面向智能手机领域的超薄微热管制造方法研究与传热性能优化

This project focuses on the urgent requirement of the heat dissipation in the smart phones, aims at the new design and manufacturing methods and the optimization of heat transfer performance of ultra-thin micro-heat-pipes, which are novel heat transfer components in smart phones. The study consists of: (1) to investigate the deformation law and the dimension accuracy controlling method during flattening process of the ultra-thin micro-heat-pipes (with thickness below 0.6 mm); (2) to investigate the design and manufacturing methods of the innovative wick structure and performance coupling mechanism under ultra-thin thickness, and thereby to reveal the manufacturing scale limit of the ultra-thin micro-heat-pipes and the evolution law of their performance; (3) to investigate the malfunction mechanism, the lifetime and the reliability evaluation criteria of the ultra-thin micro-heat-pipes. The project concentrates on not only the engineering applications of ultra-thin micro-heat-pipes, but also the theoretical exploration of the deformation law, the mapping mechanism between heat transfer performance and critical dimension, the regulation method of performance and the evaluation criteria of lifetime during the extreme manufacturing processes. The development of this project can promote the application of ultra-thin micro heat pipes in the high-performance smart phones and other smart terminals, break the heat dissipation bottleneck during the design and manufacturing processes of terminal devices such as smart phones. It can also help reveal the new phenomenon and new law under extreme dimensions (ultra-thin or ultra-long), and thereby provide new sources for interdisciplinary development. This project has characteristics of combining inter-discipline, mechanism study and product development.

项目研究内容围绕当前智能手机领域亟待解决的散热新需求，针对新型核心传热元件-超薄微热管的设计制造新方法及其传热性能优化等问题开展研究：探索超薄微热管（厚度0.6mm以下）在压扁成型中的形变规律及尺寸精度控制方法，探索超薄尺寸下管内壁新型吸液芯结构设计制造方法与性能耦合机制，揭示超薄微热管的制造尺度极限及其传热性能的演变规律，探寻超薄微热管的性能失效机制、寿命及可靠性评价准则等。该项目既重视超薄微热管的前沿工程应用，又凸显超薄微热管极端制造过程中的形变规律、传热性能与特征尺寸间的映射机制、调控方法及寿命评价准则等理论探索。项目的成功开展，将大大促进超薄热管在高性能智能手机及其他智能终端中的应用，突破当前智能手机等终端设备设计制造过程中的热瓶颈；也有助于揭示极限尺寸下（如极薄、极长）产生的新现象、新规律，为多学科交叉发展提供新源泉。本项目具有多学科交叉、机理研究与相关产品开发相结合的特点。

随着智能手机散热瓶颈的日益凸现，其对“超导热元件”超薄微热管的需求厚度已达0.4mm、传热功率为3-5W，而现有超薄微热管存在传热性能差、制造良品率低及成本高等问题，难以满足智能手机应用。基于上述背景，本项目开展了以下五部分研究内容：（1）建立了超薄微热管相变压扁成型过程的有限元分析模型，利用ABAQUS软件对相变压扁过程进行了数值分析，揭示了压扁工艺参数对超薄微热管尺寸精度和表面质量的影响规律。结果表明，壁厚0.1mm、直径分别为2、3、4、5和6mm的微热管压扁到0.5mm厚度的最佳压扁温度分别为150、140、145、140和140℃；直径6mm、壁厚分别为0.12、0.15和0.20mm的微热管压扁到0.6mm厚度的最佳压扁温度分别为150、170和195℃。（2）提出了新型混合螺旋编织丝网的多尺度吸液芯结构，探明了编织方法对吸液芯内部孔隙尺寸、形态和分布以及超薄微热管传热性能的影响规律。结果表明，新型吸液芯结构显著增强了超薄微热管的传热性能，增幅可达33.33%-53.85%。（3）发明了新型带状螺旋编织丝网的超薄吸液芯结构，研究了编织方式和宽度对超薄微热管传热性能的影响规律，开发了基于超薄微热管和智能手机中框的超薄微热管散热模组，分析了工作角度对其散热性能的影响。结果表明，新型吸液芯结构的超薄微热管完全满足智能手机散热需求。（4）提出了液-汽通道截面占比作为度量超薄微热管性能优化的新指标，揭示了液-汽通道截面占比与传热性能的耦合规律，从理论及实验两个方面探明在吸液芯结构相近的情况下，超薄微热管液-汽通道截面最佳比例为67.28%。（5）发明了新型超薄微热管制造工艺，研制了成套高效自动化装备，研究成果已在合作企业成功转化应用，实现了新型超薄热管产品的批量生产和在智能手机上的广泛应用。.本项目针对智能手机散热用超薄微热管的吸液芯结构优化设计、超薄热管制造方法及形变规律、超薄热管传热性能及失效机理等方面进行了系统研究，为高传热条件下超薄微热管的结构设计和性能优化提供了重要指导。项目研究成果已在合作企业——广东新创意科技有限公司成功转化应用，依托项目技术建成了月产100万支超薄微热管生产线，实现了超薄微热管产品的批量生产和广泛应用；同时，广东德镒盟新材料有限公司与项目负责人已签订总金额200万元的技术开发项目，将建立月产300万支超薄微热管自动化生产工厂。