陶 鵬，常 超，郭懷新，陳寰貝，尚 文，鄧 濤

(1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240)(2.南京電子器件研究所 微波毫米波單片集成和模塊電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210016)(3.南京電子器件研究所，江蘇 南京210016)

1 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電子系統(tǒng)的功能和運(yùn)算速度的需求不斷提高，現(xiàn)代化的電子集成設(shè)備正朝著微型化、集成化、高功率化的方向迅速邁進(jìn)。根據(jù)摩爾定律，集成電路上的電子元器件數(shù)目，每隔18～24個(gè)月將會(huì)增加一倍。高集成化、高功率的電子器件在運(yùn)行工作中勢(shì)必產(chǎn)生大量的熱量，如不能及時(shí)對(duì)電子元器件進(jìn)行有效的熱管理，將會(huì)嚴(yán)重影響電子元器件的工作穩(wěn)定性、使用壽命，甚至發(fā)生事故。通常電子元器件的工作溫度在-5～85 ℃之間，超過(guò)正常工作溫度，則會(huì)導(dǎo)致電子元器件工作穩(wěn)定性下降、壽命減少，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的可靠性下降[1]。有關(guān)研究表明，電子元器件使用溫度超過(guò)額定工作溫度后，每升高10 ℃，則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降50%[2]。因此，如何對(duì)電子元器件進(jìn)行有效的熱管理，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者廣泛關(guān)注和重點(diǎn)研究的內(nèi)容之一。

面對(duì)嚴(yán)峻的電子器件熱管理問(wèn)題，依靠傳統(tǒng)材料自身的導(dǎo)熱進(jìn)行散熱已經(jīng)難以滿足當(dāng)前高熱流密度器件的散熱需求。與之相比，熱管利用內(nèi)部工質(zhì)的氣液相變傳熱，其導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通金屬材料，具有導(dǎo)熱性能高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均溫性強(qiáng)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被視為解決高功率電子器件散熱問(wèn)題的最有效技術(shù)之一[3]。但是，除少量特殊材料制備的熱管和波紋管熱管外，目前的熱管大多數(shù)為剛性結(jié)構(gòu)，不能夠自由彎曲，或彎折后傳熱效率急劇降低。應(yīng)用于電子器件散熱時(shí)，普通剛性熱管的蒸發(fā)段與某些外形復(fù)雜的散熱元件表面接觸面積過(guò)小或出現(xiàn)接觸表面不貼合現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了熱管的傳熱效果。因此，在面對(duì)形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱空間狹小的微型電子元器件以及可折疊電子器件散熱時(shí)，剛性熱管應(yīng)用受到了極大限制。柔性熱管利用自身可彎曲變形的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)熱管與某些外形復(fù)雜外形元件表面有效貼合，并能夠適應(yīng)復(fù)雜的狹小安裝空間，尤其對(duì)相對(duì)移動(dòng)的熱源散熱，發(fā)揮著獨(dú)特的作用。此外，當(dāng)前可折疊、可穿戴電子器件包括有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、柔性電子顯示器等迅猛發(fā)展，要求其相應(yīng)的散熱材料不僅具有較高的導(dǎo)熱性，同時(shí)也需要兼具良好的機(jī)械柔韌性[4, 5]。因此，開(kāi)發(fā)可彎曲變形的柔性熱管技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今電子散熱領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢(shì)。

在工作原理上，柔性熱管的工作原理與普通剛性熱管相似，如圖1a所示，外部熱量通過(guò)柔性熱管的蒸發(fā)端輸入到熱管內(nèi)部，引發(fā)熱管內(nèi)部工質(zhì)氣化相變，相變產(chǎn)生的氣體迅速擴(kuò)散到冷凝端冷凝成液體，并釋放出所攜帶的熱量，冷凝后的液體在柔性熱管內(nèi)部吸液芯的毛細(xì)力作用下重新送回到蒸發(fā)端，從而完成整個(gè)傳熱傳質(zhì)循環(huán)。如圖1b所示，柔性熱管通常由3部分組成：蒸發(fā)端、冷凝端和絕熱端(柔性部分)，與普通熱管的結(jié)構(gòu)存在著一定的差異。其中，柔性部分是柔性熱管的核心技術(shù)之一，一方面它連接著柔性熱管的蒸發(fā)端與冷凝端，實(shí)現(xiàn)熱管內(nèi)部氣液循環(huán)，另一方面基于柔性連接可實(shí)現(xiàn)熱管的彎曲變形，便于安裝和自由地調(diào)節(jié)冷凝端和蒸發(fā)端的相對(duì)位置，并且能夠適應(yīng)頻繁振動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件下電子器件的散熱。

2 柔性熱管的研究現(xiàn)狀

2.1 柔性熱管設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

圖1 熱管結(jié)構(gòu)示意圖(a)，柔性熱管結(jié)構(gòu)示意圖(b)Fig.1 Schematics of conventional heat pipe(a)and flexible heat pipe (b)

柔性熱管設(shè)計(jì)通常分為殼體材料、內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)、柔性連接、內(nèi)部工質(zhì)4個(gè)部分。殼體材料的作用是將柔性熱管內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境隔開(kāi)，并連接外界熱源，外部熱量通過(guò)殼體材料進(jìn)入熱管內(nèi)部。柔性熱管的殼體材料一般要求具有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受一定的內(nèi)部壓力，同時(shí)具有較好的導(dǎo)熱率，目前常見(jiàn)的殼體材料選用銅、鋁或其他金屬材料。內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)是熱管穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件，一方面在熱管內(nèi)部形成易于蒸發(fā)的半月形液面，另一方面為冷凝下來(lái)的液體提供足夠大的毛細(xì)力，促進(jìn)冷凝液體回流至蒸發(fā)端。柔性熱管的毛細(xì)結(jié)構(gòu)要能夠在熱管發(fā)生柔性變形時(shí)保持良好的性能，同時(shí)兼具耐腐蝕性、抗沖擊能力等性能，目前常選用金屬絲網(wǎng)作為內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)[6]。如圖2所示，為兼顧毛細(xì)吸液和工質(zhì)的存儲(chǔ)，通常采用溝槽與金屬絲網(wǎng)進(jìn)行復(fù)合[7]；為增強(qiáng)其毛細(xì)吸液效果，可對(duì)金屬絲網(wǎng)表面進(jìn)行化學(xué)處理，在表面引入超浸潤(rùn)的微納米結(jié)構(gòu)[8]。柔性連接材料的作用是連接柔性熱管的蒸發(fā)端與冷凝端，實(shí)現(xiàn)柔性熱管的自由彎曲。柔性熱管連接材料需要具有良好的耐壓性能以及彎曲性能，目前多選用具有良好柔性變形性的金屬波紋管、柔性有機(jī)聚合物等材料。內(nèi)部工質(zhì)是柔性熱管傳熱的核心材料，柔性熱管依靠?jī)?nèi)部工質(zhì)不斷地在蒸發(fā)端、冷凝端的相變傳熱，從而使熱量源源不斷地從熱管的蒸發(fā)端傳遞到冷凝端。工質(zhì)的選擇主要取決于工質(zhì)自身的導(dǎo)熱性、比熱容、相變點(diǎn)、腐蝕性等。根據(jù)柔性熱管使用溫度不同，在常溫環(huán)境下(0～200 ℃)，一般選擇水、液氨作為內(nèi)部工質(zhì)。在中高溫領(lǐng)域(大于200 ℃)，多選用有機(jī)液體、液態(tài)金屬為內(nèi)部工質(zhì)。

與普通剛性熱管測(cè)試類似，柔性熱管需要進(jìn)行啟動(dòng)測(cè)試、熱阻測(cè)試、抗重力測(cè)試、耐壓測(cè)試等。除此以外，需要對(duì)柔性熱管進(jìn)行彎曲測(cè)試、抗拉測(cè)試以及在不同彎曲變形下的熱管傳熱性能測(cè)試。其中傳熱性能的測(cè)試表征與剛性熱管類似，不同之處主要在于要考慮形變的影響。具體測(cè)試裝置示意圖如圖3所示[9]，一般在柔性熱管進(jìn)行一定程度的形變后，記錄下有效的形變曲率半徑(reff)，在熱管的蒸發(fā)端加入一定的熱量q，柔性熱管的冷凝端與恒溫水浴相連，記錄柔性熱管蒸發(fā)端的溫度(Te)與冷凝端的溫度(Tc)，根據(jù)公式(1)，可以計(jì)算出熱管的熱阻R：

圖2 柔性熱管毛細(xì)結(jié)構(gòu)：(a)未處理的銅網(wǎng)[6]，(b)混合型毛細(xì)結(jié)構(gòu)[7]，(c)處理后的銅網(wǎng)[8]Fig.2 Wick structures of flexible heat pipes: (a) untreated copper mesh[6], (b) hybrid wick structure[7], (c) as-treated copper mesh[8]

(1)

依據(jù)計(jì)算出的熱阻R，可以進(jìn)一步計(jì)算出熱管的有效導(dǎo)熱率keff：

(2)

(3)

其中：A表示熱量輸入的面積，Le、La、Lc分別表示蒸發(fā)端、絕熱端(柔性部分)、冷凝端的長(zhǎng)度。通過(guò)公式(1)～(3)可知，當(dāng)輸入功率不變時(shí)，蒸發(fā)端與冷凝端的溫差越小，則柔性熱管的熱阻越小，有效導(dǎo)熱系數(shù)越大，柔性熱管的導(dǎo)熱性能越高。

2.2 柔性熱管分類

根據(jù)柔性熱管的材質(zhì)不同，柔性熱管可以分為金屬柔性熱管、有機(jī)聚合物柔性熱管以及金屬-聚合物復(fù)合式柔性熱管。

金屬柔性熱管主要包含兩類：一類是利用金屬本身的延展性實(shí)現(xiàn)柔性變形，另一類是利用金屬波紋管作為柔性連接材料的熱管。Lee等[9]報(bào)道了一種利用銅自身的延展性實(shí)現(xiàn)柔性彎曲的熱管，該熱管尺寸為106 mm×36 mm×0.8 mm，采用銅為殼體材料，超親水氧化銅銅網(wǎng)(孔徑75 μm)作為毛細(xì)結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，熱管水平放置時(shí)有效導(dǎo)熱率為1000 W/(m·K)，在垂直方向運(yùn)行時(shí)有效導(dǎo)熱率可達(dá)3000 W/(m·K)，而熱管在彎曲變形后，導(dǎo)熱性能會(huì)下降10%～20%。由于受金屬自身延展性變形的限制，此類柔性熱管變形量不大。如圖4所示，利用可伸縮變形的金屬波紋管制成的柔性熱管可實(shí)現(xiàn)較大角度范圍內(nèi)的自由彎曲變形。金屬波紋管是一種具有橫向連續(xù)波紋曲線的薄壁圓柱殼體零件，能夠自由收縮、彎曲變形，具有工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，其主要材質(zhì)為不銹鋼、碳鋼、鋁、銅等。金屬波紋管柔性熱管主要利用金屬波紋管將柔性熱管的蒸發(fā)端與冷凝端連接起來(lái)，目前報(bào)道的波紋管材質(zhì)主要有黃銅、不銹鋼、鋁，工質(zhì)通常選擇為水、丙酮、液氨等。最早的金屬波紋管式柔性熱管是1970年Bliss等[10]報(bào)道的銅制波紋管式柔性熱管。該柔性熱管采用水作為工質(zhì)，內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)為不銹鋼絲網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)90°彎曲。同樣利用銅制波紋管，美國(guó)的Gernert等[11]報(bào)道了4種典型的適用于航空航天領(lǐng)域的柔性熱管，采用水作為工質(zhì)，燒結(jié)銅粉作為內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)，能夠傳輸27.5～125 W的熱量，并通過(guò)了冷熱循環(huán)、增壓、震動(dòng)、彎曲等測(cè)試。Jaipurkar等[12, 13]報(bào)道了兩種不同管徑銅制波紋管柔性熱管，熱管外徑分別為10和6 mm，有效長(zhǎng)度為200 mm，分別能夠傳遞80和60 W的熱量。

圖3 柔性熱管導(dǎo)熱性能測(cè)試示意圖[9]Fig.3 Schematic experimental setup for measuring heat-transfer performance of flexible heat pipes[9]

我國(guó)早在1978年就有對(duì)柔性熱管研究工作的相關(guān)報(bào)道[14]。我國(guó)空間技術(shù)研究院研制了鋁制波紋管和不銹鋼波紋管兩種不同材質(zhì)的柔性熱管，工質(zhì)分別采用液氨和丙酮，采用不銹鋼網(wǎng)作為內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)，有效長(zhǎng)度為400 mm，兩種柔性熱管都能傳遞52 W的熱量，并發(fā)現(xiàn)隨著柔性熱管的彎曲變形，熱管的最大傳熱量會(huì)下降。研究人員認(rèn)為這與內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致熱管內(nèi)部液體回流能力降低有關(guān)。為了滿足航天器散熱需求，尤其是在可展開(kāi)式、具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)備內(nèi)，中國(guó)空間技術(shù)研究院崔麗萍等[15]報(bào)道了一種能在水平方向和反重力方向都能穩(wěn)定運(yùn)行的柔性熱管。該熱管采用JR8L3金屬軟管作為柔性連接材料，內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)采用不銹鋼纖維氈條和不銹鋼絲網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)，熱管外徑為9 mm，有效長(zhǎng)度為355 mm。柔性熱管在水平放置時(shí)熱阻僅為0.175 ℃/W，而在反重力運(yùn)行條件下，熱阻為0.39 ℃/W。

圖4 金屬波紋管柔性熱管照片(a)，波紋管截面照片(b)[12]Fig.4 Photographs of the flexible heat pipe connected with bellows (a) and cross-section of the bellows section(b)[12]

利用金屬作為殼體材料，金屬柔性熱管不僅具有較高的導(dǎo)熱率、較低的熱阻，而且可以達(dá)到較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠承受比較大的內(nèi)部壓力，保證熱管穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，金屬柔性熱管便于大規(guī)模生產(chǎn)加工，在實(shí)際應(yīng)用中便于安裝固定，因此，金屬柔性熱管具有良好的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。但是，受金屬材料自身的延展性以及波紋管的形變的限制，金屬柔性熱管一般變形量較小。同時(shí)，采用金屬管作為蒸發(fā)端和冷凝端往往約束了其與電子器件之間的有效接觸，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)端和冷凝端熱阻較大。特別是針對(duì)可折疊電子器件的熱管理，需要進(jìn)一步研發(fā)新型超薄型柔性平板熱管，增強(qiáng)其與電子器件的接觸，適應(yīng)電子器件的微型化、高度集成化發(fā)展趨勢(shì)[16, 17]。此外，金屬在多次變形時(shí)容易發(fā)生疲勞斷裂，在某些場(chǎng)合需要對(duì)柔性熱管進(jìn)行絕緣性處理。

有機(jī)聚合物式柔性熱管是指利用柔性有機(jī)聚合物為封裝殼體材料的一類熱管。與金屬材料相比，有機(jī)聚合物具有良好的柔韌性、絕緣性、輕質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，可滿足柔性可折疊電子器件、航空航天減重器件等特殊服役條件下的散熱要求，當(dāng)前報(bào)道的聚合物基熱管通常選用硅橡膠、聚乙烯等作為熱管的殼體材料。2012年Wu等[18]報(bào)道他們利用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(polyethylene-terephthalate，PET)作為殼體材料，通過(guò)添加銅網(wǎng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行封裝，制備了長(zhǎng)度為75 mm、厚度僅僅只有1.8 mm的柔性熱管。如圖5a所示，為了保持熱管內(nèi)部氣體正常流動(dòng)，防止熱管在抽真空除氣時(shí)發(fā)生坍塌，熱管內(nèi)部采用橡膠(rubber)作為支撐材料。如圖5b所示，該柔性熱管在傳遞26 W熱量時(shí)，蒸發(fā)端與冷凝端溫差僅為5 ℃，熱管最小熱阻為0.157 ℃/W，最高有效導(dǎo)熱系數(shù)為13 261 W/(m·K)。由于受PET材料的限制，熱管柔性變形范圍不大，只能實(shí)現(xiàn)45°彎曲變形。Oshman等[6, 19, 20]利用液晶聚合物材料作為柔性熱管的殼體材料，通過(guò)采用光刻技術(shù)，構(gòu)筑了熱管內(nèi)部微槽道，并與銅網(wǎng)復(fù)合形成混合型毛細(xì)結(jié)構(gòu)。該柔性熱管尺寸只有40 mm×40 mm×1.2 mm，但能夠傳遞40 W的熱量，在失重和超重的情況下仍然保持了良好傳熱性能，其最大有效熱導(dǎo)率可達(dá)1653 W/(m·K)。此外，采用Impak公司的PAVVF4W復(fù)合材料(PET/PE/Al)作為基體，銅網(wǎng)作為內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱率可達(dá)銅導(dǎo)熱率的4.6倍，但質(zhì)量只有銅的1/5。Hsieh等[21]報(bào)道了一種利用硅橡膠為殼體材料的柔性熱管(80 mm×20 mm×4 mm)。該熱管采用熱壓成型技術(shù)，將硅橡膠置于模具內(nèi)施加一定壓力，加熱升溫到270 ℃保持3 min，冷卻固化后得到所需樣品。為增強(qiáng)柔性熱管的導(dǎo)熱性能，在熱管的蒸發(fā)端與冷凝端嵌入銅片，內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)采用4層、孔徑為60 μm的銅網(wǎng)，采用水作為工質(zhì)。該熱管利用硅橡膠的柔性可實(shí)現(xiàn)90°的彎曲變形，最小熱阻為5 ℃/W，最大傳熱量為12.7 W。此外，聚合物柔性熱管還采用聚酰亞胺[22, 23]、聚乙烯[24]作為殼體材料，傳熱量在2～16 W之間。

圖5 聚合物柔性熱管結(jié)構(gòu)示意圖(a)，熱管性能紅外測(cè)試(b)[18]Fig.5 Structure schematic of the polymer flexible heat pipe (a), IR image of the heat pipe at 26 W(b)[18]

相對(duì)于金屬型柔性熱管，利用有機(jī)聚合物高彈性、柔性大的特性，有機(jī)聚合物柔性熱管能夠達(dá)到90°以上的彎曲變形，并且可以實(shí)現(xiàn)熱管蒸發(fā)端與某些外形復(fù)雜的電子元件表面有效貼合，尤其適用于曲面熱源散熱、粗糙表面散熱等復(fù)雜情況。但是，由于有機(jī)物聚合物的導(dǎo)熱率低、軟化溫度低、熱膨脹系數(shù)大，導(dǎo)致此類熱管傳熱量小，使用溫度范圍窄，僅適用于發(fā)熱功率低的電子器件。此外，有機(jī)聚合物柔性熱管在抽真空時(shí)容易坍塌，導(dǎo)致有機(jī)物柔性熱管內(nèi)部負(fù)壓較小，傳熱性能較差。同時(shí)，有機(jī)聚合物材料還存在著氣密性問(wèn)題，制備封裝的柔性熱管的真空度難以長(zhǎng)時(shí)間保持。因此，有機(jī)物聚合物柔性熱管關(guān)鍵在于提高柔性聚合物的導(dǎo)熱率、強(qiáng)度、柔韌性、氣密性等性能。已有的研究結(jié)果表明：通過(guò)開(kāi)發(fā)新型聚合物材料以及在聚合物殼體材料中復(fù)合一定量的金屬材料，例如在聚酰亞胺表面覆銅[25]，或者在聚合物材料基體中添加Ag[26]、BN[27]等納米顆粒，可以實(shí)現(xiàn)在不影響柔韌性的前提下提升導(dǎo)熱性、氣密性；采用MEMS技術(shù)在聚合物熱管中添加支撐柱等結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)熱管機(jī)械穩(wěn)定性，進(jìn)而有效避免熱管在抽真空過(guò)程中發(fā)生坍塌等問(wèn)題[28]；對(duì)熱管內(nèi)表面進(jìn)行適當(dāng)化學(xué)修飾可以降低可能發(fā)生的聚合物材料與工質(zhì)之間的物理化學(xué)作用，從而保證熱管性能的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)熱管的工作壽命。

第3種柔性熱管是金屬與聚合物復(fù)合型熱管，在蒸發(fā)端與冷凝端采用金屬材料，在柔性連接部分采用聚合物。此類熱管一方面利用金屬材料良好的導(dǎo)熱性能，實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)端與冷凝端迅速換熱的效果；另一方面，利用聚合物材料良好的柔性，實(shí)現(xiàn)熱管的彎曲變形。目前此類柔性連接材料多選用聚氨酯、氟橡膠等。例如，2015年Yang等[8, 29]報(bào)道了一種利用聚氨酯材料作為柔性連接部分、銅作為蒸發(fā)端與冷凝端的復(fù)合柔性熱管(圖6)。該熱管長(zhǎng)450 mm，直徑為5 mm，內(nèi)部采用仿生親水結(jié)構(gòu)的納米材料作為毛細(xì)材料，水作為工質(zhì)，充液率為20%～40%。該熱管在傳遞12 W熱量時(shí)熱阻僅為0.008 ℃/W，并且在彎曲120°時(shí)仍能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)采用耐高溫、高彈性、低熱阻的氟橡膠作為柔性連接材料，利用內(nèi)置彈簧作為內(nèi)部毛細(xì)材料的支撐結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)熱管能夠完成在180°范圍內(nèi)的彎曲，傳熱效果是同樣尺度銅的3倍[8]。除普通柔性熱管以外，其他形式的柔性熱管也有相關(guān)報(bào)道。Qu等[30, 31]報(bào)道了一種利用氟橡膠作為柔性連接材料，溝槽型銅管作為蒸發(fā)端和冷凝端的柔性脈動(dòng)熱管。該熱管能夠彎曲成“N”型，隨著彎曲程度的加劇，熱管的啟動(dòng)溫度逐漸提高，熱管的性能也隨之下降。Zhou等[32]報(bào)道了以鋁作為蒸發(fā)端與冷凝端材料、聚氨酯管作為柔性連接部分的柔性環(huán)路熱管。該柔性熱管在傳遞100 W熱量時(shí)，熱阻僅為0.2 ℃/W。

復(fù)合型柔性熱管一方面解決了金屬柔性熱管彎曲變形小的缺點(diǎn)，另一方面在蒸發(fā)端與冷凝端采用金屬材料，大大提高了柔性熱管的傳熱性能。在加工工藝上，復(fù)合型柔性熱管的關(guān)鍵技術(shù)在于有機(jī)聚合物與金屬材料的連接封裝，目前報(bào)道的復(fù)合型柔性熱管多采用粘結(jié)和機(jī)械固定相結(jié)合的封裝方法。此類封裝方法強(qiáng)度較低，僅僅滿足傳熱量較低的情況。為實(shí)現(xiàn)大功率、集成化電子芯片的散熱，需要進(jìn)一步提高有機(jī)聚合物與金屬材料的連接特性，如采用化學(xué)鍵合[33]、機(jī)械密封[34]、焊接連接[35]等方法。此外，當(dāng)前報(bào)道的復(fù)合型柔性熱管多為管狀，針對(duì)柔性電子器件以及狹窄空間的散熱，需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)平板狀等其他形式的熱管。

圖6 金屬-聚合物復(fù)合柔性熱管結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖[29]Fig.6 Configuration schematic of metal-polymer composite flexible heat pipe and a photograph of the fabricated heat pipe[29]

2.3 柔性熱管傳質(zhì)理論分析

柔性熱管的傳熱極限取決于內(nèi)部毛細(xì)力的大小，而柔性熱管在發(fā)生變形時(shí)，蒸汽在彎道處會(huì)受到更大的流動(dòng)阻力，因此需要柔性熱管內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)提供更大的毛細(xì)壓力，保證熱管正常工作。Oshman等[7]對(duì)柔性熱管的傳熱極限做出了理論上的分析，假設(shè)存在最大毛細(xì)作用力(ΔPc,max)。當(dāng)柔性熱管穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，最大毛細(xì)力需要克服液體壓力損失(ΔPL)、氣體壓力損失(ΔPv)、蒸發(fā)端與冷凝端的相變損失(ΔPph,e，ΔPph,c)以及加速度引起的損失(ΔP‖)：

ΔPc,max≥ΔPL+ΔPv+ΔPph,e+ΔPph,c+ΔP‖

(4)

其中，最大毛細(xì)力ΔPc,max可根據(jù)Young-Laplace公式計(jì)算：

(5)

式中σ為工質(zhì)的表面張力，θ表示毛細(xì)材料的接觸角，rc為毛細(xì)半徑。

液體壓力損失ΔPL可以根據(jù)Fahgri[36]的公式計(jì)算得出：

(6)

其中μL為熱管內(nèi)工質(zhì)的粘度，L為熱管的有效長(zhǎng)度，K毛細(xì)材料滲透率，Aw為熱管的橫截面積，hfg為工質(zhì)的汽化潛熱，q為熱管傳遞的功率。

當(dāng)柔性熱管發(fā)生柔性變形時(shí)，熱管內(nèi)蒸汽流動(dòng)壓力損失ΔPv可以根據(jù)公式(7)計(jì)算得出：

(7)

其中，C為常數(shù)，取決于Mach數(shù)；fv為摩擦系數(shù)，Rev為氣體的雷諾數(shù)，μv為氣體的粘度，rh,v為氣體的流道半徑，Av為流道橫截面積，hm為流過(guò)彎道的壓力損失。當(dāng)柔性熱管不發(fā)生變形時(shí)，hm為0；當(dāng)柔性熱管發(fā)生彎曲變形時(shí)，hm可由公式(8)和(9)計(jì)算得出：

(8)

(9)

其中v為氣體的速度，g為重力加速，D為熱管的內(nèi)徑，R為熱管的彎曲半徑，α為柔性熱管的彎曲角度。通過(guò)公式(8)和(9)可以看出，柔性熱管的最大傳熱極限與熱管彎曲角度和彎曲半徑有關(guān)，即隨著彎曲角度的增加、彎曲半徑的減小，氣體在熱管內(nèi)流動(dòng)壓力損失會(huì)增大，柔性熱管的傳熱性能降低。

3 柔性熱管的應(yīng)用

鑒于柔性熱管具有高導(dǎo)熱率、可彎曲變形、輕質(zhì)、穩(wěn)定性高等優(yōu)異的性能，其已經(jīng)在航空航天、電子信息、國(guó)防科技等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。圖7為柔性熱管應(yīng)用于筆記本電腦和手機(jī)散熱[37]。

圖7 柔性熱管在筆記本電腦(a)和手機(jī)(b)中的應(yīng)用[37]Fig.7 Application of flexible heat pipes in thermal management of laptop (a)and mobile phone (b)[37]

在航空航天領(lǐng)域，為了減輕飛行器的重量、節(jié)約成本、提高維護(hù)性，電子器件的集成度、微型化程度不斷提升，對(duì)散熱的需要也隨之增加。柔性熱管能夠依靠?jī)?nèi)部毛細(xì)力完成液體回流，不需要額外的動(dòng)力源，可在失重超重情況下自行驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，具有很好的穩(wěn)定性、可靠性，是當(dāng)前解決航空航天領(lǐng)域高功率器件散熱的一種重要技術(shù)。目前，美國(guó)的Swales Aerospace公司、Thermacore公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出相關(guān)的柔性熱管并應(yīng)用于航天飛行器的熱控(圖8所示)。例如，在美國(guó)Navy F/A-18飛行器中，利用柔性熱管技術(shù)，將飛行器中的副翼、后緣襟翼制動(dòng)器內(nèi)電子器件的熱量及時(shí)傳遞到外部冷卻[11, 38]。副翼制動(dòng)器內(nèi)部的柔性熱管長(zhǎng)73.66 cm，采用銅波紋管作為柔性連接材料，采用燒結(jié)銅粉作為內(nèi)部毛細(xì)材料，熱管在傳遞44.5 W的熱量時(shí)蒸發(fā)端和冷凝端僅僅存在4 ℃溫差。在美國(guó)F-14D飛行器的電腦終端，同樣利用柔性熱管技術(shù)，將電子器件產(chǎn)熱傳遞到外部散熱。該柔性熱管長(zhǎng)81.28 cm，在傳輸125 W熱量時(shí)蒸發(fā)端與冷凝端溫差僅僅9.5 ℃。

圖8 飛行器內(nèi)的柔性熱管[11, 38]Fig.8 Photography of flexible heat pipes for aircrafts[11, 38]

美國(guó)Ball Aerospace and Technologies公司[39]為了解決哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的電荷耦合器件(charged-coupled device，CCD)散熱問(wèn)題，研制出一種以液氨為工質(zhì)、不銹鋼軟管作為柔性連接材料的柔性熱管。該熱管滿足在-24 ℃下傳遞30 W熱量的散熱需求，并通過(guò)了微重力、疲勞、偏心等測(cè)試。

在大型天文望遠(yuǎn)鏡中，焦面散熱問(wèn)題一直是制約天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)展的因素之一。由于在天文望遠(yuǎn)鏡工作中，焦面需要前后移動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，一般的循環(huán)水冷卻系統(tǒng)需要配備循環(huán)水泵、循環(huán)管路，這給實(shí)際應(yīng)用維護(hù)造成諸多不便。對(duì)此，張建成等[40]提出將不銹鋼柔性熱管應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡的焦面散熱上，利用內(nèi)部丙酮工質(zhì)相變傳熱，可將焦面產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳送到鏡筒外部，并且柔性熱管可隨焦面運(yùn)動(dòng)，無(wú)需外加冷卻循環(huán)泵和循環(huán)管路，降低了維護(hù)成本，提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

除此之外，柔性熱管在消費(fèi)電子，尤其是解決具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的器件的散熱問(wèn)題中發(fā)揮著重要作用。在Yang等[8]的研究中，將柔性熱管運(yùn)用到可折疊式電子產(chǎn)品中，柔性熱管可傳遞40 W的熱量，傳熱性能是相同條件下銅管的3倍，而且柔性熱管的熱響應(yīng)速度快，在5 min內(nèi)即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并能夠維持均溫性。中國(guó)臺(tái)灣的研究人員報(bào)道了一種用于LED散熱的聚合物柔性熱管[41]，該熱管采用FR4聚合物作為熱管的柔性殼體，水作為工質(zhì)。相對(duì)于普通金屬熱管，F(xiàn)R4聚合物板可作為安裝LED的基板，LED直接與柔性熱管外殼封裝，從而減少LED與熱管之間的熱阻，提高LED的散熱性能。研究表明，采用柔性熱管作為L(zhǎng)ED散熱基板，當(dāng)傳輸功率為16 W時(shí)，器件的熱阻僅為3.85 ℃/W，相對(duì)于無(wú)熱管的普通封裝，該技術(shù)可使熱阻減少57%。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了柔性熱管的基本原理、制作工藝、研究進(jìn)展和應(yīng)用領(lǐng)域。相對(duì)于傳統(tǒng)依靠固體導(dǎo)熱方式進(jìn)行散熱，柔性熱管技術(shù)基于氣液相變進(jìn)行傳熱，具有導(dǎo)熱率高、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)、尺寸小、便于使用等優(yōu)點(diǎn)，能夠克服常用剛性熱管不易折疊變形或形變會(huì)導(dǎo)致傳熱性能大幅降低的缺點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的商業(yè)價(jià)值。然而目前的柔性熱管技術(shù)仍然存在許多問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，未來(lái)的研究方向主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)加強(qiáng)對(duì)柔性熱管的傳質(zhì)傳熱的理論研究。目前基于經(jīng)典傳熱學(xué)理論，傳統(tǒng)的剛性熱管理論模型已經(jīng)完善，而對(duì)于柔性熱管的理論還需要進(jìn)一步探索，尤其是柔性熱管發(fā)生變形時(shí)，熱管內(nèi)部傳熱傳質(zhì)機(jī)理尚未揭示，對(duì)柔性熱管的性能難以做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

(2)優(yōu)化柔性熱管內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的性能。目前的毛細(xì)結(jié)構(gòu)多采用金屬銅網(wǎng)或燒結(jié)銅粉，毛細(xì)結(jié)構(gòu)的親水性能和機(jī)械性能較差。柔性熱管在彎曲時(shí)內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)容易受損，尤其是在劇烈反復(fù)彎折運(yùn)行中，內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)極易受到破壞，從而導(dǎo)致柔性熱管傳熱性能下降。在這方面，可以借鑒柔性電子器件的制備與加工工藝，通過(guò)采用電鍍、原位化學(xué)生長(zhǎng)、化學(xué)修飾、熱處理等方法對(duì)毛細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步強(qiáng)化，增強(qiáng)內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的性能。

(3)提高有機(jī)聚合物柔性熱管的適用范圍。有機(jī)聚合物式柔性熱管具有較好機(jī)械柔韌性，但是由于有機(jī)聚合物適用范圍有限，導(dǎo)致其使用范圍較小，僅限于溫度不高的小功率器件。因此，需要研制新型耐高溫、高強(qiáng)度、彎曲性好的有機(jī)聚合物，也可以通過(guò)采用金屬-聚合復(fù)合材料作為殼體材料，以滿足大功率器件熱管理的要求。

(4)增強(qiáng)柔性熱管在彎曲變形中的傳熱性能。柔性熱管在彎曲過(guò)程時(shí)，氣體流動(dòng)和液體回流都會(huì)受到損失，尤其是在大彎曲率時(shí)，柔性熱管的傳熱性能急劇下降。因此，需要新的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如增大柔性熱管內(nèi)部氣流空間、增強(qiáng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)的回流特性，從而保證柔性熱管在大范圍彎曲條件下的穩(wěn)定工作。

(5)深入開(kāi)展柔性熱管穩(wěn)定性、可靠性的研究。為了實(shí)現(xiàn)柔性熱管能夠在溫度驟變、高溫高壓、逆重力等情況下的實(shí)際應(yīng)用，在柔性熱管的設(shè)計(jì)時(shí)需要同時(shí)兼顧良好的機(jī)械柔韌性、較高的導(dǎo)熱率、高強(qiáng)度、耐高溫、耐疲勞、抗腐蝕等性質(zhì)。特別是薄壁金屬柔性熱管的焊接、柔性材料與剛性材料的連接問(wèn)題，可考慮綜合利用擴(kuò)散焊接、激光焊接、釬焊、機(jī)械密封等方法，增強(qiáng)柔性熱管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而推進(jìn)柔性熱管的實(shí)際應(yīng)用。

(6)電子器件向著柔性化、可折疊化、高集成化的趨勢(shì)發(fā)展，要求柔性熱管向超薄化發(fā)展，而柔性可穿戴電子器件的熱管理也應(yīng)該成為柔性熱管一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。