激光制備微熱管復合溝槽吸液芯及毛細壓力驗證

況 旭，魏 昕，謝小柱，汪永超

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東 廣州 510006）

1 引言

隨著電子元器件的高性能、集成化和微型化，微熱管成為小空間熱量控制最受歡迎的元件。溝槽式微熱管憑借結構簡單，適應性好以及優(yōu)異的導熱性能，被廣泛的應用于航空航天、LED 照明、電動汽車等散熱領域[1]。溝槽式微熱管通過在管內壁加工出微型溝槽作為吸液芯結構，提供工質液體流動通道，高效進行熱量傳遞。目前制備微熱管溝槽吸液芯的方法主要有旋壓成形法[2]、犁削法[3]、電花火加工法[4]、電解加工法[5]等，這些方法受限于加工尺寸和精度，制約了溝槽式微熱管的發(fā)展前景。激光刻蝕法已經被證實是一種適合微熱管微納米級溝槽加工的方法，激光刻槽技術具有高效性、無損傷和高精度等優(yōu)勢，將進一步促進溝槽式微熱管的應用。吸液芯結構是微熱管重要組成部分，一定程度上決定微熱管的傳熱性能。近年來，多種新型的吸液芯結構相繼被提出工質表，如斜齒型微溝槽吸液芯[6]、軸向不等寬溝槽吸液芯[7]等，促進了微熱管傳熱性能的提升。毛細壓力是由多相界面面張力產生的附加壓力，微熱管技術中將毛細壓力作為吸液芯結構優(yōu)良的關鍵評價指標。微熱管工作時，毛細壓力有效促進微熱管工質液體從冷凝端回流到蒸發(fā)端，從而促進微熱管的循環(huán)傳熱，增強微熱管傳熱性能。因此，良好的吸液芯結構必須具備較大毛細壓力。

借助激光刻蝕法的優(yōu)勢來制備微熱管復合溝槽吸液芯，這種復合溝槽結構由主溝槽和次溝槽構成，具有良好的表面質量。然后通過經驗公式建立復合溝槽吸液芯毛細壓力數學模型，得出微熱管內吸液芯毛細壓力沿軸向分布情況，理論證明復合溝槽能夠提供較大的毛細壓力，從而增強微熱管的傳熱性能。

2 實驗設置

2.1 實驗材料

采用純度高于99%的紫銅作為基板材料，尺寸大小為（100×20×2）mm。實驗前，依次用 600、800、1000 目 SiC 砂紙將銅基板表面打磨到無明顯劃痕，并分別使用去離子水和無水乙醇對銅基板進行超聲波清洗預處理，除去基板表面的有機雜質和油污，為獲得良好的溝槽結構。

2.2 實驗設備

采用的加工設備為波長1064nm 的YLPM 系列脈沖光纖激光器，激光連續(xù)輸出時最大功率為20W，光束質量M2＜1.5，激光光斑直徑為40μm。激光器的輸出功率、重復頻率、脈沖寬度、掃描速度等工藝參數均可根據實際加工情況進行調整。

實驗后的檢測設備選擇OLS4000 激光共聚焦顯微鏡和S-3400N-Ⅱ掃描電子顯微鏡。激光共聚焦顯微鏡主要是觀察加工后復合溝槽的三維形貌并測量復合結構的幾何尺寸，其放大倍率可達到17280 倍，平面分辨率120nm；掃描電子顯微鏡則更好觀測激光刻蝕獲得的復合溝槽的表面微觀形貌，可進一步加強復合溝槽的分析，其放大倍數為（5～300000）倍，檢測精度更高。

2.3 參數選擇

激光刻蝕過程中，激光工藝參數是影響復合溝槽加工質量的關鍵因素。主要激光工藝參數包括激光功率、重復頻率、脈沖寬度、掃描速度和掃描次數，各工藝參數對加工效果產生的交互作用，使得工藝參數的選擇較為復雜。通過積累前人研究及前期實驗，采用單因素實驗進行工藝試驗，獲得最優(yōu)工藝參數。激光刻蝕復合溝槽選擇的較佳的工藝參數，如表1 所示。

表1 脈沖光纖激光加工工藝參數Tab.1 Processing Parameters of Pusle Fiber Laser

2.4 實驗結果

選擇表1 中優(yōu)化的工藝參數進行微熱管復合溝槽激光刻蝕實驗，檢測分析前分別對樣件進行了丙酮超聲波和水清洗等處理過程，去除工件表面遺留的殘屑。實驗后激光共聚焦觀測的良好復合溝槽形貌，主溝槽和次溝槽均勻分布，如圖1 所示。激光刻蝕主溝槽時，由于激光作用材料的高能量，材料蒸氣將會向外噴射，短時間內重新凝結形成熔凝物堆積在主溝槽兩側形成次溝槽。在激光燒蝕研究中，靶材團簇噴出并重新凝結在材料表面已被認為是相當普遍的現象，文獻[8]通過建立激光誘導微納顆粒飛濺并重新凝結的數學模型，得到的激光作用中顆粒運動形成圖，這一研究有利證明了激光刻蝕中復合溝槽次溝槽的形成過程[2]，如圖2所示。

圖1 復合溝槽三維形貌Fig.1 3D Morphology of the Composite Grooves

圖2 微納顆粒形成過程圖Fig.2 Micro Nanocrystalline Particle Formation Process

激光刻蝕得到復合溝槽結構主要尺寸參數，如表2 所示。復合溝槽尺寸達到微米級，不僅成功縮小了微熱管的空間，還表現出微尺度性能如親水性能，使得微熱管的傳熱性能更加增強。為進一步觀測復合溝槽結構的加工質量，采用掃描電子顯微鏡觀測復合溝槽的微觀形貌。復合溝槽的微觀形貌圖，如圖3 所示。主溝槽兩側重新凝固的熔凝物均勻牢固，具有良好的致密性，且溝槽平整光滑，可有效減少工質液體在溝槽通道的流動阻力。同時次溝槽頂部形成微納顆?？稍龃笳舭l(fā)端工質沸騰的比表面積，加速工質的沸騰，增強微熱管的傳熱。因此，激光刻蝕得到的復合溝槽不僅結構均勻，表面質量好，而且還具有一些特殊性能，增強微熱管的傳熱性能。

表2 復合溝槽主要尺寸參數Tab.2 The Dimension Parameter of Composite Grooves

圖3 復合溝槽微觀形貌Fig.3 Microcosmic Morphology of Composite Grooves

3 吸液芯毛細壓力軸向分布模型

3.1 模型建立

微熱管是依靠工質在微小空間內的液汽相變來實現熱量傳遞[9]。微熱管正常工作時，冷凝液體需要快速有效地回流到蒸發(fā)端參與熱量運輸，而吸液芯毛細壓力正是驅動冷凝液體回流的作用力。因此，吸液芯毛細壓力成為評價吸液芯結構優(yōu)異的重要因素。

吸液芯毛細壓力是由工質表面張力引起的彎曲液面兩側的附加壓力。在兩相之間的界面中，往往由于分子間相互作用力導致一些特殊界面現象。微熱管中汽液界面由于固體分子對液體表層分子的吸引力，使得液體表面發(fā)生彎曲，彎曲液面上下存在著附加壓力，微熱管技術把彎曲液面兩側的壓差稱為吸液芯毛細壓力。研究發(fā)現微熱管中吸液芯結構產生的毛細壓力主要由表面張力、固液接觸角和有效毛細半徑決定，可根據著名的Young-Laplace 方程[10]來得到：

式中：△Pc—吸液芯毛細壓力；σ—液體表面張力系數；θ—固液接觸角；rc—吸液芯有效毛細半徑。

復合溝槽吸液芯截面示意圖，如圖4 所示。復合溝槽吸液芯毛細壓力可分為兩部分：主溝槽毛細壓力和次溝槽毛細壓力，數學表示為：

圖4 復合溝槽吸液芯截面示意圖Fig.4 Section Diagram of Composite Grooves

有效毛細半徑rc是指吸液芯等效毛細孔的毛細半徑。將復合溝槽主溝槽和次溝槽截面形狀近似三角形，如圖5 所示。建立簡易的三角形溝槽結構計算模型，可得三角溝槽有效毛細半徑rc的數學表達式為：

式中：w—溝槽寬度；h—溝槽深度。

圖5 三角形溝槽結構計算模型Fig.5 Simplified Analysis Model of Composite Grooves

文獻[12]已證明了激光在銅基板表面作用產生微納粗糙結構，材料表面將會生成一層超親水性的CuO 薄膜，增強了銅基板表面的潤濕性能。通過接觸角測量儀進行復合溝槽表面接觸角測量，進一步證實復合溝槽表面的超親水性，復合溝槽固液接觸角近似 0°。

將式（3）代入式（2），溝槽表面固液接觸角取0°，得到復合溝槽吸液芯毛細壓力數學表達式：

由上式可得，當微熱管工質確定后，吸液芯毛細壓力大小主要由汽液界面接觸的結構尺寸決定。然而隨著復合溝槽幾何尺寸減小，微熱管傳熱過程以及氣液兩相逆向流動過程將更加復雜，氣液界面形狀沿軸向存在差異。微熱管內工質液體及有效毛細半徑沿軸向呈現梯度分布，如圖6 所示。這是由于微熱管穩(wěn)態(tài)工作時，工質液體在蒸發(fā)端吸熱迅速蒸發(fā)，導致液體量最少，集中在尖角區(qū)域，從而形成溝槽結構有效毛細半徑最??；而冷凝段高熱量蒸發(fā)遇冷冷凝成大量的液體，從而溝槽結構有效毛細半徑最大。

圖6 微熱管工質液體軸向分布Fig.6 Working Fluid along the Axial Distribution

假設微熱管吸液芯軸向有效毛細半徑變化為一個簡單的線性函數，根據微熱管兩端有效毛細半徑，可推導出沿軸向分布的吸液芯有效毛細半徑：

式中：re—微熱管冷凝末端的有效毛細半徑；

rv—微熱管蒸發(fā)前端的有效毛細半徑；

L—微熱管的總長度，L=100mm；

x—到蒸發(fā)端的距離。

將式（6）代入式（2），可以得到吸液芯毛細壓力的軸向分布：

3.2 模型求解

當微熱管蒸發(fā)段工質液體滿足不了蒸發(fā)需要量時，吸液芯會發(fā)生干涸，微熱管此時達到毛細極限狀態(tài)，此時蒸發(fā)端有效毛細半徑為0，即re=0。而冷凝端最大有效毛細半徑rv根據表2 復合溝槽尺寸參數可計算得到。最后利用MATLAB 軟件仿真得到的吸液芯毛細壓力軸向分布，如圖7 所示。從圖7 可以看出，微熱管蒸發(fā)端毛細壓力最大，可達3.1×105Pa，這是由于蒸發(fā)端汽液界面溫度高，分子運動加劇，液相表面張力加大；同時液體不斷被蒸發(fā)導致溝槽有效毛細半徑減小，從而增大毛細壓力。同時，復合溝槽兩端毛細壓差明顯高于單一溝槽，說明復合溝槽提供較大的毛細壓力，從而使得復合溝槽微熱管具有優(yōu)異的傳熱性能。

圖7 吸液芯毛細壓力軸向分布Fig.7 Capillary Pressure Along the Axial Distribution

4 結論

溝槽式微熱管憑借結構簡單、質量輕和良好的導熱性能，具有良好的應用前景。借助激光刻蝕技術優(yōu)勢制備出微熱管復合溝槽吸液芯，這種復合溝槽結構由主溝槽和次溝槽組成，具有良好的表面質量；然后建立復合溝槽吸液芯毛細壓力分布數學模型，得到復合溝槽毛細壓力的軸向分布狀況，證明了復合溝槽提供較大的毛細壓力，從而使得微熱管具有優(yōu)異傳熱性能。