一种超润湿表面驱动的液滴弹跳式超高热通量均温板及其制备方法

本发明属于功能性材料表面和强化传热，具体涉及一种超润湿表面驱动的液滴弹跳式超高热通量均温板及其制备方法。

背景技术：

1、在智能手机、平板电脑、航天电子器件和很多高性能服务器中，热控系统起着举足轻重的作用，均温板可以保证器件中的发热点在不同的工作条件下维持稳定的温度，从而保持高效的工作状态。随着设备集成化、紧凑化技术的快速发展，电子芯片等高通量器件的散热问题逐渐成为制约其行业发展的技术瓶颈。高功率的电子芯片通常会产生高热流密度的局部热点，显著影响电子设备的性能和稳定性。这些热点随机地分布在芯片上，并且局部热流和位置均会发生动态变化，消除这些热点具有很大的挑战。现有的两相均温板(热管)技术虽然能在一定程度上缓解这些局部热点，但也存在很多问题。利用单相传热方式(传导、对流、辐射)制成的热控装置或散热能力有限、工艺复杂，并且还需要外部动力支持。

2、现有的芯片级相变微型制冷器设计方案主要采用均温板方案，可改善以下方面：(1)冷凝面的冷凝模式。蒸汽在常见的金属基与硅基等亲水表面上冷凝时容易形成膜状冷凝(蒸汽冷凝时有膜状冷凝和滴状冷凝两种形式)。相较于膜状冷凝，滴状冷凝的相变传热系数高五到几十倍，改善了冷凝时的传热效率。最新发现的液滴弹跳冷凝通过提高冷凝表面液滴更新频率，进一步提升了滴状冷凝模式的传热效率。(2)工作流体的回流方式。常规两相均温板中的工作流体需要在毛细力的驱动下由冷凝面回流到蒸发面。由于液体在多孔毛细结构内具有较大的流动阻力，导致冷凝侧的液体不能快速地供给到蒸发面上，容易引起热侧液膜蒸发烧干现象，进而影响热循环效率。由于上述两点原因，现有的微型均温板不能达到最佳散热效果，冷凝面需要进一步设计改进。改进的冷凝面的设计要求是液滴冷凝时呈高效的滴状冷凝状态，并且冷凝液能够打破毛细流动的限制，可以自发地、快速地回流到蒸发面。

3、目前，常见的两相均温板结构有烧结型吸液芯、沟槽型吸液芯、刻蚀型吸液芯、电化学生长型吸液芯等，其中沟槽型吸液芯热管的主要特点是重量轻、热响应快，并具有较高的渗透率，符合当今电子器件轻薄化的发展趋势。但是其存在的最大问题是毛细压力小，并且易受重力影响。ding等(ding c,gaurav s,payam b,et al.,aflat heat pipearchitecture based on nanostructuredtitania,journal ofmicroelectromechanicalsystems,2010,19(4):878-884.)采用蚀刻技术在钛合金基板上加工出直径为5μm，高度为50μm，中心间距为10μm的圆柱体阵列吸液芯结构，圆柱体表面有外形和类发丝纳米结构(0-200nm)，并通过激光焊接技术将二块钛合金基板焊接封装成密封体，制造出一种厚度只有0.6mm的钛合金平板热管。超薄微热管的沟槽型吸液芯结构主要采用激光刻蚀、化学腐蚀等特殊制造工艺，外壳材料一般采用硅、特殊氧化物等特殊材料。虽然能够制造出具有一定传热性能而厚度又更薄的微热管，但是此类成型工艺均存在成本高、质量不稳定、工艺复杂耗时等问题，只适用于小批量生产和航空航天等特殊领域。

4、另外，全晓军等(zl201310751930.6，一种真空腔均热板)采用氟化处理纳米花簇状的cuo膜形成的超疏水表面作为底板，采用烧结均匀分布的铜粉形成的多孔表面作为盖板，通过液态工质在蒸发区吸热，发生相变，蒸汽到达冷凝区放热冷凝成液态，冷凝液在毛细芯的毛细作用力下回到蒸发区，如此循环作用以达到散热目的。其发明利用超疏水表面冷凝液滴的合并过程中的弹跳机制，液滴直接回到蒸发区，促进工质的流动。但其冷侧超疏水结构无法在蒸汽冷凝环境中维持稳定的液滴弹跳，因此无法实现高热通量散热。

5、综上，如何制备一种成本较低、质量稳定、工艺简单，且能够被广泛应用的具有超高热通量散热的均温板是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种超润湿表面驱动的液滴弹跳式超高热通量均温板及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、本发明提供了一种超润湿表面驱动的液滴弹跳式超高热通量均温板，所述均温板包括层叠的冷端板面和热端板面；所述冷端板面和热端板面之间充注工作流体；所述冷端板面为超疏水纳米线阵列结构；所述热端板面为超亲水微纳复合结构。

4、进一步地，所述冷端板面和热端板面平行正对摆放。

5、本发明中的冷端板面具有超疏水纳米线阵列结构，蒸汽在纳米线束顶端发生核化，冷凝液滴以cassie态生长与合并，相互接触后释放表面能，克服自身重力和黏附力，沿垂直冷凝表面方向快速自发弹跳至热端板面。且依靠纳米线阵列在蒸汽氛围中稳定的超疏水性维持高效的微液滴弹跳，实现冷凝侧液体向蒸发侧快速自适应供给，突破毛细输运中流动减阻和传热强化的权衡效应。本发明中热端板面具有超亲水微纳复合结构，可提高快速液体铺展和高效的毛细抽吸能力。

6、本发明还提供了一种超润湿表面驱动的液滴弹跳式超高热通量均温板的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)利用纳米孔模板辅助在光滑板面的基底上采用电化学沉积法生长纳米线阵列结构，然后采用自组装方式构建疏水涂层，得到超疏水的纳米线阵列结构的冷端板面；

8、(2)将多孔材料与光滑板面结合构建微米多孔材料，然后采用化学刻蚀法在所述微米多孔材料表面构建纳米草结构，得到超亲水的微纳复合结构的热端板面；

9、(3)将所述冷端板面和所述热端板面通过间框层叠密封连接，然后将所述冷端板面和所述热端板面之间的空隙抽至真空，并充注工作流体，即得所述均温板。

10、进一步地，步骤(1)中所述纳米孔模板优选为aao模板，孔间距为50-500nm，孔径为20-250nm。

11、有益效果：本发明使用aao模板(材质为多孔氧化铝)经过电镀沉积纳米线阵列后，模板可以通过碱溶液溶解去除，得到形状规整的纳米线阵列且不会造成表面结构的破坏。

12、进一步地，步骤(1)中所述纳米线阵列团聚成簇状，形成v型槽结构；其中所述纳米线的直径为20-250nm，间距为50-500nm。

13、有益效果：本发明纳米线阵列团聚成簇状，形成大量v形槽结构，冷凝液滴在纳米线束顶端以cassie态生长与合并弹跳。纳米线直径过小间距过大时，纳米线束出现坍塌，在纳米线束顶端液滴之间相互接触后弹跳难度增大；纳米线直径过大、间距过小时，板面更类似于光滑的铜表面，只能发生液滴聚集后重力引导的冲刷滑落。

14、进一步对，步骤(1)中所述电化学沉积法包括以下步骤：

15、将所述光滑板面、所述纳米孔模板、浸满电镀液的滤纸和连接对电极的光滑板面合并固定并进行一次电镀，然后将所述浸满电镀液的滤纸和连接对电极的光滑板面取下，将所述纳米孔模板和光滑板面浸入电镀液中继续二次电镀，沉积纳米线阵列后，在清洗溶液中进行纳米孔模板溶解，得到所述纳米线阵列结构。

16、有益效果：本发明采用用电化学沉积法，能够使得到的纳米线生长均匀，而且操作较简单。

17、更进一步地，所述连接对电极的光滑板面的材料具体为铜、铝、不锈钢，以及其他可以用电化学方法加工纳米线的材料；所述浸满电镀液的滤纸以及所述二次电镀中的电镀液均是质量浓度3-20％的焦磷酸铜溶液或硫酸铜溶液，所述一次电镀的时间为500-4000s；所述二次电镀的时间为0.5-5h；所述清洗溶液为浓度0.5-4.0mol/l的氢氧化钠溶液。

18、有益效果：浸满电镀液的滤纸可防止电镀过程出现短路，确保电镀液充满板面间隙和纳米线良好的生长状态。

19、进一步地，步骤(1)中所述自组装方式包括化学气相沉积或水浴加热；所述疏水涂层的材料为正十八烷硫醇、十六烷基硫醇、十二烷基硫醇、全氟辛基乙基三甲氧基硅烷和全氟癸基三氯硅烷中的一种或任意几种。

20、有益效果：本发明通过纳米孔模板辅助电化学沉积法，构建超疏水纳米线阵列结构表面，并在此基础上构筑纳米疏水涂层，使得产品具有合适的微纳物理结构和优良的化学疏水性，实现蒸汽冷凝初始核化位置调控和稳定的冷凝液滴合并弹跳，因此使冷端板面在蒸汽氛围中具有较稳定的超疏水性的冷凝侧。

21、进一步地，步骤(2)中所述多孔材料为铜丝网、泡沫铜或铜粉中的任意一种或几种的混合，所述泡沫铜的厚度为0.5-2.0mm，平均孔径为80-130ppi，用量为单层或多层不同尺寸组成梯度结构；所述铜丝网规格为20-400目，用量为单层或多层不同尺寸组成梯度结构；所述铜粉粒径为10-200μm，用量为模具中均匀铺满一层或多层不同尺寸组成梯度结构；

22、所述化学刻蚀法采用的刻蚀液为：质量浓度为2-3％的亚氯酸钠溶液、浓度为0.05-0.10mol/l的过硫酸钾溶液、质量浓度为10-30％的双氧水溶液中的任意一种，且所述化学刻蚀是在水浴条件下进行，水浴条件加热温度均匀，便于控制刻蚀温度，水浴的温度为90-100℃，时间为5-25min。

23、进一步地，步骤(2)中所述微米多孔材料的孔径为80-130ppi；所述纳米草结构为板面在强碱溶液中腐蚀得到天然形状纳米级结构。

24、进一步地，步骤(2)中所述构建微米多孔材料采用的方法为烧结工艺或热压工艺；其中，所述烧结工艺的温度为300-1200℃，时间为0.5-6h；所述热压工艺的温度为300-1200℃，时间为0.5-6h，压力为0.1-2.5mpa。

25、有益效果：采用烧结工艺或热压工艺可以保证多孔材料在其机械结构不被损坏的前提下与光滑板面紧密结合。

26、进一步地，步骤(3)中所述冷端板面和热端板面之间的间距为0.1-10mm；所述真空的真空度为＜0.1pa；所述工作流体包括水、甲醇、乙醇和丙酮中的任意一种，且充液率为30-60％。

27、有益效果：板面间距大于10mm时，液滴弹跳高度不足，液滴回流效率下降；小于0.1mm时，冷凝液滴与两端板面存在同时接触，不发生弹跳现象。充液率在30-60％时两板面间形成稳定的液滴弹跳及回流过程，构成循环。

28、进一步地，步骤(3)中所述密封方法为低温热压工艺；其中，所述低温热压的温度为150-350℃，压力为1-10mpa，时间为1-5h。

29、本发明中所用的光滑板面的制备方法均为：将板面用100-3000目的砂纸进行打磨，然后依次使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗即可得到，其中，超声的功率为300-1000w，时间为5-10min；打磨时间为5-20min。

30、进一步地，所述板面的材料为铜、铝或不锈钢，以及其他可以用电化学方法加工纳米线的材料。

31、本发明制备的均温板的工作原理为：

32、本发明中具备蒸汽氛围下稳定超疏水性纳米线阵列结构的冷端板面和具备快速毛细铺展性能微纳复合结构的热端板面平行正对摆放，形成的密闭窄缝空间内，工作流体通过汽液相变循环，液体工质在热端被加热，通过毛细蒸发产生蒸汽传输到冷端，蒸汽在冷端冷凝，并以微液滴弹跳的形式回到热端，实现热量从热端到冷端的快速传递，具备垂直于板面方向的高效散热的能力；

33、其中，工作流体密封于冷端板面和热端板面之间，储存于热端毛细结构中，在热端板面吸收热量汽化为蒸汽后移动至冷端，在冷端冷凝成微液滴，并将热量释放到冷端板面，冷凝微液滴在超疏水纳米线阵列表面接触后合并，释放表面能使其自发弹跳回到热端板面，构成工作流体在封闭腔内的循环。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、传统的热管在平面方向具有较高的热导率，但是在与平面垂直的方向上，其热导率较低。而本发明构建的新型的两相均温板，利用液滴弹跳驱动冷凝侧液体回流供液到蒸发侧，促进工质的循环流动，打破传统依靠毛细供液的限制，降低均温板的传递热阻并提高均温板的换热极限。通过纳米孔模板辅助电化学沉积法，构建超疏水纳米线阵列结构表面，并在此基础上构筑纳米疏水涂层，得益于合适的微纳物理结构和优良的化学疏水性，实现蒸汽冷凝初始核化位置调控和稳定的冷凝液滴合并弹跳，构建了蒸汽氛围中稳定超疏水性的均温板冷凝侧；通过热压法或热烧结法将泡沫铜、铜粉、铜丝网与均温板蒸发侧紧密结合，并通过化学刻蚀的方式在其上构建纳米结构，提高其毛细抽吸能力，构建具有超亲水特性的蒸发侧。对两侧表面进行结构形貌、元素分析、润湿铺展、毛细抽吸、耐久性的综合表征和测试，通过冷端板面结构形貌及元素分析表明纳米线阵列形貌良好，疏水涂层覆盖均匀；通过热端板面润湿铺展及毛细抽吸表征表明板面亲水性良好，微纳结构均匀；通过对板面耐久性测试及液滴弹跳现象观测表明本发明中所制备的板面液滴弹跳现象明显，两板面间流体工作状态平稳。最后选择工作流体制作密封均温板器件成品。

36、本发明以微纳结构的亲水热端板面为蒸发侧，纳米线结构的超疏水板面为冷凝侧，设计并制备了超润湿表面驱动的液滴弹跳式均温板。优化了毛细结构，增大了蒸发面积减小了毛细液膜热阻，而且提供了更多的成核位点，强化了蒸发、沸腾能力，增强了毛细力；转变了冷凝模式，将膜状冷凝转变为滴状冷凝，通过液滴弹跳加速液滴回流。突破了超润湿界面新材料、自适应补液新原理和低热阻超薄新器件，实现了超高热流密度电子元件冷却的智能匹配与快速响应，为未来高性能芯片的终端热管理提供了解决方案。

37、本发明制备方法简单、成本较低、质量稳定，为研发高效、紧凑的均温板提供了原理基础，尤其是针对电子器件散热方面有重要应用，应用前景广泛。