超级均热基板的开发及机理研究

With the rapid development of modern mobile electronics, due to lack of means to strengthen the external heat transfer in the limited space, heat dissipation of these devices becomes more and more difficult. Therefore, it becomes critical that the heat at the internal hot spots can be quickly spread to the whole external surface. Flat plate heat pipe has the advantages of light weight, easy startup and high heat transfer performance, thus effectively resolving the "hot spots" problem, and further reducing the temperature difference and thermal stress in these devices. .Combined the development of superhydrophilic porous material through generating nanoscale trenches on fine mesh by anisotropic etching with the unique wick structure design which can reduce vapor-liquid counterflow friction, a heat pipe type thermal ground plane (TGP) developed herein has an equivalent thermal conductivity approaching to infinite even when the inner space height is less than 1mm, which has made significant contribution to this research field. This research project will focus on the study of this special thermal ground plane. Through in-depth understanding of the mechanism of fluid transportation inside the superhydrophilic porous material, to further expand its size limit and explore the limitation of its heat transfer perforamnce, and to explain the anomalous temperature inverse increase phenomenon occurring in this TGP are the main research motivations.

目前，随着移动电子设备的快速发展，在有限散热面积及较小传热系数条件下，这些设备的散热变得越发困难，因此将这些器件内部的热量快速扩展至整个散热面就变得至关重要。平板热管具有体积小重量轻、启动温差小、可快速向四周传热，进而有效消除“热斑”问题，从而使整个器件的温度分布更加均匀，达到降低器件温度以及内部热应力的目的。基于平板热管技术，项目申请人在均热基板领域已经取得前期进展。结合在微米网丝上直接生成纳米沟槽的超亲水类复合多孔材料以及可以显著降低汽液相对流动摩擦阻力的特殊毛细芯结构，获得了厚度小于1毫米具有极高当量导热系数的均热基板。本研究项目将围绕该特殊均热基板展开研究，通过对超亲水多孔材料内部液体输运机理的深入理解，进一步拓展其尺寸极限以及探求其传热极限，并试图从理论上解释其温度反常逆增现象。

目前，随着移动电子设备的快速发展，在有限散热面积及较小传热系数条件下，散热变得越发困难，因此将这些器件内部的热量快速扩展至整个散热面就变得至关重要。基于平板热管技术，项目申请人结合在微米网丝上直接生成纳米沟槽的超亲水复合多孔材料以及可以显著降低汽液相对流动摩擦阻力的特殊毛细芯结构，提出了一种特殊均热基板结构。主要研究内容以及科学意义如下，.(i) 超亲水多孔介质制备及其对液体输运的强化。相比于传统的在铜丝表面额外构筑一层微纳尺度结构，本课题在铜丝表面刻蚀出一系列纳米或亚微米尺度沟槽，制备出具有超亲水特性的铜网。然后，从表面形貌、晶体结构、化学成分等方面对所制备铜网超亲水特性的形成机理进行了分析，揭示了基于酸蚀刻纳米沟槽超亲水铜丝网的亲水机制。.(ii) 该超级均热基板独特的汽液两相流行为。本课题制备了可视化用超薄平板热管，其内部空间高度为0.5 mm。分别在自然对流冷却和循环水冷却两种冷却模式下，仔细研究了该超薄平板热管内部相变过程和汽液两相流动特性，定性得出在微小尺寸条件下，封闭空间内气液两相流的流行以及干涸特征。.(iii) 该均热基板内部能量守恒及温度逆增现象。本课题对厚度、充液率、重力、热源尺寸、以及冷却方式对超薄均热板的性能影响，进行了详细的测试以及性能归纳，获得了超高当量导热系数的均热板，为移动电子的冷却提供了一种可靠途径。同时，提出了一种基于能量守恒的热管工质沿程温度变化热力学模型，分析了均热板内部气液两相流的温度分布，定性指出影响该分布的主要因素。.(iv) 材料、充液率及尺寸对该均热基板的性能影响。本课题首先制备了平面面积为100mmX50mm且厚度分别为2 mm、0.95 mm和0.5 mm的平板热管。详细研究了加热功率、热源大小、充液率、重力等因素对其工作特性的影响。然后，基于相同气液循环原理，制备了平面面积为400mmX200mm超大铝基均热板，进一步拓展了均热板尺寸以及环路热管设计，为大功率电子、电力以及通信设备提供了多种很有前景的热管理解决方案。