多尺度吸液芯结构的仿生设计、激光成型与性能研究

微热管因其超高的有效导热能力在芯片散热等光电器件热控制领域应用前景光明，设计和制造高毛细吸力、高渗透率和高导热能力的吸液芯是开发高性能微热管的迫切需求。本项目重点围绕微热管核心技术-毛细吸液芯，采用树状结构仿生设计，依托激光精密成型技术，对其多尺度结构的制造理论、方法和性能开展研究，获得径向和轴向微孔半径和孔隙率都可变可控的高性能吸液芯，从而兼顾提高毛细吸力并降低流阻。主要研究内容包括：（1）复杂毛细吸液芯结构的仿生优化设计和形貌表征；（2）基于选区激光熔化技术的多尺度毛细吸液芯结构成型方法；（3）吸液芯对流传热传质机理；（4）吸液芯性能测定与分析。本项目不仅开创性地提出了吸液芯树状结构仿生设计理论，而且提出了解决小微孔半径－高液体渗透率吸液芯成型问题的新思路，将为我国光电子热控制领域微热管制造和应用提供理论和技术支撑。

本项目重点围绕毛细吸液芯的多尺度微通道结构，采用树状仿生设计，依托激光精密成型技术，研究其设计、制造理论与方法和微通道内对流及相变传热机理。主要研究成果如下：（1）阐明了树状Y型分叉结构的分叉角、分叉级数对流动阻力与传热效率的影响，以及管内流动泊松数与相对粗糙度及雷诺数的关系，为树状结构设计提供了理论依据。（2）提出激光成型悬垂结构件的实质是残余热应力、结构应力与成型件屈服强度之间的平衡，通过调整悬垂角度、扫描速度及局部能量输入提高成型件质量，减小内部总应力有助于悬垂结构成型。当工艺参数一定时，可以成型的悬垂角度存在一个临界值。（3）分别建立了毛细现象、虹吸现象及蒸发冷凝现象的数学模型和数值解法，与微通道内对流传热流动的数值计算相结合，实现了脱离集总参数法的热管回路的CFD计算。（4）对微小空间内的封装与激光微焊接等进行了初步研究。这些成果对丰富树状仿生理论、完善激光成型机制、理解相变对流传热本质有重要意义，也为设计制造低流阻、高效率吸液芯开辟了新途径。