激光制備微熱管復(fù)合溝槽吸液芯及毛細(xì)壓力驗(yàn)證

況 旭，魏 昕，謝小柱，汪永超

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性好以及優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，被廣泛的應(yīng)用于航空航天、LED 照明、電動(dòng)汽車(chē)等散熱領(lǐng)域[1]。溝槽式微熱管通過(guò)在管內(nèi)壁加工出微型溝槽作為吸液芯結(jié)構(gòu)，提供工質(zhì)液體流動(dòng)通道，高效進(jìn)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(jīng)被證實(shí)是一種適合微熱管微納米級(jí)溝槽加工的方法，激光刻槽技術(shù)具有高效性、無(wú)損傷和高精度等優(yōu)勢(shì)，將進(jìn)一步促進(jìn)溝槽式微熱管的應(yīng)用。吸液芯結(jié)構(gòu)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(lái)，多種新型的吸液芯結(jié)構(gòu)相繼被提出工質(zhì)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(jìn)了微熱管傳熱性能的提升。毛細(xì)壓力是由多相界面面張力產(chǎn)生的附加壓力，微熱管技術(shù)中將毛細(xì)壓力作為吸液芯結(jié)構(gòu)優(yōu)良的關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)。微熱管工作時(shí)，毛細(xì)壓力有效促進(jìn)微熱管工質(zhì)液體從冷凝端回流到蒸發(fā)端，從而促進(jìn)微熱管的循環(huán)傳熱，增強(qiáng)微熱管傳熱性能。因此，良好的吸液芯結(jié)構(gòu)必須具備較大毛細(xì)壓力。

借助激光刻蝕法的優(yōu)勢(shì)來(lái)制備微熱管復(fù)合溝槽吸液芯，這種復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)由主溝槽和次溝槽構(gòu)成，具有良好的表面質(zhì)量。然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式建立復(fù)合溝槽吸液芯毛細(xì)壓力數(shù)學(xué)模型，得出微熱管內(nèi)吸液芯毛細(xì)壓力沿軸向分布情況，理論證明復(fù)合溝槽能夠提供較大的毛細(xì)壓力，從而增強(qiáng)微熱管的傳熱性能。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前，依次用 600、800、1000 目 SiC 砂紙將銅基板表面打磨到無(wú)明顯劃痕，并分別使用去離子水和無(wú)水乙醇對(duì)銅基板進(jìn)行超聲波清洗預(yù)處理，除去基板表面的有機(jī)雜質(zhì)和油污，為獲得良好的溝槽結(jié)構(gòu)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用的加工設(shè)備為波長(zhǎng)1064nm 的YLPM 系列脈沖光纖激光器，激光連續(xù)輸出時(shí)最大功率為20W，光束質(zhì)量M2＜1.5，激光光斑直徑為40μm。激光器的輸出功率、重復(fù)頻率、脈沖寬度、掃描速度等工藝參數(shù)均可根據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)后的檢測(cè)設(shè)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(fù)合溝槽的三維形貌并測(cè)量復(fù)合結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，其放大倍率可達(dá)到17280 倍，平面分辨率120nm；掃描電子顯微鏡則更好觀測(cè)激光刻蝕獲得的復(fù)合溝槽的表面微觀形貌，可進(jìn)一步加強(qiáng)復(fù)合溝槽的分析，其放大倍數(shù)為（5～300000）倍，檢測(cè)精度更高。

2.3 參數(shù)選擇

激光刻蝕過(guò)程中，激光工藝參數(shù)是影響復(fù)合溝槽加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。主要激光工藝參數(shù)包括激光功率、重復(fù)頻率、脈沖寬度、掃描速度和掃描次數(shù)，各工藝參數(shù)對(duì)加工效果產(chǎn)生的交互作用，使得工藝參數(shù)的選擇較為復(fù)雜。通過(guò)積累前人研究及前期實(shí)驗(yàn)，采用單因素實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)。激光刻蝕復(fù)合溝槽選擇的較佳的工藝參數(shù)，如表1 所示。

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

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選擇表1 中優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行微熱管復(fù)合溝槽激光刻蝕實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)分析前分別對(duì)樣件進(jìn)行了丙酮超聲波和水清洗等處理過(guò)程，去除工件表面遺留的殘屑。實(shí)驗(yàn)后激光共聚焦觀測(cè)的良好復(fù)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(shí)，由于激光作用材料的高能量，材料蒸氣將會(huì)向外噴射，短時(shí)間內(nèi)重新凝結(jié)形成熔凝物堆積在主溝槽兩側(cè)形成次溝槽。在激光燒蝕研究中，靶材團(tuán)簇噴出并重新凝結(jié)在材料表面已被認(rèn)為是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，文獻(xiàn)[8]通過(guò)建立激光誘導(dǎo)微納顆粒飛濺并重新凝結(jié)的數(shù)學(xué)模型，得到的激光作用中顆粒運(yùn)動(dòng)形成圖，這一研究有利證明了激光刻蝕中復(fù)合溝槽次溝槽的形成過(guò)程[2]，如圖2所示。

圖1 復(fù)合溝槽三維形貌Fig.1 3D Morphology of the Composite Grooves

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

激光刻蝕得到復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)主要尺寸參數(shù)，如表2 所示。復(fù)合溝槽尺寸達(dá)到微米級(jí)，不僅成功縮小了微熱管的空間，還表現(xiàn)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(qiáng)。為進(jìn)一步觀測(cè)復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)的加工質(zhì)量，采用掃描電子顯微鏡觀測(cè)復(fù)合溝槽的微觀形貌。復(fù)合溝槽的微觀形貌圖，如圖3 所示。主溝槽兩側(cè)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(zhì)液體在溝槽通道的流動(dòng)阻力。同時(shí)次溝槽頂部形成微納顆粒可增大蒸發(fā)端工質(zhì)沸騰的比表面積，加速工質(zhì)的沸騰，增強(qiáng)微熱管的傳熱。因此，激光刻蝕得到的復(fù)合溝槽不僅結(jié)構(gòu)均勻，表面質(zhì)量好，而且還具有一些特殊性能，增強(qiáng)微熱管的傳熱性能。

表2 復(fù)合溝槽主要尺寸參數(shù)Tab.2 The Dimension Parameter of Composite Grooves

圖3 復(fù)合溝槽微觀形貌Fig.3 Microcosmic Morphology of Composite Grooves

3 吸液芯毛細(xì)壓力軸向分布模型

3.1 模型建立

微熱管是依靠工質(zhì)在微小空間內(nèi)的液汽相變來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞[9]。微熱管正常工作時(shí)，冷凝液體需要快速有效地回流到蒸發(fā)端參與熱量運(yùn)輸，而吸液芯毛細(xì)壓力正是驅(qū)動(dòng)冷凝液體回流的作用力。因此，吸液芯毛細(xì)壓力成為評(píng)價(jià)吸液芯結(jié)構(gòu)優(yōu)異的重要因素。

吸液芯毛細(xì)壓力是由工質(zhì)表面張力引起的彎曲液面兩側(cè)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(dǎo)致一些特殊界面現(xiàn)象。微熱管中汽液界面由于固體分子對(duì)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(shù)把彎曲液面兩側(cè)的壓差稱為吸液芯毛細(xì)壓力。研究發(fā)現(xiàn)微熱管中吸液芯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細(xì)壓力主要由表面張力、固液接觸角和有效毛細(xì)半徑?jīng)Q定，可根據(jù)著名的Young-Laplace 方程[10]來(lái)得到：

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

復(fù)合溝槽吸液芯截面示意圖，如圖4 所示。復(fù)合溝槽吸液芯毛細(xì)壓力可分為兩部分：主溝槽毛細(xì)壓力和次溝槽毛細(xì)壓力，數(shù)學(xué)表示為：

圖4 復(fù)合溝槽吸液芯截面示意圖Fig.4 Section Diagram of Composite Grooves

有效毛細(xì)半徑rc是指吸液芯等效毛細(xì)孔的毛細(xì)半徑。將復(fù)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(jiǎn)易的三角形溝槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，可得三角溝槽有效毛細(xì)半徑rc的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：w—溝槽寬度；h—溝槽深度。

圖5 三角形溝槽結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.5 Simplified Analysis Model of Composite Grooves

文獻(xiàn)[12]已證明了激光在銅基板表面作用產(chǎn)生微納粗糙結(jié)構(gòu)，材料表面將會(huì)生成一層超親水性的CuO 薄膜，增強(qiáng)了銅基板表面的潤(rùn)濕性能。通過(guò)接觸角測(cè)量?jī)x進(jìn)行復(fù)合溝槽表面接觸角測(cè)量，進(jìn)一步證實(shí)復(fù)合溝槽表面的超親水性，復(fù)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(fù)合溝槽吸液芯毛細(xì)壓力數(shù)學(xué)表達(dá)式：

由上式可得，當(dāng)微熱管工質(zhì)確定后，吸液芯毛細(xì)壓力大小主要由汽液界面接觸的結(jié)構(gòu)尺寸決定。然而隨著復(fù)合溝槽幾何尺寸減小，微熱管傳熱過(guò)程以及氣液兩相逆向流動(dòng)過(guò)程將更加復(fù)雜，氣液界面形狀沿軸向存在差異。微熱管內(nèi)工質(zhì)液體及有效毛細(xì)半徑沿軸向呈現(xiàn)梯度分布，如圖6 所示。這是由于微熱管穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，工質(zhì)液體在蒸發(fā)端吸熱迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致液體量最少，集中在尖角區(qū)域，從而形成溝槽結(jié)構(gòu)有效毛細(xì)半徑最?。欢淠胃邿崃空舭l(fā)遇冷冷凝成大量的液體，從而溝槽結(jié)構(gòu)有效毛細(xì)半徑最大。

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

假設(shè)微熱管吸液芯軸向有效毛細(xì)半徑變化為一個(gè)簡(jiǎn)單的線性函數(shù)，根據(jù)微熱管兩端有效毛細(xì)半徑，可推導(dǎo)出沿軸向分布的吸液芯有效毛細(xì)半徑：

式中：re—微熱管冷凝末端的有效毛細(xì)半徑；

rv—微熱管蒸發(fā)前端的有效毛細(xì)半徑；

L—微熱管的總長(zhǎng)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(xì)壓力的軸向分布：

3.2 模型求解

當(dāng)微熱管蒸發(fā)段工質(zhì)液體滿足不了蒸發(fā)需要量時(shí)，吸液芯會(huì)發(fā)生干涸，微熱管此時(shí)達(dá)到毛細(xì)極限狀態(tài)，此時(shí)蒸發(fā)端有效毛細(xì)半徑為0，即re=0。而冷凝端最大有效毛細(xì)半徑rv根據(jù)表2 復(fù)合溝槽尺寸參數(shù)可計(jì)算得到。最后利用MATLAB 軟件仿真得到的吸液芯毛細(xì)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(xì)壓力最大，可達(dá)3.1×105Pa，這是由于蒸發(fā)端汽液界面溫度高，分子運(yùn)動(dòng)加劇，液相表面張力加大；同時(shí)液體不斷被蒸發(fā)導(dǎo)致溝槽有效毛細(xì)半徑減小，從而增大毛細(xì)壓力。同時(shí)，復(fù)合溝槽兩端毛細(xì)壓差明顯高于單一溝槽，說(shuō)明復(fù)合溝槽提供較大的毛細(xì)壓力，從而使得復(fù)合溝槽微熱管具有優(yōu)異的傳熱性能。

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

4 結(jié)論

溝槽式微熱管憑借結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕和良好的導(dǎo)熱性能，具有良好的應(yīng)用前景。借助激光刻蝕技術(shù)優(yōu)勢(shì)制備出微熱管復(fù)合溝槽吸液芯，這種復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)由主溝槽和次溝槽組成，具有良好的表面質(zhì)量；然后建立復(fù)合溝槽吸液芯毛細(xì)壓力分布數(shù)學(xué)模型，得到復(fù)合溝槽毛細(xì)壓力的軸向分布狀況，證明了復(fù)合溝槽提供較大的毛細(xì)壓力，從而使得微熱管具有優(yōu)異傳熱性能。