柔性熱管的研究進展與展望

陶 鵬，常 超，郭懷新，陳寰貝，尚 文，鄧 濤

(1.上海交通大學材料科學與工程學院 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海200240)(2.南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點實驗室，江蘇 南京210016)(3.南京電子器件研究所，江蘇 南京210016)

1 前 言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對電子系統(tǒng)的功能和運算速度的需求不斷提高，現(xiàn)代化的電子集成設備正朝著微型化、集成化、高功率化的方向迅速邁進。根據(jù)摩爾定律，集成電路上的電子元器件數(shù)目，每隔18～24個月將會增加一倍。高集成化、高功率的電子器件在運行工作中勢必產(chǎn)生大量的熱量，如不能及時對電子元器件進行有效的熱管理，將會嚴重影響電子元器件的工作穩(wěn)定性、使用壽命，甚至發(fā)生事故。通常電子元器件的工作溫度在-5～85 ℃之間，超過正常工作溫度，則會導致電子元器件工作穩(wěn)定性下降、壽命減少，從而導致整個系統(tǒng)的可靠性下降[1]。有關研究表明，電子元器件使用溫度超過額定工作溫度后，每升高10 ℃，則會導致系統(tǒng)的可靠性下降50%[2]。因此，如何對電子元器件進行有效的熱管理，已經(jīng)成為國內(nèi)外專家學者廣泛關注和重點研究的內(nèi)容之一。

面對嚴峻的電子器件熱管理問題，依靠傳統(tǒng)材料自身的導熱進行散熱已經(jīng)難以滿足當前高熱流密度器件的散熱需求。與之相比，熱管利用內(nèi)部工質(zhì)的氣液相變傳熱，其導熱性能遠遠高于普通金屬材料，具有導熱性能高、結(jié)構(gòu)簡單、均溫性強、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，被視為解決高功率電子器件散熱問題的最有效技術之一[3]。但是，除少量特殊材料制備的熱管和波紋管熱管外，目前的熱管大多數(shù)為剛性結(jié)構(gòu)，不能夠自由彎曲，或彎折后傳熱效率急劇降低。應用于電子器件散熱時，普通剛性熱管的蒸發(fā)段與某些外形復雜的散熱元件表面接觸面積過小或出現(xiàn)接觸表面不貼合現(xiàn)象，嚴重影響了熱管的傳熱效果。因此，在面對形狀結(jié)構(gòu)復雜、散熱空間狹小的微型電子元器件以及可折疊電子器件散熱時，剛性熱管應用受到了極大限制。柔性熱管利用自身可彎曲變形的特點，可實現(xiàn)熱管與某些外形復雜外形元件表面有效貼合，并能夠適應復雜的狹小安裝空間，尤其對相對移動的熱源散熱，發(fā)揮著獨特的作用。此外，當前可折疊、可穿戴電子器件包括有機發(fā)光二極管(OLED)、柔性電子顯示器等迅猛發(fā)展，要求其相應的散熱材料不僅具有較高的導熱性，同時也需要兼具良好的機械柔韌性[4, 5]。因此，開發(fā)可彎曲變形的柔性熱管技術，已經(jīng)成為當今電子散熱領域發(fā)展的新趨勢。

在工作原理上，柔性熱管的工作原理與普通剛性熱管相似，如圖1a所示，外部熱量通過柔性熱管的蒸發(fā)端輸入到熱管內(nèi)部，引發(fā)熱管內(nèi)部工質(zhì)氣化相變，相變產(chǎn)生的氣體迅速擴散到冷凝端冷凝成液體，并釋放出所攜帶的熱量，冷凝后的液體在柔性熱管內(nèi)部吸液芯的毛細力作用下重新送回到蒸發(fā)端，從而完成整個傳熱傳質(zhì)循環(huán)。如圖1b所示，柔性熱管通常由3部分組成：蒸發(fā)端、冷凝端和絕熱端(柔性部分)，與普通熱管的結(jié)構(gòu)存在著一定的差異。其中，柔性部分是柔性熱管的核心技術之一，一方面它連接著柔性熱管的蒸發(fā)端與冷凝端，實現(xiàn)熱管內(nèi)部氣液循環(huán)，另一方面基于柔性連接可實現(xiàn)熱管的彎曲變形，便于安裝和自由地調(diào)節(jié)冷凝端和蒸發(fā)端的相對位置，并且能夠適應頻繁振動或有相對運動條件下電子器件的散熱。

2 柔性熱管的研究現(xiàn)狀

2.1 柔性熱管設計與性能測試

圖1 熱管結(jié)構(gòu)示意圖(a)，柔性熱管結(jié)構(gòu)示意圖(b)Fig.1 Schematics of conventional heat pipe(a)and flexible heat pipe (b)

柔性熱管設計通常分為殼體材料、內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)、柔性連接、內(nèi)部工質(zhì)4個部分。殼體材料的作用是將柔性熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境隔開，并連接外界熱源，外部熱量通過殼體材料進入熱管內(nèi)部。柔性熱管的殼體材料一般要求具有較強的機械強度，能夠承受一定的內(nèi)部壓力，同時具有較好的導熱率，目前常見的殼體材料選用銅、鋁或其他金屬材料。內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)是熱管穩(wěn)定運行的關鍵部件，一方面在熱管內(nèi)部形成易于蒸發(fā)的半月形液面，另一方面為冷凝下來的液體提供足夠大的毛細力，促進冷凝液體回流至蒸發(fā)端。柔性熱管的毛細結(jié)構(gòu)要能夠在熱管發(fā)生柔性變形時保持良好的性能，同時兼具耐腐蝕性、抗沖擊能力等性能，目前常選用金屬絲網(wǎng)作為內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)[6]。如圖2所示，為兼顧毛細吸液和工質(zhì)的存儲，通常采用溝槽與金屬絲網(wǎng)進行復合[7]；為增強其毛細吸液效果，可對金屬絲網(wǎng)表面進行化學處理，在表面引入超浸潤的微納米結(jié)構(gòu)[8]。柔性連接材料的作用是連接柔性熱管的蒸發(fā)端與冷凝端，實現(xiàn)柔性熱管的自由彎曲。柔性熱管連接材料需要具有良好的耐壓性能以及彎曲性能，目前多選用具有良好柔性變形性的金屬波紋管、柔性有機聚合物等材料。內(nèi)部工質(zhì)是柔性熱管傳熱的核心材料，柔性熱管依靠內(nèi)部工質(zhì)不斷地在蒸發(fā)端、冷凝端的相變傳熱，從而使熱量源源不斷地從熱管的蒸發(fā)端傳遞到冷凝端。工質(zhì)的選擇主要取決于工質(zhì)自身的導熱性、比熱容、相變點、腐蝕性等。根據(jù)柔性熱管使用溫度不同，在常溫環(huán)境下(0～200 ℃)，一般選擇水、液氨作為內(nèi)部工質(zhì)。在中高溫領域(大于200 ℃)，多選用有機液體、液態(tài)金屬為內(nèi)部工質(zhì)。

與普通剛性熱管測試類似，柔性熱管需要進行啟動測試、熱阻測試、抗重力測試、耐壓測試等。除此以外，需要對柔性熱管進行彎曲測試、抗拉測試以及在不同彎曲變形下的熱管傳熱性能測試。其中傳熱性能的測試表征與剛性熱管類似，不同之處主要在于要考慮形變的影響。具體測試裝置示意圖如圖3所示[9]，一般在柔性熱管進行一定程度的形變后，記錄下有效的形變曲率半徑(reff)，在熱管的蒸發(fā)端加入一定的熱量q，柔性熱管的冷凝端與恒溫水浴相連，記錄柔性熱管蒸發(fā)端的溫度(Te)與冷凝端的溫度(Tc)，根據(jù)公式(1)，可以計算出熱管的熱阻R：

圖2 柔性熱管毛細結(jié)構(gòu)：(a)未處理的銅網(wǎng)[6]，(b)混合型毛細結(jié)構(gòu)[7]，(c)處理后的銅網(wǎng)[8]Fig.2 Wick structures of flexible heat pipes: (a) untreated copper mesh[6], (b) hybrid wick structure[7], (c) as-treated copper mesh[8]

(1)

依據(jù)計算出的熱阻R，可以進一步計算出熱管的有效導熱率keff：

(2)

(3)

其中：A表示熱量輸入的面積，Le、La、Lc分別表示蒸發(fā)端、絕熱端(柔性部分)、冷凝端的長度。通過公式(1)～(3)可知，當輸入功率不變時，蒸發(fā)端與冷凝端的溫差越小，則柔性熱管的熱阻越小，有效導熱系數(shù)越大，柔性熱管的導熱性能越高。

2.2 柔性熱管分類

根據(jù)柔性熱管的材質(zhì)不同，柔性熱管可以分為金屬柔性熱管、有機聚合物柔性熱管以及金屬-聚合物復合式柔性熱管。

金屬柔性熱管主要包含兩類：一類是利用金屬本身的延展性實現(xiàn)柔性變形，另一類是利用金屬波紋管作為柔性連接材料的熱管。Lee等[9]報道了一種利用銅自身的延展性實現(xiàn)柔性彎曲的熱管，該熱管尺寸為106 mm×36 mm×0.8 mm，采用銅為殼體材料，超親水氧化銅銅網(wǎng)(孔徑75 μm)作為毛細結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，熱管水平放置時有效導熱率為1000 W/(m·K)，在垂直方向運行時有效導熱率可達3000 W/(m·K)，而熱管在彎曲變形后，導熱性能會下降10%～20%。由于受金屬自身延展性變形的限制，此類柔性熱管變形量不大。如圖4所示，利用可伸縮變形的金屬波紋管制成的柔性熱管可實現(xiàn)較大角度范圍內(nèi)的自由彎曲變形。金屬波紋管是一種具有橫向連續(xù)波紋曲線的薄壁圓柱殼體零件，能夠自由收縮、彎曲變形，具有工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，其主要材質(zhì)為不銹鋼、碳鋼、鋁、銅等。金屬波紋管柔性熱管主要利用金屬波紋管將柔性熱管的蒸發(fā)端與冷凝端連接起來，目前報道的波紋管材質(zhì)主要有黃銅、不銹鋼、鋁，工質(zhì)通常選擇為水、丙酮、液氨等。最早的金屬波紋管式柔性熱管是1970年Bliss等[10]報道的銅制波紋管式柔性熱管。該柔性熱管采用水作為工質(zhì)，內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)為不銹鋼絲網(wǎng)，可實現(xiàn)90°彎曲。同樣利用銅制波紋管，美國的Gernert等[11]報道了4種典型的適用于航空航天領域的柔性熱管，采用水作為工質(zhì)，燒結(jié)銅粉作為內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)，能夠傳輸27.5～125 W的熱量，并通過了冷熱循環(huán)、增壓、震動、彎曲等測試。Jaipurkar等[12, 13]報道了兩種不同管徑銅制波紋管柔性熱管，熱管外徑分別為10和6 mm，有效長度為200 mm，分別能夠傳遞80和60 W的熱量。

圖3 柔性熱管導熱性能測試示意圖[9]Fig.3 Schematic experimental setup for measuring heat-transfer performance of flexible heat pipes[9]

我國早在1978年就有對柔性熱管研究工作的相關報道[14]。我國空間技術研究院研制了鋁制波紋管和不銹鋼波紋管兩種不同材質(zhì)的柔性熱管，工質(zhì)分別采用液氨和丙酮，采用不銹鋼網(wǎng)作為內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)，有效長度為400 mm，兩種柔性熱管都能傳遞52 W的熱量，并發(fā)現(xiàn)隨著柔性熱管的彎曲變形，熱管的最大傳熱量會下降。研究人員認為這與內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)的變形導致熱管內(nèi)部液體回流能力降低有關。為了滿足航天器散熱需求，尤其是在可展開式、具有相對運動結(jié)構(gòu)的設備內(nèi)，中國空間技術研究院崔麗萍等[15]報道了一種能在水平方向和反重力方向都能穩(wěn)定運行的柔性熱管。該熱管采用JR8L3金屬軟管作為柔性連接材料，內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)采用不銹鋼纖維氈條和不銹鋼絲網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)，熱管外徑為9 mm，有效長度為355 mm。柔性熱管在水平放置時熱阻僅為0.175 ℃/W，而在反重力運行條件下，熱阻為0.39 ℃/W。

圖4 金屬波紋管柔性熱管照片(a)，波紋管截面照片(b)[12]Fig.4 Photographs of the flexible heat pipe connected with bellows (a) and cross-section of the bellows section(b)[12]

利用金屬作為殼體材料，金屬柔性熱管不僅具有較高的導熱率、較低的熱阻，而且可以達到較高的結(jié)構(gòu)強度，能夠承受比較大的內(nèi)部壓力，保證熱管穩(wěn)定運行。同時，金屬柔性熱管便于大規(guī)模生產(chǎn)加工，在實際應用中便于安裝固定，因此，金屬柔性熱管具有良好的實用價值和應用前景。但是，受金屬材料自身的延展性以及波紋管的形變的限制，金屬柔性熱管一般變形量較小。同時，采用金屬管作為蒸發(fā)端和冷凝端往往約束了其與電子器件之間的有效接觸，進而導致蒸發(fā)端和冷凝端熱阻較大。特別是針對可折疊電子器件的熱管理，需要進一步研發(fā)新型超薄型柔性平板熱管，增強其與電子器件的接觸，適應電子器件的微型化、高度集成化發(fā)展趨勢[16, 17]。此外，金屬在多次變形時容易發(fā)生疲勞斷裂，在某些場合需要對柔性熱管進行絕緣性處理。

有機聚合物式柔性熱管是指利用柔性有機聚合物為封裝殼體材料的一類熱管。與金屬材料相比，有機聚合物具有良好的柔韌性、絕緣性、輕質(zhì)等優(yōu)點，可滿足柔性可折疊電子器件、航空航天減重器件等特殊服役條件下的散熱要求，當前報道的聚合物基熱管通常選用硅橡膠、聚乙烯等作為熱管的殼體材料。2012年Wu等[18]報道他們利用聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene-terephthalate，PET)作為殼體材料，通過添加銅網(wǎng)毛細結(jié)構(gòu)并進行封裝，制備了長度為75 mm、厚度僅僅只有1.8 mm的柔性熱管。如圖5a所示，為了保持熱管內(nèi)部氣體正常流動，防止熱管在抽真空除氣時發(fā)生坍塌，熱管內(nèi)部采用橡膠(rubber)作為支撐材料。如圖5b所示，該柔性熱管在傳遞26 W熱量時，蒸發(fā)端與冷凝端溫差僅為5 ℃，熱管最小熱阻為0.157 ℃/W，最高有效導熱系數(shù)為13 261 W/(m·K)。由于受PET材料的限制，熱管柔性變形范圍不大，只能實現(xiàn)45°彎曲變形。Oshman等[6, 19, 20]利用液晶聚合物材料作為柔性熱管的殼體材料，通過采用光刻技術，構(gòu)筑了熱管內(nèi)部微槽道，并與銅網(wǎng)復合形成混合型毛細結(jié)構(gòu)。該柔性熱管尺寸只有40 mm×40 mm×1.2 mm，但能夠傳遞40 W的熱量，在失重和超重的情況下仍然保持了良好傳熱性能，其最大有效熱導率可達1653 W/(m·K)。此外，采用Impak公司的PAVVF4W復合材料(PET/PE/Al)作為基體，銅網(wǎng)作為內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)，導熱率可達銅導熱率的4.6倍，但質(zhì)量只有銅的1/5。Hsieh等[21]報道了一種利用硅橡膠為殼體材料的柔性熱管(80 mm×20 mm×4 mm)。該熱管采用熱壓成型技術，將硅橡膠置于模具內(nèi)施加一定壓力，加熱升溫到270 ℃保持3 min，冷卻固化后得到所需樣品。為增強柔性熱管的導熱性能，在熱管的蒸發(fā)端與冷凝端嵌入銅片，內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)采用4層、孔徑為60 μm的銅網(wǎng)，采用水作為工質(zhì)。該熱管利用硅橡膠的柔性可實現(xiàn)90°的彎曲變形，最小熱阻為5 ℃/W，最大傳熱量為12.7 W。此外，聚合物柔性熱管還采用聚酰亞胺[22, 23]、聚乙烯[24]作為殼體材料，傳熱量在2～16 W之間。

圖5 聚合物柔性熱管結(jié)構(gòu)示意圖(a)，熱管性能紅外測試(b)[18]Fig.5 Structure schematic of the polymer flexible heat pipe (a), IR image of the heat pipe at 26 W(b)[18]

相對于金屬型柔性熱管，利用有機聚合物高彈性、柔性大的特性，有機聚合物柔性熱管能夠達到90°以上的彎曲變形，并且可以實現(xiàn)熱管蒸發(fā)端與某些外形復雜的電子元件表面有效貼合，尤其適用于曲面熱源散熱、粗糙表面散熱等復雜情況。但是，由于有機物聚合物的導熱率低、軟化溫度低、熱膨脹系數(shù)大，導致此類熱管傳熱量小，使用溫度范圍窄，僅適用于發(fā)熱功率低的電子器件。此外，有機聚合物柔性熱管在抽真空時容易坍塌，導致有機物柔性熱管內(nèi)部負壓較小，傳熱性能較差。同時，有機聚合物材料還存在著氣密性問題，制備封裝的柔性熱管的真空度難以長時間保持。因此，有機物聚合物柔性熱管關鍵在于提高柔性聚合物的導熱率、強度、柔韌性、氣密性等性能。已有的研究結(jié)果表明：通過開發(fā)新型聚合物材料以及在聚合物殼體材料中復合一定量的金屬材料，例如在聚酰亞胺表面覆銅[25]，或者在聚合物材料基體中添加Ag[26]、BN[27]等納米顆粒，可以實現(xiàn)在不影響柔韌性的前提下提升導熱性、氣密性；采用MEMS技術在聚合物熱管中添加支撐柱等結(jié)構(gòu)，可以增強熱管機械穩(wěn)定性，進而有效避免熱管在抽真空過程中發(fā)生坍塌等問題[28]；對熱管內(nèi)表面進行適當化學修飾可以降低可能發(fā)生的聚合物材料與工質(zhì)之間的物理化學作用，從而保證熱管性能的穩(wěn)定性，延長熱管的工作壽命。

第3種柔性熱管是金屬與聚合物復合型熱管，在蒸發(fā)端與冷凝端采用金屬材料，在柔性連接部分采用聚合物。此類熱管一方面利用金屬材料良好的導熱性能，實現(xiàn)蒸發(fā)端與冷凝端迅速換熱的效果；另一方面，利用聚合物材料良好的柔性，實現(xiàn)熱管的彎曲變形。目前此類柔性連接材料多選用聚氨酯、氟橡膠等。例如，2015年Yang等[8, 29]報道了一種利用聚氨酯材料作為柔性連接部分、銅作為蒸發(fā)端與冷凝端的復合柔性熱管(圖6)。該熱管長450 mm，直徑為5 mm，內(nèi)部采用仿生親水結(jié)構(gòu)的納米材料作為毛細材料，水作為工質(zhì)，充液率為20%～40%。該熱管在傳遞12 W熱量時熱阻僅為0.008 ℃/W，并且在彎曲120°時仍能夠穩(wěn)定運行。在此基礎上，該團隊通過采用耐高溫、高彈性、低熱阻的氟橡膠作為柔性連接材料，利用內(nèi)置彈簧作為內(nèi)部毛細材料的支撐結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)熱管能夠完成在180°范圍內(nèi)的彎曲，傳熱效果是同樣尺度銅的3倍[8]。除普通柔性熱管以外，其他形式的柔性熱管也有相關報道。Qu等[30, 31]報道了一種利用氟橡膠作為柔性連接材料，溝槽型銅管作為蒸發(fā)端和冷凝端的柔性脈動熱管。該熱管能夠彎曲成“N”型，隨著彎曲程度的加劇，熱管的啟動溫度逐漸提高，熱管的性能也隨之下降。Zhou等[32]報道了以鋁作為蒸發(fā)端與冷凝端材料、聚氨酯管作為柔性連接部分的柔性環(huán)路熱管。該柔性熱管在傳遞100 W熱量時，熱阻僅為0.2 ℃/W。

復合型柔性熱管一方面解決了金屬柔性熱管彎曲變形小的缺點，另一方面在蒸發(fā)端與冷凝端采用金屬材料，大大提高了柔性熱管的傳熱性能。在加工工藝上，復合型柔性熱管的關鍵技術在于有機聚合物與金屬材料的連接封裝，目前報道的復合型柔性熱管多采用粘結(jié)和機械固定相結(jié)合的封裝方法。此類封裝方法強度較低，僅僅滿足傳熱量較低的情況。為實現(xiàn)大功率、集成化電子芯片的散熱，需要進一步提高有機聚合物與金屬材料的連接特性，如采用化學鍵合[33]、機械密封[34]、焊接連接[35]等方法。此外，當前報道的復合型柔性熱管多為管狀，針對柔性電子器件以及狹窄空間的散熱，需要進一步開發(fā)平板狀等其他形式的熱管。

圖6 金屬-聚合物復合柔性熱管結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖[29]Fig.6 Configuration schematic of metal-polymer composite flexible heat pipe and a photograph of the fabricated heat pipe[29]

2.3 柔性熱管傳質(zhì)理論分析

柔性熱管的傳熱極限取決于內(nèi)部毛細力的大小，而柔性熱管在發(fā)生變形時，蒸汽在彎道處會受到更大的流動阻力，因此需要柔性熱管內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)提供更大的毛細壓力，保證熱管正常工作。Oshman等[7]對柔性熱管的傳熱極限做出了理論上的分析，假設存在最大毛細作用力(ΔPc,max)。當柔性熱管穩(wěn)定運行時，最大毛細力需要克服液體壓力損失(ΔPL)、氣體壓力損失(ΔPv)、蒸發(fā)端與冷凝端的相變損失(ΔPph,e，ΔPph,c)以及加速度引起的損失(ΔP‖)：

ΔPc,max≥ΔPL+ΔPv+ΔPph,e+ΔPph,c+ΔP‖

(4)

其中，最大毛細力ΔPc,max可根據(jù)Young-Laplace公式計算：

(5)

式中σ為工質(zhì)的表面張力，θ表示毛細材料的接觸角，rc為毛細半徑。

液體壓力損失ΔPL可以根據(jù)Fahgri[36]的公式計算得出：

(6)

其中μL為熱管內(nèi)工質(zhì)的粘度，L為熱管的有效長度，K毛細材料滲透率，Aw為熱管的橫截面積，hfg為工質(zhì)的汽化潛熱，q為熱管傳遞的功率。

當柔性熱管發(fā)生柔性變形時，熱管內(nèi)蒸汽流動壓力損失ΔPv可以根據(jù)公式(7)計算得出：

(7)

其中，C為常數(shù)，取決于Mach數(shù)；fv為摩擦系數(shù)，Rev為氣體的雷諾數(shù)，μv為氣體的粘度，rh,v為氣體的流道半徑，Av為流道橫截面積，hm為流過彎道的壓力損失。當柔性熱管不發(fā)生變形時，hm為0；當柔性熱管發(fā)生彎曲變形時，hm可由公式(8)和(9)計算得出：

(8)

(9)

其中v為氣體的速度，g為重力加速，D為熱管的內(nèi)徑，R為熱管的彎曲半徑，α為柔性熱管的彎曲角度。通過公式(8)和(9)可以看出，柔性熱管的最大傳熱極限與熱管彎曲角度和彎曲半徑有關，即隨著彎曲角度的增加、彎曲半徑的減小，氣體在熱管內(nèi)流動壓力損失會增大，柔性熱管的傳熱性能降低。

3 柔性熱管的應用

鑒于柔性熱管具有高導熱率、可彎曲變形、輕質(zhì)、穩(wěn)定性高等優(yōu)異的性能，其已經(jīng)在航空航天、電子信息、國防科技等眾多領域得到了廣泛應用。圖7為柔性熱管應用于筆記本電腦和手機散熱[37]。

圖7 柔性熱管在筆記本電腦(a)和手機(b)中的應用[37]Fig.7 Application of flexible heat pipes in thermal management of laptop (a)and mobile phone (b)[37]

在航空航天領域，為了減輕飛行器的重量、節(jié)約成本、提高維護性，電子器件的集成度、微型化程度不斷提升，對散熱的需要也隨之增加。柔性熱管能夠依靠內(nèi)部毛細力完成液體回流，不需要額外的動力源，可在失重超重情況下自行驅(qū)動運行，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性，是當前解決航空航天領域高功率器件散熱的一種重要技術。目前，美國的Swales Aerospace公司、Thermacore公司已經(jīng)開發(fā)出相關的柔性熱管并應用于航天飛行器的熱控(圖8所示)。例如，在美國Navy F/A-18飛行器中，利用柔性熱管技術，將飛行器中的副翼、后緣襟翼制動器內(nèi)電子器件的熱量及時傳遞到外部冷卻[11, 38]。副翼制動器內(nèi)部的柔性熱管長73.66 cm，采用銅波紋管作為柔性連接材料，采用燒結(jié)銅粉作為內(nèi)部毛細材料，熱管在傳遞44.5 W的熱量時蒸發(fā)端和冷凝端僅僅存在4 ℃溫差。在美國F-14D飛行器的電腦終端，同樣利用柔性熱管技術，將電子器件產(chǎn)熱傳遞到外部散熱。該柔性熱管長81.28 cm，在傳輸125 W熱量時蒸發(fā)端與冷凝端溫差僅僅9.5 ℃。

圖8 飛行器內(nèi)的柔性熱管[11, 38]Fig.8 Photography of flexible heat pipes for aircrafts[11, 38]

美國Ball Aerospace and Technologies公司[39]為了解決哈勃太空望遠鏡的電荷耦合器件(charged-coupled device，CCD)散熱問題，研制出一種以液氨為工質(zhì)、不銹鋼軟管作為柔性連接材料的柔性熱管。該熱管滿足在-24 ℃下傳遞30 W熱量的散熱需求，并通過了微重力、疲勞、偏心等測試。

在大型天文望遠鏡中，焦面散熱問題一直是制約天文望遠鏡發(fā)展的因素之一。由于在天文望遠鏡工作中，焦面需要前后移動和繞軸轉(zhuǎn)動，一般的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)需要配備循環(huán)水泵、循環(huán)管路，這給實際應用維護造成諸多不便。對此，張建成等[40]提出將不銹鋼柔性熱管應用于天文望遠鏡的焦面散熱上，利用內(nèi)部丙酮工質(zhì)相變傳熱，可將焦面產(chǎn)生的熱量及時傳送到鏡筒外部，并且柔性熱管可隨焦面運動，無需外加冷卻循環(huán)泵和循環(huán)管路，降低了維護成本，提升了系統(tǒng)的適應性。

除此之外，柔性熱管在消費電子，尤其是解決具有相對運動的器件的散熱問題中發(fā)揮著重要作用。在Yang等[8]的研究中，將柔性熱管運用到可折疊式電子產(chǎn)品中，柔性熱管可傳遞40 W的熱量，傳熱性能是相同條件下銅管的3倍，而且柔性熱管的熱響應速度快，在5 min內(nèi)即可達到穩(wěn)定狀態(tài)，并能夠維持均溫性。中國臺灣的研究人員報道了一種用于LED散熱的聚合物柔性熱管[41]，該熱管采用FR4聚合物作為熱管的柔性殼體，水作為工質(zhì)。相對于普通金屬熱管，F(xiàn)R4聚合物板可作為安裝LED的基板，LED直接與柔性熱管外殼封裝，從而減少LED與熱管之間的熱阻，提高LED的散熱性能。研究表明，采用柔性熱管作為LED散熱基板，當傳輸功率為16 W時，器件的熱阻僅為3.85 ℃/W，相對于無熱管的普通封裝，該技術可使熱阻減少57%。

4 結(jié) 語

本文簡要介紹了柔性熱管的基本原理、制作工藝、研究進展和應用領域。相對于傳統(tǒng)依靠固體導熱方式進行散熱，柔性熱管技術基于氣液相變進行傳熱，具有導熱率高、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強、尺寸小、便于使用等優(yōu)點，能夠克服常用剛性熱管不易折疊變形或形變會導致傳熱性能大幅降低的缺點，因此具有廣闊的應用前景和潛在的商業(yè)價值。然而目前的柔性熱管技術仍然存在許多問題，在實際應用中面臨諸多挑戰(zhàn)，未來的研究方向主要包括以下幾個方面：

(1)加強對柔性熱管的傳質(zhì)傳熱的理論研究。目前基于經(jīng)典傳熱學理論，傳統(tǒng)的剛性熱管理論模型已經(jīng)完善，而對于柔性熱管的理論還需要進一步探索，尤其是柔性熱管發(fā)生變形時，熱管內(nèi)部傳熱傳質(zhì)機理尚未揭示，對柔性熱管的性能難以做出準確的預測。

(2)優(yōu)化柔性熱管內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)的性能。目前的毛細結(jié)構(gòu)多采用金屬銅網(wǎng)或燒結(jié)銅粉，毛細結(jié)構(gòu)的親水性能和機械性能較差。柔性熱管在彎曲時內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)容易受損，尤其是在劇烈反復彎折運行中，內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)極易受到破壞，從而導致柔性熱管傳熱性能下降。在這方面，可以借鑒柔性電子器件的制備與加工工藝，通過采用電鍍、原位化學生長、化學修飾、熱處理等方法對毛細結(jié)構(gòu)進一步強化，增強內(nèi)部毛細結(jié)構(gòu)的性能。

(3)提高有機聚合物柔性熱管的適用范圍。有機聚合物式柔性熱管具有較好機械柔韌性，但是由于有機聚合物適用范圍有限，導致其使用范圍較小，僅限于溫度不高的小功率器件。因此，需要研制新型耐高溫、高強度、彎曲性好的有機聚合物，也可以通過采用金屬-聚合復合材料作為殼體材料，以滿足大功率器件熱管理的要求。

(4)增強柔性熱管在彎曲變形中的傳熱性能。柔性熱管在彎曲過程時，氣體流動和液體回流都會受到損失，尤其是在大彎曲率時，柔性熱管的傳熱性能急劇下降。因此，需要新的優(yōu)化設計，如增大柔性熱管內(nèi)部氣流空間、增強毛細結(jié)構(gòu)的回流特性，從而保證柔性熱管在大范圍彎曲條件下的穩(wěn)定工作。

(5)深入開展柔性熱管穩(wěn)定性、可靠性的研究。為了實現(xiàn)柔性熱管能夠在溫度驟變、高溫高壓、逆重力等情況下的實際應用，在柔性熱管的設計時需要同時兼顧良好的機械柔韌性、較高的導熱率、高強度、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕等性質(zhì)。特別是薄壁金屬柔性熱管的焊接、柔性材料與剛性材料的連接問題，可考慮綜合利用擴散焊接、激光焊接、釬焊、機械密封等方法，增強柔性熱管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而推進柔性熱管的實際應用。

(6)電子器件向著柔性化、可折疊化、高集成化的趨勢發(fā)展，要求柔性熱管向超薄化發(fā)展，而柔性可穿戴電子器件的熱管理也應該成為柔性熱管一個重要應用領域。