜覆在有微结构体一侧的基板表面上；覆上的黑膜将作为吸收层避免冲击处理过程中对微结构体的破坏。

S3，冲击处理，将冲击激光以特定角度对覆有黑膜的微结构体施加冲击压力，使得微结构体弯曲以制得封闭的过流通道，在冲击过程中，冲击激光将对多个微结构体上较窄的一端进行特定角度的冲击，由微米结构体的结构造成的力场分布不均匀，使微米结构体顶部及靠近微米结构顶部的侧壁上优先发生弯曲，使其被冲击并弯折或弯折至相邻的微结构体上，形成封闭的多个过流通道，从而形成仿植物导管的结构阵列。

在第二方面的一些实施方式中，所述短脉冲激光的脉冲半高宽≤20ns，更优选地，所述短脉冲激光的脉冲半高宽≤1ns，具备较短的脉冲宽度可确保形成光滑的加工表面，避免因为熔融物运动而形成随机分布的颗粒物，影响后续纳米结构的形成，同时，较短的脉冲宽度还能避免加工过程中的热累积形变现象，确保冲击过程的顺利进行。

在第二方面的一些实施方式中，所述冲击激光冲击的能量≤12J。

在第二方面的一些实施方式中，所述黑膜的材质为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)中的任意一种。

在第二方面的一些实施方式中，所述黑膜的厚度为1～10mm；优选地，所述黑膜的厚度为2～8mm；更优选地，所述黑膜的厚度为3～5mm。

在第二方面的一些实施方式中，所述冲击压力为5～20pa；优选地，所述工作压力为12～18pa；更优选地，所述工作压力为14～18pa，当冲击时的工作压力需要在合适的范围内，压力过低或过高时均无法形成本发明中的仿生植物导管结构。

在第二方面的一些实施方式中，所述冲击的次数为5～80次；优选地，所述冲击次数为10～30次；更优选地，所述冲击次数为15～25次。

本发明的目的之三在于，提供一种应用了仿生植物导管微结构的相变换热器件。

在第三方面的一些实施方式中，所述相变换热器件包括热管或均热板。

本发明的有益效果如下：

由于多个微米结构体均与基板固定连接，多个微米结构阵列布置，微米结构体与相邻的微米结构体连接以形成封闭的过流通道，所以在进行应用时，形成的封闭过流通道与植物导管结构相仿，相比于开放式沟槽吸液芯，封闭的导管会具有更大毛细力，毛细流动更佳，即其具备快速运输液体的能力，而液体在过流通道中的流动，由于封闭结构的存在，不容易受到蒸汽压降产生的剪切力的影响，可以更好的实现气液空间的分离运行。

由于本发明中的制备方法利用短脉冲激光在基板上加工形成微米结构体，形成的微米结构体可以调控后续冲击过程的力场分布，使得使得微结构顶部的形变高于底部形变，促使纳米结构在微结构的底部和靠近底部的侧壁的表面区域生长，确保了纳米结构的在微导管中复合；同时，通过调节短脉冲激光加工的参数可以灵活调控微结构的尺寸特性和形貌，而通过调节冲击过程的参数可以灵活调控微导管的形貌和尺寸特性，从而实现根据需要进行结构设计。

因此，本申请的微结构通过设计了仿植物导管的封闭过流通道结构，使该微结构具备毛细流动和气液相变的性能，解决了现有技术中无法兼具此两者的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构的制备流程图；

图2为本发明整体结构的尺寸标注示意图；

图3为本发明第一个实施例的整体横截面的结构示意图；

图4为本发明第二个实施例的整体横截面的结构示意图；

图5为本发明第三个实施例的整体横截面的结构示意图；

图6为本发明第一个实施例中的微米结构体阵列的结构的表面形貌；

图7为本发明第一个实施例中短接封闭仿生植物导管微结构的表面形貌；

图8为本发明第二个实施例中长接封闭仿生植物导管微结构的表面形貌；

图9为本发明第三个实施例中仿生植物导管微结构的表面形貌；

图10为对照例的未封闭的结构的表面形貌。

附图标记如下：

1、基板；2、微米结构体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在现有技术中，在基板上制备微米结构体和纳米结构体，虽然可以大幅提高沸腾等液气相变换热过程的换热系数和临界热流密度，但会抑制毛细流动，具体表现在两方面，一是当表面覆盖精细的微米或纳米结构时，由于比表面积的大幅增加，会大幅增加毛细流动的阻力；二是现有微米或纳米结构一般是开放式的结构，在流动的过程中不可避免的与蒸气阻力相对抗，其毛细流动能力也会下降，毛细流动能力的下降，会降低渗透率，从而抑制冷凝液体的回流过程，即现有的技术难以实现液气相变和毛细流动这两方面性能的综合或平衡。

为了解决上述的问题，本申请提供了一种仿生植物导管微结构，其核心思路在于，在基板上用弯折的微结构体形成封闭的过流通道，有效增加了流体在过流通道内的毛细流动性以及气液相变性，具体的，下文将以具体的实施例和对比例进行阐述。

实施例一

本申请的一种仿生植物导管微结构，如图1、图2、图3、图6和图7所示，包括基板1、微米结构体2和纳米结构体，多个微米结构体2均与基板1固定连接；多个微米结构阵列布置，多个微米结构体2沿同一方向弯折，微米结构体2的弯折部分与相邻的微米结构体2连接，以形成封闭的过流通道；纳米结构体均设于过流通道内，多个纳米结构体均与微米结构体2的壁面和/或基板1的板面固定连接，在采用此种设置方式后，封闭式的过流通道与植物导管的作用类似，其封闭的导管会具有更大毛细流动力，所以在均热板上具有更大的优势；并且由于过流通道是单向导通的，其具备快速运输液体的能力，液体的运输在封闭的管道过流通道中运输，不容易受到蒸气压降产生的剪切力的影响，可以更好的实现气液空间的分离运行，并且纳米结构体可以提供更大比表面积，有效增强液气相变能力。

需要明确的是，申请中所述的高度即图2所示的垂直方向示例，而宽度即如图2所示的水平方向示例，间距即如图2所示的水平方向示例，高度、宽度和间距的有关描述，可参考该图作判断。

在本申请的实施例中，有关上述的基板1，如图2和图6所示，基板1的材质优选为紫铜，铜具有较低的热阻、较好的介质相容性、优异的稳定性，可长期稳定使用。

具体的，基板1的尺寸为60*60*1mm³。

需要指出的是，基板1的材质包括但不限于纯铜、氧化铜、铜合金、铝、钛、铁或铁合金，本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择。

在本申请的实施例中，有关上述的微米结构体2，如图3和图7所示，沿微米结构邻近基板1方向上，微米结构体2的厚度变宽，微米结构体2上窄下宽的结构设计，使其在受冲击压力时，微米结构体2的顶部受到的冲击强度高，微米结构体2的底部受到的冲击强度低，可实现微米结构体2的弯折，弯折的微米结构体2与相邻的微米结构连接形成封闭的过流通道。

具体的，紫铜材质的每个微米结构体2宽度为10μm，高度为150μm，微米结构体2的高度和宽度的比值大于1.5，相邻的微米结构体2的间距为50μm，整个微米结构体2的横截面形状为锥形。

在本申请的一些实施例中，如图3所示，微米结构体2的弯折部分与相邻的微米结构体2重叠，重叠部分的结构可加强过流通道的结构强度。

在本申请的一些实施例中，如图3所示，微米结构体2的顶部弯折，即相邻微米结构体2间的短接封闭连接，短接后的过流通道高度至少大于100μm，宽度为50μm。

在本申请的实施例中，有关上述的纳米结构体，纳米结构体包括多个纳米颗粒和多个纳米波纹片；多个纳米颗粒表面覆盖微米结构体2的壁面；多个纳米波纹片阵列布置，多个纳米波纹片与基板1的板面固定连接，即纳米波纹片覆盖过流通道的底面以及过流通道的两侧邻近底部的壁面，过流通道的底部覆盖有纳米波纹片可以实现不同类型植物导管的仿生，增大比表面积，促进毛细性能和表面润湿能力，使仿植物导管的过流通道同时兼具高效的毛细流动和高效的气液相变性能。

其中，纳米结构体是在制备微米结构体时产生的的，纳米结构体本身是由于激光与材料的相互作用产生的，具体可有或是沉积物形成纳米颗粒，或是激光加工时，产生的冲击波导致熔融物波动形成纳米波纹，顶部一般是沉积颗粒，底部一般是纳米波纹结构。

具体的，纳米结构体的铜含量大于50％。

从上文可知本实施例的基本结构，下文将以具体的制备方法进行描述，具体包括以下步骤，具体如图1所示：

取尺寸为60*60*1mm3的紫铜板，在空气中通过脉冲激光扫描紫铜板表面，加工微米结构体2阵列，得到如图2所示的整体结构。

其中，脉冲激光扫描参数为激光脉冲半高宽10ps，波长532nm，重复频率2000kHz，单脉冲能量6.45μJ，聚焦光斑直径约16μm，聚焦光斑的扫描速度5000mm/s；扫描图案为平行线阵列，相邻两个线间距为5μm，重复扫描150次。

采用短脉冲激光加工有诸多优点：一是微米结构具有小的结构尺度，较大的结构深宽比，且加工表面较平整，不存在明显的高度起伏；二是短脉冲激光为高斯型分布，制备出的微米结构体2的横截面轮廓可以实现对力场强度的有效调控；三是较短的脉冲宽度可确保形成光滑的加工表面，避免因为熔融物运动而形成随机分布的颗粒物；四是较短的脉冲宽度还能避免加工过程中的热累积形变现象，确保冲击过程的顺利进行。

加工后微米结构体2的宽度为10μm，高度约150μm，相邻两个锥状微米结构体2的间距为50μm，加工后的微米结构体2阵列的结构示意图如图3所示。

随后，将加工有微米结构体2阵列的紫铜板的正面贴黑膜保护，覆上的黑膜将作为吸收层避免冲击处理过程中对微结构体的破坏，然后夹持在冲击平台上，冲击距离为40厘米，冲击的单脉冲能量为2J，冲击的方向与平台的夹角为60度，冲击时平台移动的速度为5mm/s，冲击次数为5次。

其中，因为激光冲击或者喷砂冲击直接作用于结构会导致微米结构直接被破坏，在冲击前加一层黑膜后，不仅可以缓冲局部被分散的冲击，还可以由黑膜吸收能量后膨胀释放压力进行压弯。

需要指出的是，黑膜的材质包括但不限于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)，本领域技术人员可根据自身实际需求进行选择。

在本申请的一些可能的实施方式中，黑膜可以是固体黑膜；玻璃也可以是液体水或酒精。

即获得本例中的铜基短接封闭仿生植物导管结构，其表面形貌如图3所示。

实施例二

本申请的一种仿生植物导管微结构的第二个实施例，如图4和图8所示，其结构与第一个实施例基本一致，区别在于，相邻的微米结构体2的连接位置不同，即微米结构体2并非顶部弯折，而是在微米结构体2的中部弯折，并非为短接封闭连接，而是长接封闭连接。

而本实施例的制备方法与第一个实施例基本一致，区别在于，冲击的方向与平台的夹角并非为60°，而是为30°，其表面形貌如图8所示。

实施例三

本申请的一种仿生植物导管微结构的第三个实施例，如图5和图9所示，其结构与第一个实施例基本一致，区别在于，微米结构体2的宽度并非为10μm，而是为20μm；微米结构体2的高度并非为150μm，而是为100μm。

而本实施例的制备方法与第一个实施例基本一致，区别在于，重复扫描的次数并非为150次，而是100次；冲击的单脉冲能量并非为2J，而是为12J，其表面形貌如图9所示。

本发明实施例1～3制得的铜基仿生植物导管结构可以应用于包括换热器、水冷板、热管、均热板等的换热器件。

对比例

本例参照实施例1的制备方法制得，如图10所示，本例与实施例1的区别之处在于：对比例的微结构体是未封闭的结构，具体制备区别在于，激光重复扫描加工的次数为50次，其它加工参数不变，加工形成的微米结构体2的高度将仅为50μm，微米结构体2高度和沟槽间距的比值将小于1.5。

这种较低的微米结构体2将不足以封闭整个沟槽。当使用与实施例1相同的冲击工艺参数时，制备出来的结构的表面形貌如图8所示，整个表面均为半封闭结构，而不是如本发明实施例1中的仿生植物导管结构。

在采用此种设置方式后，其开放式结构导致液体在流动时不可避免的与蒸气阻力相对抗，其毛细流动能力也会下降，难以实现液气相变和毛细流动这两方面性能的综合或平衡。

以上所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生植物导管微结构，其特征在于，

包括基板和多个微米结构体；

多个所述微米结构体均与所述基板固定连接，多个所述微米结构体阵列布置，多个所述微米结构体沿同一方向弯折，所述微米结构体的弯折部分与相邻的所述微米结构体连接，以形成封闭的过流通道。

2.根据权利要求1所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

所述过流通道的宽度≤50μm，所述过流通道的高度≥100μm。

3.根据权利要求1所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

沿所述微米结构体邻近所述基板方向上，所述微米结构体的厚度变宽。

4.根据权利要求1所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

所述微米结构体顶部的宽度≤20μm，所述微米结构体的高度和宽度的比值≥1.5。

5.根据权利要求1所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

还包括多个纳米结构体；

多个所述纳米结构体均设于所述过流通道内，多个所述纳米结构体均与所述微米结构体的壁面和/或所述基板的板面固定连接。

6.根据权利要求5所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

所述基板、所述微结构体和所述纳米结构体的材质至少包括纯铜或氧化铜或铜合金；

所述纳米结构体中铜的质量分数≥50％。

7.一种仿生植物导管微结构的制作方法，其特征在于，应用权利要求1至权利要求6任意一项所述的仿生植物导管微结构，包括以下步骤，

S1，短脉冲激光处理，将短脉冲激光以特定的路径扫描基板，以形成多个微结构体以及纳米结构体；

S2，覆膜处理，将黑膜覆在有微结构体一侧的基板表面上；

S3，冲击处理，将冲击激光以特定角度对覆有黑膜的微结构体施加冲击压力，使得微结构体弯曲以制得封闭的过流通道。

8.根据权利要求7所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

所述短脉冲激光的脉冲半高宽≤20ns。

9.根据权利要求7所述的仿生植物导管微结构，其特征在于，

所述冲击激光冲击的能量≤12J。

10.一种应用了仿生植物导管微结构的相变换热器件，其特征在于，应用了权利要求1至权利要求7任意一项所述的仿生植物导管微结构。