強化平板熱管傳熱性能的研究進展

劉騰慶，閆文韜，楊鑫，汪雙鳳

（華南理工大學化學與化工學院，傳熱強化與過程節能教育部重點實驗室，廣東廣州510640）

引 言

隨著微電子技術的迅猛發展，電子元件的功耗不斷升高、結構體積不斷縮小，狹窄空間內電子元件所產生的高熱通量熱量無法及時散出，造成溫度超出電子元件工作溫度的上限，從而嚴重影響電子設備的性能及壽命。

傳統散熱技術的冷卻能力已趨向極限，且其溫度控制精度低、響應時間長、體積龐大，已無法滿足狹窄空間內高熱通量電子元件的散熱和溫控需求[1]。平板熱管（也稱為均熱板）作為一種高效緊湊可靠的氣-液兩相傳熱器件，具有熱導率高、均溫性能優良、體積小和外形加工靈活等優點，已經開始應用在狹窄空間高熱通量的散熱系統中[2-4]。目前，由于散熱空間的進一步壓縮，超薄平板熱管已成為輕薄型電子設備狹窄空間內高熱通量散熱的研究熱點。通常將總體厚度≤2 mm的平板熱管定義為超薄平板熱管，然而智能移動設備的散熱空間更為狹窄且發熱功率逐年攀升，因此，總厚度≤0.6 mm 的超薄平板熱管是當前的研究重點[2,5-6]。

如圖1所示，平板熱管的外觀呈扁平板狀，內部具有復雜的吸液芯結構，常見的有燒結金屬粉末、泡沫金屬、絲網、纖維、溝槽和金屬薄膜等[5,7]。平板熱管通常有以下兩種加工方式：（1）由傳統的圓柱型熱管經機械壓扁而成；（2）由兩塊板材經過焊接等方式結合而成。

圖1 平板熱管的外觀Fig.1 Appearance of flat plate heat pipe

根據傳熱方向，平板熱管的運行模式可分為兩種：徑向傳熱模式和軸向傳熱模式，其運行原理如圖2所示。

由圖2 可知，平板熱管里主要存在蒸發/沸騰、蒸氣輸運、冷凝以及液體回流輸運四個運行過程。然而，為了應對不斷變窄的散熱空間，平板熱管的厚度正在變薄，其蒸氣通道高度和吸液芯厚度也在進一步變小，從而嚴重削弱了平板熱管四個運行過程的傳遞能力和效率，使平板熱管的總體傳熱性能降低。因此，為提高平板熱管的總體傳熱性能，學者們對平板熱管內四個運行過程進行了強化。此外，工質作為完成平板熱管內四個運行過程的介質，其熱物性對提高平板熱管的總體傳熱性能也有著重要的影響；同時，殼材的導熱能力也制約著平板熱管的傳熱性能。因此，工質和殼材對平板熱管性能的影響也受到了關注。本文總結了強化平板熱管內蒸發/沸騰、蒸氣流動、冷凝以及液體回流四個運行過程以及平板熱管工質和殼材的研究現狀和發展動態，為未來強化（超薄）平板熱管傳熱性能的研究提供參考。

圖2 平板熱管運行原理Fig.2 Operation principle of flat plate heat pipe

1 強化蒸發/沸騰過程

工質在平板熱管中的蒸發/沸騰過程中通常涉及毛細輸運的蒸發/沸騰現象(capillary-fed evaporation/boiling)。平板熱管蒸發面上的毛細結構（吸液芯）具有復雜密集的網絡狀相連微孔，可提供汽化成核點和毛細力，從而使核態沸騰的發生提前和更快地補充液體，提升沸騰傳熱系數和臨界熱通量。然而毛細結構的網絡狀相連微孔會阻礙氣泡的脫離，在一定程度上削弱了沸騰傳熱能力。鑒于蒸發表面的潤濕性和形貌（粗糙度）對核態沸騰傳熱有著重要的影響[8-9]，為了增強平板熱管蒸發過程，研究人員主要研究了蒸發器基板以及蒸發吸液芯的潤濕性和形貌對平板熱管傳熱性能的影響。

Wong 等[10]采用可視化方法研究了銅絲網表面潤濕性對絲網型平板熱管蒸發性能的影響。通過延長燒結銅絲網暴露在空氣中的時間，從而增加水在燒結銅表面上的接觸角。隨著銅絲網暴露時間的增加（0.25～3 h），水在銅表面上的潤濕性降低（采用座滴法，測量水滴在不同暴露時間下銅表面的靜態接觸角，隨著暴露時間從0.25 h 增至3 h，接觸角從10°增至40°），以水作為工質絲網型平板熱管的臨界傳熱量降低，但最低蒸發熱阻幾乎保持不變；而甲醇和丙酮在銅表面上的潤濕性幾乎不受暴露時間的影響，以它們為工質絲網型平板熱管的臨界傳熱量與最低蒸發熱阻也不受影響。

Wen 等[11]采用化學刻蝕法和化學清潔法在銅絲網表面上形成兩種新型超親水納米結構（接觸角為5°）。首先，采用堿性溶液（NaClO2，NaOH，Na3PO4·12H2O 溶液）在絲網上形成草叢狀的納米結構[圖3(a)]。隨后，通過化學清潔法在具有草叢狀納米結構的絲網上形成微孔腔結構[圖3(b)]。與無結構絲網相比，草叢狀納米結構和微孔腔結構均可提升絲網的毛細力，加快補液速度，從而提升臨界熱通量；同時，微孔腔結構具有大量有效的汽化成核點，使核態沸騰的發生提前，從而提高了沸騰傳熱系數。其中，五層相互結合具有微孔腔結構絲網的臨界熱通量和沸騰傳熱系數分別可達198.6 W/cm2和138.7 kW/(m2·K)。

圖3 絲網親水結構的微觀形貌[11]Fig.3 Microscopic morphology of hydrophilic structure of screen mesh[11]

Sun 等[12]提出結合超疏水冷凝面和超親水蒸發吸液芯的方法來提升均熱板的性能。他們采用化學沉積法（K2S2O8和KOH 混合溶液）在蒸發燒結銅粉上形成超親水的肋狀微/納結構，如圖4 所示。肋狀結構之間形成納米孔，從而增強毛細壓力、增加汽化成核點和增大換熱面積。與未經處理的燒結吸液芯相比，具有超親水微/納結構吸液芯均熱板的性能得到改善，其縱向熱阻降低了18%。

圖4 燒結銅粉親水結構的微觀形貌[12]Fig.4 Microscopic morphology of hydrophilic structure of sintered copper powder[12]

上述研究中均采用了超親水微納結構表面來增強平板熱管的蒸發過程。理論上，雖然親水表面通過加速液體再潤濕表面來提高臨界熱通量，但這也延遲了核態沸騰的發生，減小了沸騰傳熱系數，從而降低了平板熱管的傳熱能力。而疏水表面具有低表面能，在低過熱度下即可使核態沸騰的發生提前，增大沸騰傳熱系數，但在高熱通量下容易引起氣泡的合并而降低臨界熱通量[8-9]。因此，近年來學者們探究了疏水蒸發表面對增強平板熱管蒸發過程的影響。

Shaeri 等[13]提出耦合疏水蒸發基板和親水燒結銅粉的新型蒸發結構。他們采用化學蝕刻法（FeCl3和HCl 混合溶液）在銅蒸發器基板上形成疏水微結構（接觸角為140°）。為了避免高溫焊接對疏水微結構的破壞，在280～325℃的溫度范圍下采用焊料對上下基板進行焊接。與采用親水銅蒸發基板/親水燒結銅粉的原型均熱板相比，采用新型蒸發結構均熱板的熱阻高、熱源溫度高、溫度分布不均勻。新型蒸發結構均熱板在熱通量為54 W/cm2時發生局部燒干，而原型均熱板發生局部燒干的熱通量則高達170 W/cm2。Shaeri等[13]認為造成性能不佳的原因是疏水蒸發基板與親水燒結銅粉接觸不良，蒸發基板與親水燒結銅粉之間的微間隙限制了蒸氣排出和阻礙了液體回流。

Shaeri 等[14]還設計了兩款新型蒸發結構。第一款耦合了疏水銅蒸發基板和親水銅絲網，第二款則無吸液芯結構，與熱源接觸的銅蒸發基板中央部位為疏水表面而四周為親水表面。與未經表面處理的燒結銅粉原型均熱板對比，盡管兩款新型均熱板的臨界熱通量低，熱阻大，但兩款新型均熱板的臨界熱通量依然分別可達到105 W/cm2和162 W/cm2。

最近，Yang 等[15]采用文獻[12]中的化學刻蝕法對不銹鋼絲網進行改性，形成具有花瓣狀納米結構的超親水表面（接觸角約為10°），而在蒸發銅基板上采用親水網絡相間隔形成疏水島，如圖5 所示。Yang 等[15]先通過光刻膠遮蓋親水表面，然后浸泡在FAS17 溶液中，經過銅表面自組裝改性形成疏水島（接觸角為110°），從而形成疏水/親水復合蒸發基板表面。為降低高溫焊接對親/疏水結構的影響，采用SnPb 焊料對上下基板進行焊接。與無改性超薄均熱板相比，新型超薄均熱板的疏水島可減少蒸發液膜的厚度，同時也改善了其冷凝面均溫性能。然而疏水/親水復合蒸發基板卻增大了均熱板的縱向熱阻，他們認為可能是由不合理的疏水/親水結構設計和不完善的加工過程所導致的。

圖5 疏水/親水復合蒸發基板結構[15]Fig.5 Composite hydrophobic/hydrophilic structure on evaporator of vapor chamber[15]

綜上所述，在強化平板熱管蒸發/沸騰過程的研究中，通常對蒸發器基板和蒸發器的吸液芯進行表面處理，形成親水、疏水或者疏水/親水復合表面，并且通過不同的表面處理方法對它們的微觀結構進行調控。采用親水性蒸發結構，可以提高液體回流蒸發端的速度，提升平板熱管的傳熱極限；而親水表面上納米結構形成的納米孔腔可提供有效的汽化成核點，使核態沸騰的發生提前，從而降低了平板熱管的熱阻。盡管疏水表面在理論上可以使核態沸騰的發生提前和增大沸騰傳熱系數，從而降低平板熱管的熱阻。然而在當前研究中，采用疏水蒸發表面平板熱管的傳熱性能依舊不如未經改性的原型平板熱管。如何改善疏水蒸發表面的結構設計和改進加工方法，是未來增強平板熱管蒸發過程的一個重要研究方向。此外，親水和疏水表面結構都容易受溫濕度、不凝氣體等因素的影響或自身結構隨時間發生改變而失去其潤濕性，進而造成平板熱管蒸發過程的惡化，因此，有必要探索能形成耐用親疏水表面結構的表面處理方法。

2 強化冷凝過程

雖然平板熱管（均熱板）冷凝端的吸液芯能產生毛細力，將冷凝液輸送至蒸發端，但冷凝吸液芯及鋪展于冷凝吸液芯上冷凝液的熱導率較低，從而降低了平板熱管的冷凝傳熱性能。通常，超疏水表面可促進傳熱系數較大的珠狀冷凝的形成，同時液滴在超疏水表面上合并所釋放的表面能可促使冷凝面上的液滴脫落，從而強化冷凝過程。因此，為了減小冷凝熱阻和加速冷凝液的脫離回流，強化平板熱管的冷凝過程，研究人員主要研究了無吸液芯疏水冷凝表面對平板熱管傳熱性能的影響規律及其強化冷凝過程的機理。

Zhao 等[16]受甲蟲殼體微觀結構的啟發，研發了一種超疏水/親水復合的仿生冷凝結構。如圖6 所示，該均熱板的蒸發器和冷凝器上均無吸液芯結構。他們采用平板印刷法，將帶凸起鍍有金納米顆粒的硅基片浸泡于十六烷基硫醇溶液中，形成具有親水凸起（接觸角為90°）的超疏水（接觸角為170°）冷凝結構，而蒸發器則采用親水鋁平板。當冷凝液滴在疏水冷凝面上達到臨界尺寸時（直徑約為300 μm），在靜電場的驅動下，冷凝液滴可脫落冷凝面并回流至親水蒸發面上。

圖6 仿生疏水/親水復合冷凝結構[16]Fig.6 Bionic composite hydrophobic/hydrophilic condenser structure[16]

Boreyko等[17-19]基于超疏水表面上的自驅動彈跳液滴現象，提出采用無吸液芯的超疏水冷凝表面作為均熱板的冷凝器和超親水的燒結銅粉/銅基板作為均熱板的蒸發器。他們通過將鍍有納米銀顆粒的銅板浸泡在十六烷基硫醇溶液中形成超疏水冷凝表面，采用氧等離子體氧化帶有燒結銅粉的金屬基板形成超親水蒸發器。如圖7 所示，由液滴在超疏水表面上合并所釋放的表面能可驅動液滴自發地彈跳至蒸發表面，從而實現液滴的脫落回流[20-23]，強化均熱板的冷凝過程。

圖7 疏水冷凝表面上液滴自驅動彈跳回流親水蒸發器的機理[18]Fig.7 Mechanism of drop-jumping from hydrophobic condenser to hydrophilic evaporator[18]

Wiedenheft 等[24]對文獻[17-19]中的均熱板進行了改進，采用了銅微柱吸液芯代替超親水燒結銅粉吸液芯，以解決超親水納米結構耐久性的問題；冷凝器結構仍為文獻[17-19]中的超疏水冷凝結構。由于冷凝液滴在超疏水面上實現自驅動彈跳，冷凝液滴可迅速脫落冷凝面并回流至蒸發面，與原型均熱板相比，有效提升了均熱板的徑向熱傳遞能力，有效熱導率達400 W/(m·K)。

Sun 等[25]也提出采用帶有燒結銅粉的銅基板為蒸發器和超疏水表面為冷凝器。他們首先采用K2S2O8和KOH 混合溶液在銅冷凝面上形成氧化層，再將冷凝面浸泡于FAS 溶液中形成超疏水表面（接觸角為140°），從而可提高均熱板的冷凝換熱能力和實現液滴的脫落回流。與原型均熱板對比，在相同輸入功率下，新型均熱板的熱源溫度更低，且冷凝面均溫性更好、軸向熱阻更低。

為了增加自驅動彈跳的傳遞距離（目前傳遞距離≤2 mm[20]）和克服夾帶極限，Traipattanakul 等[26]采用靜電場增強均熱板里液滴彈跳效應，從而強化均熱板的冷凝過程。他們將鍍有納米銀顆粒的銅板浸泡于CF3(CF2)7CH2CH2SH 溶液中形成超疏水冷凝面[接觸角為160°，微觀形貌如圖8(a)所示]，將鍍有納米銀顆粒的帶燒結銅粉的蒸發器浸泡于HS(CH2)11OH溶液中形成超親水表面[接觸角為4.8°，微觀形貌如圖8(b)所示]。由于冷凝液與帶正電荷的冷凝面接觸而獲得正電荷，在電場的驅動下，冷凝液可迅速脫離冷凝面回流至帶負電荷的蒸發面，增加了液滴傳遞距離和縮小了液滴尺寸，從而增強了冷凝能力。隨著電場強度增加，在重力和逆重力下，均熱板的等效熱導率均呈升高趨勢。

圖8 超疏水冷凝面微觀形貌圖(a)，超親水燒結銅粉微觀形貌(b)[26]Fig.8 Microscopic morphology of hydrophobic condenser(a)，hydrophilic sintered copper powder(b)[26]

最近，Megaridis 等[27-29]采用疏水/超親水復合冷凝表面強化均熱板的冷凝過程。他們通過在冷凝表面鍍Teflon AF 形成疏水表面（接觸角為118°），采用激光蝕刻形成如圖9 所示的超親水槽型條紋（接觸角為0°），同時采用帶燒結銅粉的銅基板為蒸發器。蒸氣在疏水區域上形成珠狀冷凝從而強化冷凝換熱，而超親水區域可促進冷凝成核，同時冷凝液可沿超親水結構回流至蒸發器上。與未處理冷凝面的均熱板相比，該新型冷凝表面有效提升了均熱板在水平和垂直放置時的傳熱性能。

圖9 疏水/超親水復合冷凝表面結構[27]Fig.9 Composite hydrophobic/hydrophilic structure on condenser of vapor chamber[27]

由上述可知，采用無吸液芯的超疏水冷凝表面結構，實現冷凝傳熱系數較大的珠狀冷凝，并利用液滴合并時釋放的表面能實現自驅動彈跳，或在靜電場等外力的作用下，或添加超親水條紋等方式使冷凝液滴回流至蒸發器，從而強化平板熱管的冷凝過程，有效提高平板熱管傳熱性能。然而，目前自驅動彈跳回流傳遞距離較短，采用靜電場增加了額外能耗，超親水表面增加了冷凝熱阻，因此，有必要進一步研發無外場作用下，增加冷凝液滴自發傳遞距離的新型冷凝超疏水表面。此外，疏水涂層易受環境影響而失去其疏水性能，研發高耐用性的疏水表面仍是未來的研究難點。

3 強化氣/液輸運過程

3.1 強化蒸氣流動過程

平板熱管內蒸發端所產生的蒸氣主要是通過蒸氣通道輸運至冷凝端，從而實現熱量的傳遞。由于平板熱管呈扁平狀，主要通過其腔體自身的強度來維持蒸氣通道。然而，平板熱管上下平面的面積大，距離小，在外力的作用下，蒸氣通道容易發生坍塌，從而阻礙蒸氣流動及熱量的傳遞，嚴重削弱平板熱管的傳熱性能，特別是超薄平板熱管和柔性平板熱管。超薄平板熱管的壁厚和蒸氣通道都非常小（通常在0.05～1mm），殼體強度弱，在較小作用力下即可致使其蒸氣通道坍塌。而柔性平板熱管柔性部分的強度不足以抵抗大氣壓力而發生坍塌。因此，為平板熱管提供結構穩定、空間充足的蒸氣流動通道，實現氣液分離，是強化平板熱管內蒸氣流動過程的一種有效手段。

目前，一般在平板熱管內均勻布置支撐柱來提供支撐力，以防止蒸氣通道的變形[2,30-36]。如圖10 所示，支撐柱通常有以下幾種：（1）首先將金屬加工成單獨的支撐柱，再放置于吸液芯預留給支撐柱的孔中；（2）通過化學蝕刻、沖壓、數控機床銑削等方法直接在金屬基板上形成支撐柱；（3）通過石墨模具在吸液芯上燒結出支撐柱。

圖10 各種類型支撐柱結構[2,30-36]Fig.10 Various types of support structure[2,30-36]

近年來，柔性/超薄均熱板中還采用目數較小的絲網作為支撐結構來提供蒸氣通道[37-41]。均熱板內的蒸氣可在孔徑較大、阻力較小的絲網孔里通過，從而輸運熱量。

此外，在壓扁型超薄熱管中還兼用了吸液芯為支撐結構[42-53]。如圖11 所示，長條形的吸液芯位于超薄熱管的中部形成支撐結構并起回流作用，而蒸氣則在吸液芯兩側進行熱輸運。

圖11 超薄熱管中部的吸液芯起支撐作用[42-53]Fig.11 Wick as support structure in the middle zone of ultra-thin heat pipe[42-53]

由此可見，通過添加支撐柱、絲網等支撐結構，可為平板熱管內蒸氣提供穩定充足的流動通道，從而實現氣液分離和提升蒸氣流動能力，提高平板熱管的傳熱性能。

3.2 強化液體回流過程

平板熱管冷凝端的冷凝液主要是依靠吸液芯產生的毛細作用，克服流動壓降，從而回流至蒸發端，實現蒸發端液體的補充。為了提升平板熱管的液體輸運性能，吸液芯需具備高毛細力和高滲透率，從而提高驅動力和降低流動阻力。然而尺度單一的吸液芯通常無法同時滿足上述要求。當吸液芯具備高毛細力時，其有效毛細半徑則變小，這將造成吸液芯的滲透率降低，流動阻力增加。為了提升吸液芯的毛細力，研究人員主要對吸液芯結構進行表面親水改性。而為了兼顧吸液芯的毛細力和滲透率，主要對吸液芯進行結構優化。此外，通過縮短回流距離，也可縮短冷凝液的回流時間，提高回流效率。

吸液芯親水改性主要是對軸向回流模式下的吸液芯以及徑向傳熱模式下蒸發器的吸液芯進行親水改性，以提高回流毛細力。針對絲網型吸液芯的表面改性，Aoki 等[54]采用氧化還原法增加銅絲網表面的粗糙度和增大絲網的絲徑。由于絲網粗糙度的增加，水在絲網表面的潤濕性增加，從而增加了絲網的毛細壓力。與燒結芯相比，采用氧化還原吸液芯的超薄熱管的最大傳熱量從15 W 增至22 W，最低熱阻從0.35 K/W 降至0.18 K/W。Lv 等[55]采用化學刻蝕（HCl 溶液）/燒結的耦合方法形成超親水燒結銅絲網，以提升吸液芯回流能力。以該超親水絲網為吸液芯的超薄均熱板具有較低的蒸發溫度和較低的熱阻，最大傳熱量可達490 W/cm2。Li等[56]采用文獻[55]的方法在銅絲網表面形成超親水納米孔結構，采用該超親水絲網的超薄均熱板的熱導率在7.37 W 時達到2.88×104W/(m·K)。Huang 等[39]采用氧等離子體改性的親水銅絲網為超薄均熱板的吸液芯。采用該親水絲網的超薄均熱板最大傳熱量為50 W，熱阻為0.197 K/W。

Lee 等[40]提出一種具有超親水銅絲網的超薄柔性銅均熱板。他們采用化學氧化法形成超親水納米結構銅絲網，以提高吸液芯回流能力。與無改性絲網相比，該超親水納米結構絲網可顯著提高超薄均熱板的傳熱能力。Liu 等[41]先將不銹鋼絲網浸泡在預聚物溶液中形成潤濕薄層，再通過燒結的方法形成超親水絲網。在彎曲的條件下，采用該超親水絲網的柔性均熱板的最低熱阻為0.525 K/W，最大等效熱導率為1499 W/(m·K)。

針對纖維型吸液芯的表面改性，Mochizuki 等[57]采用超親水銅纖維作為超薄熱管的吸液芯，與無處理纖維相比，采用超親水纖維的超薄熱管的最大傳熱量從7 W 增大至12 W。Tang 等[51-52,58]提出了一種經過化學沉積和燒結而成的螺旋編織銅纖維吸液芯。通過毛細爬升實驗[58]，經處理后的吸液芯有效提升了毛細壓力和爬升速度；與燒結銅粉和未經處理的螺旋編織纖維相比，該氧化/燒結吸液芯可提高超薄熱管的傳熱性能、均溫性能以及抗重力性能[51-52]。Yang 等[59]采用氧化法分別制備超親水的單絲徑和復合絲徑的螺旋編織銅纖維。復合纖維的內部采用絲徑較大的纖維，以減小液體的流動阻力，而外圍則采用絲徑較小的纖維，以提高毛細壓力。在各個傾角下，超親水復合纖維超薄平板熱管的最大傳熱量比超親水單絲徑超薄熱管的高32.5%。在充液率為26.6%時（此充液率定義為超薄平板熱管內工質的體積與熱管內總體積之比），其最大傳熱能力為20 W，最低熱阻為0.12 K/W。

針對溝槽型吸液芯的表面改性，Xie等[60]研究了具有潤濕梯度溝槽的銅平板熱管。他們通過控制超親水溝槽吸收過氧化氫溶液的時間，調節溝槽沿輸運方向的潤濕性，即離蒸發端越近，其接觸角越小，形成潤濕梯度，從而提升溝槽吸液芯的毛細力。當蒸發端接觸角為0°以及冷凝端接觸角為45°時，梯度溝槽平板熱管的性能最佳。Chen 等[36]通過微銑削技術在十字正交V型鋁溝槽里加工米粒狀微結構來提升溝槽的潤濕性，從而提高其毛細力。采用該微結構溝槽的鋁超薄均熱板最大傳熱量達160 W，熱阻最低為0.156 K/W。Tang 等[61]采用NaOH 溶液對平行V 型鋁溝槽平板進行化學刻蝕，形成超親水表面，毛細爬升實驗表明，改性后溝槽毛細驅動力比原溝槽高96.33%。

為了同時兼顧吸液芯的毛細力和滲透率，學者們主要對平板熱管的吸液芯進行了優化。Peng等[62-63]提出了在微柱子或者燒結型吸液芯上加工出仿生葉脈溝槽結構來提高吸液芯的滲透率，如圖12(a)所示，采用帶仿生葉脈溝槽吸液芯的均熱板具有良好的均溫性能和較小的熱阻。Zeng 等[64-65]提出了帶二次凹角的微溝槽型吸液芯，如圖12(b)所示。毛細爬升實驗表明，帶二次凹角的微溝槽型吸液芯的毛細驅動力大于常規微溝槽，同時具備與常規微溝槽相近的滲透率[64]；采用帶二次凹角的微溝槽型的鋁材均熱板具有良好的傳熱性能和抗重力性能[65]。Wiriyasart 等[66]提出在均熱板中央熱源區采用高滲透率的微槽道而四周則采用高毛細力的燒結芯，該均熱板傳熱性能比無燒結芯的溝槽均熱板的高20%。Velardo 等[67]則提出一種在蒸發器燒結銅絲網、熱源部位添加燒結銅粉的復合型吸液芯，以提高熱源區域吸液芯的毛細力和熱源區外吸液芯的滲透率。采用該復合吸液芯結構的均熱板的最低熱阻為0.08 K/W。Zhou 等[68-69]采用具有兩種不同絲徑的復合螺旋編織纖維為超薄平板熱管的吸液芯，同時兼顧毛細力和滲透率。采用復合螺旋編織纖維的超薄熱管的最大傳熱量比單絲徑的提升了33.33%～53.85%，熱阻降低了27.53%～42.92%。

圖12 仿生葉脈溝吸液芯(a)[62]，帶二次凹角的微溝槽型吸液芯(b)[64]Fig.12 Leaf vein wick(a)[62]，micro grooved wick with reentrant cavity array(b)[64]

此外，為了縮短均熱板冷凝面上冷凝液回流至蒸發面的距離，目前常用的方法是在支撐柱外圍添加燒結金屬粉末或采用燒結金屬粉末為支撐柱[30-35]，為冷凝液回流提供較短的路徑。

由上可見，通過對吸液芯進行親水改性，可有效提高吸液芯的毛細力，而采用復合吸液芯結構，可同時兼顧毛細力和滲透率，進而強化冷凝液的回流過程，提升平板熱管的傳熱性能。未來可進一步對吸液芯的結構進行優化設計，以提高冷凝液的回流速度。

4 工 質

工質是平板熱管傳遞熱量的介質，其熱物性制約著平板熱管的傳熱能力，因此工質及其充液率對平板熱管傳熱性能的影響引起了學者們的關注。

平板熱管中常用的工質為去離子水，其次為甲醇、乙醇、丙酮等。目前文獻中[70-71]通常采用評價指標N=σρlhlg/μl評價工質的性能（σ為表面張力，ρl為液相密度，hlg為汽化潛熱，μl為液相黏度）。Wong等[70]研究了水、甲醇和丙酮對絲網型均熱板傳熱性能的影響，發現以水、甲醇和丙酮為工質的絲網型均熱板的傳熱性能依次遞減。Ji 等[71]探究了水、丙酮和乙醇對泡沫銅型均熱板傳熱的影響，發現分別以水、丙酮和乙醇為工質時，泡沫銅型均熱板的傳熱性能依次衰減。Attia等[72]探究了水和甲醇對平板熱管傳熱性能的影響，得出以水、甲醇為工質平板熱管傳熱性能依次遞減的規律。由上可知，以水為工質時，均熱板的性能最優，這是歸因于水具有較大的潛熱和較大的表面張力。

除了常用的流體外，納米流體由于具有熱導率高、可增強基體工質傳熱性能等優點，也被用作平板熱管中的工質，以強化傳熱能力。目前，一般將Fe3O4、CuO、Al2O3和TiO2等納米粒子分散于水等常用基體工質中，形成納米流體。Zhang 等[73]采用Fe3O4磁性納米流體為無吸液芯平板熱管的工質，研究發現磁場可加速磁性流體的循環，提升平板熱管冷凝面的均溫性。當充液率較高時，在磁場作用下，磁性流體無吸液芯平板熱管在逆重力下仍可啟動。Mohanraj 等[74]研究了CuO-水納米流體為具有吸液芯平板熱管的工質，與水作為工質相比，CuO納米流體可有效降低平板熱管的熱阻。Chen 等[75]研究了Cu 和CuO 納米流體對以焊接銅線為吸液芯的平板熱管傳熱性能的影響，發現以Cu-水納米流體為工質的平板熱管的蒸發傳熱系數比以CuO-水納米流體為工質時大5%～6%。Kim 等[76]研究了Al2O3-丙酮納米流體對鋁材微通道平板熱管傳熱性能的影響，發現納米粒子的形狀影響著平板熱管的傳熱性能，以球形、塊狀和圓柱形Al2O3納米流體為工質的平板熱管的熱阻分別比以丙酮為工質時低33%、29%和16%。此外Kim 等[76]還發現納米顆粒強化傳熱的主要機理是在蒸發端形成納米多孔介質層，提升工質回流的毛細力。Pandiyaraj 等[77]采用TiO2-水納米流體作為具有吸液芯平板熱管的工質，發現在強制對流換熱下，平板熱管的性能良好。盡管納米流體可提升平板熱管的傳熱性能，然而納米粒子存在容易與基體流體分離等問題。

此外，工質充注控制和不凝氣體也影響著平板熱管的傳熱性能。為了降低不凝氣體的影響，一般采用除去不凝氣的流體為工質，并對平板熱管進行抽真空后再進行注液。Boreyko 等[18]研究了不凝氣對常規均熱板的影響，結果表明二次除氣均熱板的性能優于一次除氣均熱板的性能。對于超薄均熱板，Chen 等[2]采用抽真空和沸騰除氣的兩步法來確保超薄均熱板內的真空度。首先對注有去離子水的超薄均熱板進行抽真空后封閉充液柱端部，大部分空氣在此過程中被排出超薄均熱板；接著對超薄均熱板底部加熱至沸騰，剩余的不凝氣被進一步排至充液柱后，剪斷充液柱并密封超薄均熱板，經兩步法處理后降低不凝氣對超薄均熱板性能的影響。

綜上所述，目前只有常規流體和納米流體等工質應用于平板熱管中。為了強化平板熱管的傳熱性能，還有必要探索其他多元混合流體在平板熱管中的應用。其中自濕潤流體[1]具有表面張力隨溫度的升高而增大的奇特性質，可自發從低溫區潤濕到高溫區，可有望應用于溝槽型平板熱管和超薄平板熱管中，增強其傳熱能力。

5 殼 材

平板熱管殼體材料的熱導率以及平板熱管與發熱元件的接觸熱阻影響著平板熱管的傳熱性能。通常，平板熱管采用導熱率高的紫銅為殼體材料。當需考慮輕量化或者高殼體強度時，則可分別采用鋁材和不銹鋼作為平板熱管的殼材[78]。在厚度≤0.4 mm 的超薄均熱板制造過程中，為了同時兼顧熱導率和殼體強度，則使用青銅為殼體材料[2]。

在實際封裝過程中，由于紫銅的熱膨脹系數較大，為減小熱應力，平板熱管與電子芯片之間只能通過界面導熱材料進行接觸，從而增大了接觸熱阻。為了實現平板熱管與芯片的焊接，減小接觸熱阻，一般可以采用熱膨脹系數低、熱導率較高的金屬材料為殼材。鈦[79]、CuW 合金[80]、CuMo 合金[81]、氮化鋁[82]和鐵鎳鈷玻封合金(Kovar)[83]等低熱膨脹系數金屬材料已開始被用作平板熱管的殼體材料。為了進一步降低接觸熱阻，實現半導體材料與散熱器件的一體化制造，學者們還對硅基均熱板的制造工藝及性能進行了研究[84]。

面對可折疊智能電子設備的散熱，目前通常采用柔性平板熱管進行熱管理。柔性平板熱管的殼材一般為金屬/聚合物分層復合材料[5,37-38,41,85-86]，以期兼顧殼體材料的熱導率和柔性，然而由于存在低熱導率的聚合物，其傳熱能力依然不高。Oshman等[87-88]將柔性平板熱管的加熱端和冷凝端的柔性復合材料替換成銅，發現其最大等效熱導率可達830 W/(m·K)。

綜上，目前平板熱管中普遍采用金屬合金、硅基片或者聚合物復合材料為殼材。在未來平板熱管殼材研究中，還可探究具有高熱導率的石墨烯等為平板熱管的殼材，以增強平板熱管的傳熱性能。

6 總結與展望

為了提高平板熱管的傳熱性能，通常需要強化蒸發/沸騰、強化蒸氣輸運、強化冷凝以及強化液體回流輸運四個運行過程。此外，工質的熱物性和殼材的導熱能力也影響著平板熱管的傳熱性能。本文綜述了強化平板熱管四個運行過程以及平板熱管工質和殼材的研究現狀和發展動態，通過前文總結分析，目前的進展如下。

（1）在平板熱管蒸發器上形成親水結構，可提升液體回流蒸發端的速度，進而提高傳熱極限。親水表面上的納米空腔可提供汽化成核點，使核態沸騰的發生提前，從而降低熱阻，提升傳熱性能。盡管理論上疏水表面可使核態沸騰的發生提前和強化沸騰傳熱系數，然而在當前研究中，采用疏水蒸發表面平板熱管的傳熱性能依舊不如未做改進的原型平板熱管。

（2）在無吸液芯的均熱板冷凝器上形成超疏水結構，實現珠狀冷凝，可提高冷凝傳熱系數，并利用自驅動彈跳、外力場或者超親水通道使冷凝液滴回流至蒸發器，可增強平板熱管的冷凝過程，提高均熱板的傳熱性能。

（3）通過添加支撐結構，可為平板熱管內蒸氣提供穩定充足的流動通道，實現氣液分離，強化蒸氣流動過程。

（4）通過采用親水吸液芯，可提高吸液芯的毛細力，而采用復合吸液芯結構，可同時兼顧毛細力和滲透率，進而強化冷凝液的回流過程。

（5）在常規流體中，由于水具有較高的表面張力和汽化潛熱，以水為工質的平板熱管的傳熱性能最佳，而采用納米流體，可提高基體流體的傳熱性能和提供回流毛細力，增強平板熱管的傳熱性能。

（6）目前平板熱管中一般采用金屬合金、硅基片或者聚合物復合材料為殼材。采用熱膨脹系數低的材料作為平板熱管殼體，可實現平板熱管以焊接方式與發熱體接觸，降低接觸熱阻。柔性平板熱管的蒸發端和冷凝端采用金屬材料，可提高其傳熱能力。

總體而言，平板熱管一般采用熱導率高的銅為殼體和熱物性優良的水為工質，來提高平板熱管的總體性能。對于常規厚度的平板熱管，由于具有高度充足的蒸氣通道和吸液芯，強化蒸發/沸騰過程和冷凝過程對增強常規平板熱管的性能更為顯著。而對于超薄平板熱管，由于整體高度的限制，壁厚、蒸氣通道和吸液芯變得很薄，這嚴重削弱了蒸氣流動和液體回流的能力，因此，強化氣/液輸運過程對增強超薄平板熱管的性能顯得更為重要。此外，蒸發區域一般存在吸液芯，而增強蒸發區域和吸液芯的親水性，可同時強化蒸發/沸騰和液體輸運過程。

為了在實際應用中，增強平板熱管傳熱性能，降低熱阻和提升傳熱極限，還需進行以下研究。

（1）雖然疏水蒸發面理論上可提高沸騰傳熱系數，但是采用疏水表面均熱板的傳熱性能依舊不佳。因此，需要通過改進疏水蒸發表面的結構設計和加工方法，探究改進的疏水蒸發表面對平板熱管蒸發過程的影響及其蒸發/沸騰傳熱機理。

（2）親水結構可分別增強蒸發過程和冷凝液的回流過程，而疏水結構則可強化冷凝過程。然而親水和疏水結構容易受環境的影響而發生改變，可能會惡化平板熱管的傳熱性能，因此需要研發耐用的親水和疏水表面。

（3）仍需進一步對吸液芯的結構進行優化設計，提高冷凝液回流蒸發區域的速度。

（4）目前采用納米流體強化平板熱管的傳熱性能，還可探索其他多元混合流體在平板熱管中的應用。

（5）針對殼材的研究，還可探索具有高熱導率和低膨脹系數的材料作為平板熱管的殼材。