CN117647128A - 一种柔性均热板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性均热板和制备方法，包括：第一壳板、第二壳板、吸液芯和镀膜层，吸液芯设置于第二壳板靠近第一壳板的一端，且吸液芯位于液体区内，吸液芯用于储存液体工质，液体工质用于受热蒸发为蒸汽进入蒸汽区，蒸汽冷凝为液体工质进入液体区，第一壳板、第二壳板和吸液芯的材料相同，材料为柔性聚合物材料，吸液芯为多孔结构；镀膜层设置于第一壳板和第二壳板的外表面，镀膜层用于提高第一壳板和第二壳板的阻隔性能。本申请既能保证柔性均热板具有良好的柔性、可弯折性和轻薄性，又能使得吸液芯和第二壳板的结合强度更高，接触热阻更低，进而提高了传热效率。还能更有效的封存液体工质，进而提高柔性均热板的使用时间。

Description

一种柔性均热板及其制备方法

技术领域

本发明涉及散热器技术领域，特别涉及一种柔性均热板及其制备方法。

背景技术

均热板(Vapor Chamber，简称VC)利用金属板材制造空腔将液体封存，内部设置多孔吸液芯，与热源芯片贴合后，液体在空腔内吸热产生蒸汽扩散，从而达到拓展散热面积的目的，其等效导热系数高达10000W/mK，远高于所有金属材料，在移动电子设备热管理领域极具应用前景。然而，常规均热板采用金属材料(铜、铝、不锈钢等)制成外壳，具有较高的物理刚性。在移动电子设备中，在反复弯曲、折叠后，外壳和吸液芯结构会发生不可逆损伤，严重影响VC的性能和可靠性。

发明内容

基于此，有必要提供一种柔性均热板及其制备方法，以解决现有的均热板为刚性，在受弯曲、折叠后外壳和吸液芯结构会发生不可逆损伤的问题。

一种柔性均热板，包括：

第一壳板；

第二壳板，与所述第一壳板密封连接，所述第一壳板和所述第二壳板之间形成有真空腔，所述真空腔包括设置于所述真空腔底端的液体区和设置于所述真空腔顶端的蒸汽区；

吸液芯，设置于所述第二壳板靠近所述第一壳板的一端，且所述吸液芯位于所述液体区内，所述吸液芯用于储存液体工质，所述液体工质用于受热蒸发为蒸汽进入所述蒸汽区，所述蒸汽冷凝为液体工质进入所述液体区，所述第一壳板、所述第二壳板和所述吸液芯的材料相同，所述材料为柔性聚合物材料，所述吸液芯为多孔结构；以及

镀膜层，所述镀膜层设置于所述第一壳板和所述第二壳板的外表面，所述镀膜层用于提高所述第一壳板和所述第二壳板的阻隔性能。

可选的，所述镀膜层包括第一镀膜和第二镀膜，所述第一镀膜设置于所述第一壳板的外表面，所述第二镀膜设置于所述第二壳板的外表面，所述第一镀膜和所述第二镀膜的厚度为100～500nm。

可选的，所述柔性均热板还包括多个支撑柱，多个所述支撑柱阵列分布于所述真空腔内，所述吸液芯还设置于所述支撑柱的侧面，且所述支撑柱的一端与所述真空腔的底端相抵接，所述支撑柱的另一端与所述真空腔的顶端相抵接，所述蒸汽区形成于所述多个所述支撑柱之间。

可选的，所述柔性均热板还包括注液口，所述注液口开设于所述第一壳板或所述第二壳板，所述注液口用于供所述液体工质进入所述真空腔内，所述注液口还用于对真空腔进行抽真空处理。

一种柔性均热板的制备方法，包括以下操作步骤：

采用钢模热压工艺制作第一壳板和第二壳板；

在第二壳板的内表面制备支撑柱；

采用静电纺丝工艺在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面原位制备吸液芯；

采用等离子体表面活化技术在吸液芯表面引入大量亲水基团，以对吸液芯进行亲水化处理；

密封连接第一壳板和第二壳板，使第一壳板和第二壳板之间形成有密封腔体，并预留注液口；

对密封腔体通过注液口进行抽真空处理，以使密封腔体形成为真空腔，然后通过注液口注入液体工质后进行密封处理；

通过磁控溅射工艺在第一壳板和第二壳板的外表面制备二氧化硅纳米薄膜，以对第一壳板和第二壳板进行表面镀膜处理。

可选的，所述在第二壳板的内表面制备支撑柱的步骤包括：

使用聚丙烯酸水溶液通过模具，在第二壳板的内表面浇筑出支撑柱，放入烘箱进行烘干，聚丙烯酸水溶液浓度为30～40％，烘干温度为70～90℃，烘干时间为4～6h。

可选的，所述采用静电纺丝工艺在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面原位制备吸液芯的步骤包括：

使用聚丙烯酸水溶液在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面进行静电纺丝，在支撑柱结构表面形成多孔结构，聚丙烯酸水溶液的浓度为20～30％，静电纺丝的电压为5～10kV，推注速度为0.1～0.2mL/min，接收距离为20～30cm，纺丝时间为6～8h。

可选的，所述采用静电纺丝工艺在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面原位制备吸液芯的步骤之后，所述对吸液芯进行亲水化处理的步骤之前还包括：

对支撑柱和吸液芯进行热酰胺化：80℃恒温1h；调至150℃，保持2h；升至200℃，保持1h；再升至250℃，保持0.5h；最后升至300℃，保持0.5h，使支撑柱和吸液芯的材料由聚丙烯酸转变为聚酰亚胺。

可选的，所述镀膜温度为100～150℃，镀膜时间为4h，镀膜厚度为200～500nm。

可选的，所述柔性均热板在抽真空处理中的抗弯刚度K满足如下要求：K＝E×I>1.4，

其中，K为第一壳板和第二壳板的抗弯刚度，单位为N·m；E为材料的弹性模量，单位Pa；I为惯性矩，单位m⁴；P₀为大气压，单位Pa；S为支撑柱的中心距，单位m；T为第一壳板和第二壳板的厚度，单位m；α为应变，无量纲；D为支撑柱的直径，单位m。

本申请提供的柔性均热板，通过采用同一柔性聚合物材料制备第一壳板、第二壳板和吸液芯，既能保证柔性均热板具有良好的柔性、可弯折性和轻薄性，又能使得吸液芯和第二壳板更好的结合，吸液芯和第二壳板的结合强度更高，从而使得吸液芯和第二壳板之间的接触热阻更低，进而提高了传热效率。此外，由于第一壳板、第二壳板和吸液芯的材料相同，由于柔性聚合物分子结构的原因，柔性聚合物本体存在天然细微孔洞，液体工质会从细微孔洞挥发泄漏出来，而本申请通过在第一壳板和第二壳板的外表面设置有镀膜层，能够提高第一壳板和第二壳板的阻隔性能，从而更有效的封存液体工质，进而提高柔性均热板的使用时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为一实施例中柔性均热板的外观示意图；

图2为一实施例中柔性均热板的结构示意图；

图3为一实施例中柔性均热板的的截面结构剖视图；

图4为一实施例中柔性均热板的工作原理A-A向剖视图；

图5为一实施例中柔性均热板的工作原理B-B向剖视图；

图6为一实施例中柔性均热板的吸液芯的微观图。

100、第一镀膜；200、第一壳板；300、第二壳板；310、吸液芯；320、支撑柱；400、第二镀膜；500、注液口；600、蒸汽区；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

参考图1至图5，本申请提供了一种柔性均热板，该柔性均热板包括第一壳板200、第二壳板300、吸液芯310和镀膜层，第二壳板300与第一壳板200密封连接，第一壳板200和第二壳板300之间形成有真空腔，真空腔包括设置于真空腔底端的液体区和设置于真空腔顶端的蒸汽区600；吸液芯310设置于第二壳板300靠近第一壳板200的一端，且吸液芯310位于液体区内，吸液芯310用于储存液体工质，液体工质用于受热蒸发为蒸汽进入蒸汽区600，蒸汽冷凝为液体工质进入液体区，第一壳板200、第二壳板300和吸液芯310的材料相同，材料为柔性聚合物材料，吸液芯310为多孔毛细结构；镀膜层设置于第一壳板200和第二壳板300的外表面，镀膜层用于提高第一壳板200和第二壳板300的阻隔性能。

本申请提供的柔性均热板，通过采用同一柔性聚合物材料制备第一壳板200、第二壳板300和吸液芯310，既能保证柔性均热板具有良好的柔性、可弯折性和轻薄性，又能使得吸液芯310和第二壳板300更好的结合，吸液芯310和第二壳板300的结合强度更高，从而使得吸液芯310和第二壳板300之间的接触热阻更低，进而提高了传热效率。此外，第一壳板200、第二壳板300和吸液芯310的材料相同，由于柔性聚合物自身分子结构的原因，柔性聚合物本体存在天然细微孔洞，液体工质会从细微孔洞挥发泄漏出来，而本申请通过在第一壳板200和第二壳板300的外表面设置有镀膜层，能够提高第一壳板200和第二壳板300的阻隔性能，从而更有效的封存液体工质，进而提高柔性均热板的使用时间。

具体地，上述柔性均热板的工作原理为：柔性均热板正常工作时，第二壳板300为蒸发端，第一壳板200为冷凝端。将第二壳板300与芯片通过高导热界面材料紧密贴合，芯片工作产生热量，热量经第二壳板300传导至吸液芯310中，吸液芯310中的液体工质吸热蒸发相变形成蒸汽，在压差推动下，蒸汽工质在蒸汽区600内快速流动，迅速扩散至第一壳板200的内表面，第一壳板200的外表面与环境通过对流和辐射进行热量交换，使得蒸汽在第一壳板200的内表面快速冷凝释放热量，冷凝后的液体工质在吸液芯310的毛细力驱动下回流至第二壳板300的内表面，使得柔性均热板得以循环工作，不断将芯片热量传递至环境当中，从而降低芯片温度。

具体地，材料为耐高温聚合物，进一步可以为聚酰亚胺，聚四氟乙烯(PTFE)和尼龙等。

在本实施例中，第一壳板200、第二壳板300和吸液芯310均为聚酰亚胺制成，其中第一壳板200和第二壳板300为聚酰亚胺薄膜制成的板材，吸液芯310为聚酰亚胺制成的多孔毛细结构，柔性均热板的总厚度不超过0.5mm，具有较好的柔性、耐弯性和理化稳定性。

进一步的，参考图6，由于吸液芯310为多孔的聚合物材料-聚酰亚胺，孔隙率达到70％以上。由于聚合物表面能低，亲水性差，虽然孔隙率高，但难以实现较强的吸液能力。因此，采用低温等离子体工艺进行表面处理，使得吸液芯310的微观多孔结构表面悬挂亲水的极性基团羟基(-OH)或羧基(-COOH)，极大地提高吸液芯310的亲水性。结合高孔隙率和高亲水性，吸液芯310具有较强的吸液和储液能力，可在非工作时储存大量液体工质，工作时防止热源蒸发核心区干涸，将液体工质与蒸汽工质分隔，使超薄柔性均热板的性能更加优越。

具体的，液体工质为相变液体，在本实施例中，可以为水。

参考图2，镀膜层包括第一镀膜100和第二镀膜400，第一镀膜100设置于第一壳板200的外表面，第二镀膜400设置于第二壳板300的外表面。

进一步的，镀膜层的材料可以为铜和二氧化硅，优选二氧化硅，第一镀膜100和第二镀膜400的厚度为100～500nm，既能将第一壳板200和第二壳板300的阻隔性提高2个数量级以上，还可保留柔性特点。

参考图2，柔性均热板还包括多个支撑柱320，多个支撑柱320阵列分布于真空腔内，吸液芯310还设置于支撑柱320的侧面，有利于蒸汽在第一壳板200的内表面冷凝液化后快速回流至蒸发段，缩短液体回流的路径。且支撑柱320的一端与真空腔的底端相抵接，支撑柱320的另一端与真空腔的顶端相抵接，蒸汽区600形成于多个支撑柱320之间。

通过设置有多个阵列分布的支撑柱320，可以防止柔性均热板在抽真空过程中塌陷，造成蒸汽区600的流通面积堵塞并失效。

进一步地，支撑柱320的形状设置为圆柱形以减小蒸汽流动阻力，以便蒸汽在蒸汽区600内流动，进而使蒸汽扩散至蒸汽区600各部分的速度加快，从而提高散热效率。

进一步地，吸液芯310均匀覆盖在第二壳板300的内表面及支撑柱320的侧表面。

参考图1-2，柔性均热板还包括注液口500，注液口500开设于第一壳板200或第二壳板300，注液口500用于供液体工质进入真空腔内，注液口500还用于对真空腔进行抽真空处理。

进一步地，第二壳板300内表面边缘上设置有宽度为2mm、高度为0.5mm的封边结构，可用于将真空腔进行密封，以确保真空腔的密封性。

一种柔性均热板的制备方法包括以下步骤：

S1、采用钢模热压工艺制作第一壳板200和第二壳板300；

S2、在第二壳板300的内表面制备支撑柱320；

S3、采用静电纺丝工艺在第二壳板300的内表面及支撑柱320的侧面原位制备吸液芯310；

S4、采用等离子体表面活化技术在吸液芯310表面引入大量亲水基团(羟基或羧基)，以对吸液芯310进行亲水化处理；如此能够降低吸液芯310的表面能，大幅度提高其亲水性，进而提高吸液性能。

S5、密封连接第一壳板200和第二壳板300，使第一壳板200和第二壳板300之间形成有密封腔体，并预留注液口500；

具体操作为：将PI(聚酰亚胺)胶水点涂在支撑柱320上表面及封边结构上，将第一壳板200和第二壳板300定位压紧，进一步通过热封的方式将第一壳板200和第二壳板300连接为一体，使上下壳板内部形成密封腔体。

S6、对密封腔体通过注液口500进行抽真空处理，以使密封腔体形成为真空腔，然后通过注液口500注入液体工质后进行密封处理；

S7、通过磁控溅射工艺在第一壳板200和第二壳板300的外表面制备二氧化硅纳米薄膜，以对第一壳板200和第二壳板300进行表面镀膜处理，能够防止液体工质从聚酰亚胺材料的微孔隙中挥发而造成柔性均热板失效。

优选的，镀膜温度为100～150℃，镀膜时间为4h，镀膜厚度为200～500nm，在提高第一壳板200和第二壳板300阻隔性的同时，保持较好的柔韧性。

具体地，S2步骤还包括S21、使用聚丙烯酸水溶液通过模具，在第二壳板300的内表面浇筑出支撑柱320，放入烘箱进行烘干，聚丙烯酸水溶液浓度为30～40％，烘干温度为70～90℃，烘干时间为4～6h。

S3步骤还包括S31、使用聚丙烯酸水溶液在第二壳板300的内表面及支撑柱320的侧面进行静电纺丝，在支撑柱320结构表面形成多孔结构，聚丙烯酸水溶液的浓度为20～30％，静电纺丝的电压为5～10kV，推注速度为0.1～0.2mL/min，接收距离为20～30cm，纺丝时间为6～8h。

具体地，吸液芯310采用静电纺丝工艺在第二壳板300和支撑柱320表面进行原位制备，大幅降低了吸液芯310与第二壳板300之间的接触热阻，提高了传热效率，且能实现规模化制备，加工过程更加简易，成本低。

步骤S3和步骤S4之间还包括步骤S8、对支撑柱320和吸液芯310进行热酰胺化：80℃恒温1h；调至150℃，保持2h；升至200℃，保持1h；再升至250℃，保持0.5h；最后升至300℃，保持0.5h，使支撑柱320和吸液芯310的材料由聚丙烯酸转变为聚酰亚胺。

进一步地，柔性均热板在合模后应该保持较好的刚度，确保柔性均热板在抽真空过程中不会塌陷而影响平面度和内部蒸汽的流动空间，根据规范，柔性均热板在抽真空过程中抗弯刚度应满足如下要求：

K＝E×I>1.4 (1)

进一步地，弹性模量E可以表示为：

进一步地，惯性矩I可以表示为：

进一步地，整理式(1)至(3)可得：

其中，K为第一壳板200和第二壳板300的抗弯刚度，单位为N·m；E为材料的弹性模量，单位Pa；I为惯性矩，单位m4；P0为大气压，单位Pa；S为支撑柱320的中心距，单位m；T为第一壳板200和第二壳板300的厚度，单位m；α为应变，无量纲；D为支撑柱320的直径，单位m。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性均热板，其特征在于，包括：

第一壳板；

第二壳板，与所述第一壳板密封连接，所述第一壳板和所述第二壳板之间形成有真空腔，所述真空腔包括设置于所述真空腔底端的液体区和设置于所述真空腔顶端的蒸汽区；

吸液芯，设置于所述第二壳板靠近所述第一壳板的一端，且所述吸液芯位于所述液体区内，所述吸液芯用于储存液体工质，所述液体工质用于受热蒸发为蒸汽进入所述蒸汽区，所述蒸汽冷凝为液体工质进入所述液体区，所述第一壳板、所述第二壳板和所述吸液芯的材料相同，所述材料为柔性聚合物材料，所述吸液芯为多孔结构；以及

镀膜层，所述镀膜层设置于所述第一壳板和所述第二壳板的外表面，所述镀膜层用于提高所述第一壳板和所述第二壳板的阻隔性能。

2.根据权利要求1所述的柔性均热板，其特征在于，所述镀膜层包括第一镀膜和第二镀膜，所述第一镀膜设置于所述第一壳板的外表面，所述第二镀膜设置于所述第二壳板的外表面，所述第一镀膜和所述第二镀膜的厚度为100～500nm。

3.根据权利要求1所述的柔性均热板，其特征在于，所述柔性均热板还包括多个支撑柱，多个所述支撑柱阵列分布于所述真空腔内，所述吸液芯还设置于所述支撑柱的侧面，且所述支撑柱的一端与所述真空腔的底端相抵接，所述支撑柱的另一端与所述真空腔的顶端相抵接，所述蒸汽区形成于所述多个所述支撑柱之间。

4.根据权利要求1所述的柔性均热板，其特征在于，所述柔性均热板还包括注液口，所述注液口开设于所述第一壳板或所述第二壳板，所述注液口用于供所述液体工质进入所述真空腔内，所述注液口还用于对真空腔进行抽真空处理。

5.一种如权利要求1所述的柔性均热板的制备方法，其特征在于，包括以下操作步骤：

采用钢模热压工艺制作第一壳板和第二壳板；

在第二壳板的内表面制备支撑柱；

采用静电纺丝工艺在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面原位制备吸液芯；

采用等离子体表面活化技术在吸液芯表面引入大量亲水基团，以对吸液芯进行亲水化处理；

密封连接第一壳板和第二壳板，使第一壳板和第二壳板之间形成有密封腔体，并预留注液口；

对密封腔体通过注液口进行抽真空处理，以使密封腔体形成为真空腔，然后通过注液口注入液体工质后进行密封处理；

通过磁控溅射工艺在第一壳板和第二壳板的外表面制备二氧化硅纳米薄膜，以对第一壳板和第二壳板进行表面镀膜处理。

6.根据权利要求5所述的柔性均热板的制备方法，其特征在于，所述在第二壳板的内表面制备支撑柱的步骤包括：

使用聚丙烯酸水溶液通过模具，在第二壳板的内表面浇筑出支撑柱，放入烘箱进行烘干，聚丙烯酸水溶液浓度为30～40％，烘干温度为70～90℃，烘干时间为4～6h。

7.根据权利要求6所述的柔性均热板的制备方法，其特征在于，所述采用静电纺丝工艺在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面原位制备吸液芯的步骤包括：

使用聚丙烯酸水溶液在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面进行静电纺丝，在支撑柱结构表面形成多孔结构，聚丙烯酸水溶液的浓度为20～30％，静电纺丝的电压为5～10kV，推注速度为0.1～0.2mL/min，接收距离为20～30cm，纺丝时间为6～8h。

8.根据权利要求7所述的柔性均热板的制备方法，其特征在于，所述采用静电纺丝工艺在第二壳板的内表面及支撑柱的侧面原位制备吸液芯的步骤之后，所述对吸液芯进行亲水化处理的步骤之前还包括：

对支撑柱和吸液芯进行热酰胺化：80℃恒温1h；调至150℃，保持2h；升至200℃，保持1h；再升至250℃，保持0.5h；最后升至300℃，保持0.5h，使支撑柱和吸液芯的材料由聚丙烯酸转变为聚酰亚胺。

9.根据权利要求5所述的柔性均热板的制备方法，其特征在于，所述镀膜温度为100～150℃，镀膜时间为4h，镀膜厚度为200～500nm。

10.根据权利要求5所述的柔性均热板的制备方法，其特征在于，所述柔性均热板在抽真空处理中的抗弯刚度K满足如下要求：K＝E×I>1.4，

其中，K为第一壳板和第二壳板的抗弯刚度，单位为N·m；E为材料的弹性模量，单位Pa；I为惯性矩，单位m⁴；P₀为大气压，单位Pa；S为支撑柱的中心距，单位m；T为第一壳板和第二壳板的厚度，单位m；α为应变，无量纲；D为支撑柱的直径，单位m。