李 洋，王松偉，劉勁松,，張士宏，韓秋水，胡寬雨

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，師昌緒先進(jìn)材料創(chuàng)新中心，遼寧沈陽(yáng) 110016；3.廣東龍豐精密銅管有限公司，廣東 珠海 519090）

1 引言

隨著電子信息行業(yè)的飛速發(fā)展和5G通信技術(shù)的普及，大功率電子設(shè)備如智能手機(jī)、平板電腦等朝著多功能、小型化和集成化方向發(fā)展。隨之帶來(lái)的是設(shè)備內(nèi)部的高熱流密度，熱量的積累將導(dǎo)致集成器件周?chē)臏囟炔粩嗌?，并影響電子元件的工作性能?-2］。有相關(guān)研究表明，在70～80℃的水平上，溫度每升高10℃，電子設(shè)備芯片計(jì)算能力會(huì)下降50%［3］。如何快速有效地導(dǎo)出內(nèi)部積累的熱量已經(jīng)成為電子設(shè)備制造領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題。

相變傳熱技術(shù)以其高傳熱性能、穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命、低成本等優(yōu)點(diǎn)成為電子產(chǎn)品散熱的首要選擇［4-5］。熱管最初應(yīng)用于降低飛船陽(yáng)面與陰面的溫度差，此后廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、冶金等諸多領(lǐng)域。青藏鐵路是世界上最長(zhǎng)的高原鐵路，為解決凍土層的凝固和融化對(duì)鐵路地基的影響，熱管技術(shù)被運(yùn)用到了鐵路建設(shè)上。由于地表溫度常年低于土壤溫度，埋入地下的熱管把土壤熱量傳導(dǎo)至地面，保持凍土低溫凍結(jié)狀態(tài)［6］。熱管主要由管殼、吸液芯和工作液體構(gòu)成，可分為蒸發(fā)段、絕熱段、冷凝段。工作液體在蒸發(fā)段吸收熱量蒸發(fā)，蒸汽流向冷凝段液化并放出熱量，冷凝后的液體在吸液芯的毛細(xì)力作用下回流至蒸發(fā)段進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。其工作原理如圖1所示［7］。由于銅材料具有良好的導(dǎo)熱能力，易于塑性變形等特點(diǎn)，銅基熱管被廣泛作為電子設(shè)備散熱元件。電子產(chǎn)品向著小型化、輕薄化的方向發(fā)展，導(dǎo)致電子產(chǎn)品內(nèi)部可利用的空間非常有限。因此，熱管需要經(jīng)過(guò)繞彎、壓扁等加工，使之與產(chǎn)品內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)相配合，使熱管與熱源更加貼合，提高產(chǎn)品的美觀(guān)度與散熱效率［8］。

圖1 熱管的工作原理

本文介紹了目前廣泛應(yīng)用的幾種超薄熱管，分析它們?cè)诩庸づc使用過(guò)程中存在的問(wèn)題，并對(duì)電子器件散熱發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行科學(xué)地預(yù)測(cè)與展望。

2 熱管的類(lèi)型

根據(jù)吸液芯結(jié)構(gòu)的不同，銅基熱管可分為溝槽型、燒結(jié)型和復(fù)合型等。每種類(lèi)型的熱管性能優(yōu)勢(shì)不同，本文簡(jiǎn)要介紹幾種類(lèi)型的熱管，說(shuō)明它們的工作原理及優(yōu)勢(shì)，對(duì)影響熱管傳熱的主要因素進(jìn)行分析。

2.1 溝槽型熱管

溝槽型熱管的吸液芯是銅管內(nèi)表面的一些平行于軸向分布的槽道，如圖2所示。與其他類(lèi)型的吸液芯相比，溝槽管的吸液芯與銅管連為一體，在繞彎、壓扁等二次加工時(shí)不會(huì)出現(xiàn)吸液芯脫落的現(xiàn)象。在傳熱過(guò)程中，熱管蒸發(fā)段從熱源吸收熱量，銅管通過(guò)熱傳導(dǎo)過(guò)程把熱量傳遞給內(nèi)部工質(zhì)，不需要經(jīng)過(guò)銅管與吸液芯之間的熱傳遞過(guò)程，有效地降低了熱阻。由于溝槽型熱管吸液芯的毛細(xì)力較弱，在使用時(shí)溝槽管的蒸發(fā)段要位于冷凝段的下方，冷凝后的液體依靠重力的作用回到蒸發(fā)段。溝槽型熱管雖然毛細(xì)力較小，但具有較好的滲透率，回流阻力較小［9-10］。溝槽管進(jìn)行大變形彎折后會(huì)導(dǎo)致熱管失效，使溝槽管的傳熱性能顯著下降。

圖2 溝槽型熱管

微型溝槽型熱管的加工方式主要有高速充液旋壓、擠壓-犁削、微細(xì)電解加工技術(shù)、激光刻蝕加工技術(shù)等［11］?？紤]到生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率，目前溝槽管主要采用管內(nèi)壁旋壓成形工藝生產(chǎn)［12］。此成形工藝加工過(guò)程較簡(jiǎn)單，有利于工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。圖3為內(nèi)壁旋壓成形工藝制造溝槽管原理示意圖，連桿和多齒芯頭固定在一起裝入到銅管內(nèi)，圍繞著銅管外部固定有旋壓鋼球，隨著銅管向前運(yùn)動(dòng)，鋼球也在旋壓蓋的帶動(dòng)下圍繞著銅管周向滾動(dòng)。滾珠和多齒芯頭的擠壓作用使銅管發(fā)生塑性變形，塑性流動(dòng)的金屬向多齒芯頭齒間隙內(nèi)填充，在銅管內(nèi)壁留下溝槽結(jié)構(gòu)。

圖3 內(nèi)壁旋壓成形工藝原理

影響溝槽管傳熱的主要因素有溝槽的截面形狀和深寬比。溝槽的開(kāi)口形狀主要有三角形、梯形和矩形，其中倒梯形開(kāi)口形狀溝槽的傳熱效率最好，但制造難度較大。影響溝槽管傳熱性能的工藝參數(shù)主要為銅管的進(jìn)給速度和旋壓球數(shù)量。隨著銅管進(jìn)給速度的降低，溝槽具有更大的深寬比，溝槽的深寬比越大，傳熱性能越好。為獲得良好的傳熱效率，應(yīng)降低銅管的進(jìn)給速度，但銅管較低的進(jìn)給速度會(huì)造成生產(chǎn)效率的下降，因此，應(yīng)選擇合適的銅管進(jìn)給速度。旋壓球數(shù)量越多深寬比也越大，但銅管的周長(zhǎng)有限，在生產(chǎn)時(shí)應(yīng)合理選擇旋壓球的直徑與數(shù)量。

2.2 燒結(jié)型熱管

燒結(jié)熱管通過(guò)在銅管內(nèi)表面燒結(jié)一層具有多孔結(jié)構(gòu)的燒結(jié)層作為吸液芯［13］，如圖4所示。燒結(jié)層多孔毛細(xì)結(jié)構(gòu)為工質(zhì)液體回流提供較大的毛細(xì)力，不受使用方向的限制。文獻(xiàn)［14-15］研究了重力對(duì)燒結(jié)熱管產(chǎn)熱性能的影響，大部分熱管的傾角為30～60°時(shí)燒結(jié)熱管具有最佳的傳熱效率。因此，燒結(jié)熱管的使用范圍更加廣泛。與溝槽型熱管相比，燒結(jié)熱管的抗重力性能好，但滲透率比較低。燒結(jié)熱管在壓扁過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)層脫落的現(xiàn)象，導(dǎo)致熱管的傳熱性能?chē)?yán)重降低。

圖4 燒結(jié)型熱管

燒結(jié)熱管的制作需要經(jīng)過(guò)燒結(jié)、縮管、注液、一次除氣、二次除氣、繞彎或壓扁等工藝過(guò)程。燒結(jié)熱管制備需要銅管填粉后在較高的溫度下燒結(jié)，使得銅粉與銅粉、銅粉與管壁粘結(jié)在一起，形成具有多孔結(jié)構(gòu)的吸液芯。吸液芯中相互連通，呈現(xiàn)開(kāi)放狀態(tài)的孔隙為吸液芯的有效結(jié)構(gòu)。吸液芯的孔隙率決定了燒結(jié)熱管毛細(xì)力的大小，當(dāng)銅粉填充過(guò)程結(jié)束后，吸液芯的孔隙率也就隨之確定。所以，為得到滲透率良好的吸液芯應(yīng)選擇合適粒徑范圍的銅粉。Jiang等［16］研究表明銅粉的粒徑和填充厚度不同所需要的燒結(jié)時(shí)間與燒結(jié)溫度也是不同的。當(dāng)填充厚度為0.45 mm，選用159 μm粒徑的銅粉時(shí)，最佳的燒結(jié)時(shí)間為3 h，最佳的燒結(jié)溫度為950 ℃。

目前對(duì)燒結(jié)熱管的研究多集中在傳熱性能、吸液芯的選擇、熱管的使用方向?qū)鳠嵝阅艿挠绊懙确矫妫瑹Y(jié)熱管在壓扁、繞彎等加工過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷研究較少，缺陷對(duì)于燒結(jié)熱管傳熱性能的影響還沒(méi)有相關(guān)研究。

2.3 編織網(wǎng)型熱管

編織網(wǎng)型熱管通過(guò)在銅管內(nèi)部燒結(jié)具有三維結(jié)構(gòu)的編織絲網(wǎng)作為熱管的吸液芯［17］，如圖5（a）。編織絲網(wǎng)采用銅絲線(xiàn)編制而成，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，絲線(xiàn)之間發(fā)生粘結(jié)，達(dá)到提高毛細(xì)力和滲透率的目的。為了滿(mǎn)足產(chǎn)品需求，開(kāi)發(fā)出了多層不同直徑銅絲編織的吸液芯，這種編織網(wǎng)在燒結(jié)后，絲線(xiàn)間形成不同直徑的毛細(xì)孔，進(jìn)一步提高了毛細(xì)力與滲透率。圖5（b）為多層編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的吸液芯［18］。

圖5 (a)編織網(wǎng)型熱管；(b)多層編織網(wǎng)型吸液芯

編織網(wǎng)型熱管在壓扁時(shí)不會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)熱管與壁面脫落或斷裂的問(wèn)題，而且相較于溝槽熱管，編織型熱管的毛細(xì)力提高，對(duì)熱管使用方向的限制減小。復(fù)合型熱管雖然提高了毛細(xì)力，但毛細(xì)力小于燒結(jié)熱管，滲透率與溝槽管相比也有所降低。所以，單一的編織網(wǎng)型熱管的使用率并不高。

2.4 復(fù)合型熱管

文獻(xiàn)［19-21］介紹了幾種復(fù)合吸液芯，并對(duì)其成形工藝進(jìn)行了說(shuō)明。復(fù)合型熱管綜合了各類(lèi)型熱管的優(yōu)點(diǎn)，提升了熱管的綜合性能。但復(fù)合型熱管生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，限制了其應(yīng)用空間。為了滿(mǎn)足產(chǎn)品需求，通過(guò)組合不同類(lèi)型的吸液芯，得到不同優(yōu)異性能的熱管。

銅粉編織網(wǎng)型復(fù)合熱管的制造工藝與燒結(jié)型熱管相同，都需要經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)的工藝過(guò)程。與燒結(jié)熱管相比，復(fù)合型熱管的滲透率提高的同時(shí)沒(méi)有導(dǎo)致毛細(xì)力的嚴(yán)重下降，在壓扁過(guò)程中，不會(huì)與壁面脫落，大大降低了這種失效現(xiàn)象的產(chǎn)生。燒結(jié)粉末與絲網(wǎng)一起燒結(jié)，既改善了燒結(jié)時(shí)吸液芯脫落問(wèn)題，又提高了絲網(wǎng)吸液芯的毛細(xì)力。燒結(jié)粉末與溝槽結(jié)構(gòu)相結(jié)合，改善了溝槽管毛細(xì)力較小的問(wèn)題，改善了燒結(jié)熱管滲透率較小的問(wèn)題。通過(guò)這種優(yōu)化組合，大大拓展了熱管的應(yīng)用空間，提高了熱管的導(dǎo)熱效率。

隨著電子產(chǎn)品與設(shè)備對(duì)熱管的要求逐漸增高，各種類(lèi)型、各種結(jié)構(gòu)的吸液芯不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，大大提高了熱管的散熱效率。

3 熱管加工過(guò)程主要問(wèn)題

3.1 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

3.1.1 彎曲起皺

熱管繞彎成形是熱管為配合電子產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的加工過(guò)程。由于熱管在繞彎時(shí)，管外側(cè)受拉應(yīng)力作用變薄，管內(nèi)側(cè)靠近彎曲模一端由于受到壓應(yīng)力的作用而失穩(wěn)發(fā)生起皺。圖6為在繞彎成形過(guò)程中，熱管內(nèi)部沒(méi)有芯棒等提供支撐力導(dǎo)致薄壁熱管繞彎部位內(nèi)側(cè)出現(xiàn)起皺的現(xiàn)象。崔曉磊等［22］對(duì)管材立體高壓成形過(guò)程中起皺行為進(jìn)行了討論，管材在內(nèi)壓和軸向補(bǔ)料的聯(lián)合作用下逐漸貼靠模具型腔，補(bǔ)料量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致軸向塑性失穩(wěn)，產(chǎn)生起皺缺陷。燒結(jié)熱管?chē)?yán)重的向內(nèi)屈曲褶皺會(huì)造成熱管內(nèi)部氣流通道面積的減小，導(dǎo)致傳熱效率嚴(yán)重下降。在燒結(jié)熱管彎曲時(shí)還會(huì)導(dǎo)致吸液芯的脫落，使熱管失效。管材在彎曲時(shí)內(nèi)側(cè)壁厚增加，外側(cè)壁厚減薄。熱管經(jīng)過(guò)一次除氣和二次除氣，內(nèi)部為負(fù)壓狀態(tài)，減薄部分受到大氣壓力的影響也會(huì)出現(xiàn)向內(nèi)塌陷的現(xiàn)象。戴莉等［23］采用有限元分析的方式研究了材料參數(shù)對(duì)不銹鋼管繞彎起皺的影響，屈服強(qiáng)度和彈性模量對(duì)起皺的影響較大，厚向異性指數(shù)、硬化指數(shù)、強(qiáng)度系數(shù)和泊松比對(duì)起皺的影響次之。王修坤等［24］提出純滾動(dòng)式繞彎工藝，與傳統(tǒng)繞彎工藝相比明顯降低了繞彎褶皺的程度，這種工藝對(duì)管壁的拉力只有傳統(tǒng)繞彎工藝的1/3。文獻(xiàn)［25-26］表明彎曲半徑越大、多道次彎曲、一致的彎曲速度等可使熱管內(nèi)側(cè)的褶皺問(wèn)題得到優(yōu)化。

圖6 熱管繞彎起皺

3.1.2 壓扁塌陷

文獻(xiàn)［27-28］對(duì)圓管壓扁過(guò)程進(jìn)行分析，在壓扁過(guò)程中，由于平直段受到壓應(yīng)力的作用而出現(xiàn)塌陷。熱管在壓扁時(shí)，動(dòng)模向下運(yùn)動(dòng)，熱管壓扁平面不斷變寬，最終成為一定厚度的扁平狀熱管。鄧大祥等［29］對(duì)V型溝槽管進(jìn)行連續(xù)壓扁實(shí)驗(yàn)表明，硬態(tài)溝槽管壓扁過(guò)程中會(huì)依次產(chǎn)生“一次塌陷”、中間折痕、“二次塌陷”等截面缺陷，而軟態(tài)溝槽管壓扁成形性能較好。如圖7（a）為熱管冷壓扁后截面形狀。壓扁初期，動(dòng)模與熱管接觸，熱管上部開(kāi)始變平，隨著壓下量的增大，壓扁平面的寬度越來(lái)越大，動(dòng)模對(duì)熱管的壓力沿曲面?zhèn)鬟f，逐漸變成對(duì)兩側(cè)的擠壓；在壓扁中期，隨著動(dòng)模與熱管的接觸面積增大，兩者之間的摩擦力限制了中部金屬向兩側(cè)流動(dòng)；壓扁后期，熱管兩側(cè)對(duì)中部金屬的擠壓導(dǎo)致中部向下凹，熱管中部與磨具分離。冷壓扁后，壓扁平面呈現(xiàn)沿?zé)峁茌S向塌陷的狀態(tài)，嚴(yán)重影響熱管的使用性能。塌陷會(huì)導(dǎo)致蒸汽流通面積的減小，甚至導(dǎo)致上下壓扁平面接觸到一起，嚴(yán)重影響熱管吸液芯的空隙結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［30-31］對(duì)圓管的壓扁過(guò)程的受力進(jìn)行分析，提出將集中應(yīng)力改成分布應(yīng)力，由中間受力改變?yōu)閮蓚?cè)受力，可有效解決壓扁塌陷問(wèn)題。目前采用相變壓扁的制造工藝可以有效改善壓扁塌陷現(xiàn)象［32］。相變壓扁工藝，把熱管加熱到一定的溫度，熱管內(nèi)部工質(zhì)蒸發(fā)形成蒸汽，內(nèi)部壓力升高，為熱管壓扁平面提供支撐力，使壓扁平面保持平直的貼模狀態(tài)，如圖7(b)。相變壓扁的溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部蒸汽壓過(guò)大，熱管壓扁后回彈量過(guò)大，同時(shí)，壓扁過(guò)程中，熱管兩側(cè)應(yīng)力集中較大，過(guò)大的蒸汽壓會(huì)導(dǎo)致熱管出現(xiàn)破裂。因此，在相變壓扁時(shí)應(yīng)根據(jù)工質(zhì)液體選擇合適的溫度，才能達(dá)到理想的成形效果。

圖7 (a)熱管冷壓扁截面;(b)熱管相變壓扁截面

3.2 表面缺陷

3.2.1 繞彎橘皮

熱管在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用會(huì)受到內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的限制。在電腦內(nèi)部，熱管將中央處理器產(chǎn)生的熱量傳遞到風(fēng)扇下方，通過(guò)風(fēng)扇把熱量排出，如圖8（a）。因此，熱管在安裝時(shí)需要合理規(guī)劃路徑，對(duì)熱管進(jìn)行繞彎加工。在熱管繞彎后，彎曲表面會(huì)出現(xiàn)橘皮狀的粗糙現(xiàn)象，如圖8（b）。橘皮現(xiàn)象是材料具有粗晶?；蛘咭蛩苄宰冃尾痪斐傻牧慵砻娉霈F(xiàn)的一種粗糙、形如橘皮的缺陷［33］，這種缺

陷不僅會(huì)使熱管的耐腐蝕能力下降，而且會(huì)影響美觀(guān)［34］。文獻(xiàn)［35-38］表明由于晶粒不均勻，加工過(guò)程中變形不均導(dǎo)致出現(xiàn)宏觀(guān)橘皮現(xiàn)象。Wang等［39-40］對(duì)薄壁燒結(jié)熱管熱處理過(guò)程中微觀(guān)組織的演化表明，P元素對(duì)晶界的釘扎作用導(dǎo)致硬取向晶粒遺留在退火后的基體中，條帶狀孿晶與基體晶粒不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致熱管繞彎出現(xiàn)橘皮。橘皮缺陷在合金中是比較常見(jiàn)的一種表面缺陷。嚴(yán)重時(shí)，部分燒結(jié)熱管產(chǎn)品在繞彎后，熱管繞彎處外側(cè)出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，如圖8(c)。彭博等［41］通過(guò)有限元分析的方法對(duì)薄壁管材的繞彎成形過(guò)程進(jìn)行了研究，模具與管材摩擦系數(shù)的增大，管材中心層外側(cè)管壁逐漸減薄，增大了破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 (a)電腦中的熱管；(b)熱管繞彎橘皮缺陷；(c)熱管繞彎表面裂紋

3.2.2 壓扁凹坑

為了適應(yīng)電子產(chǎn)品小型化、輕薄化的發(fā)展趨勢(shì)，熱管需要根據(jù)內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品形狀進(jìn)行調(diào)整。壓扁后的熱管可以很好地適應(yīng)手機(jī)等超薄便攜型產(chǎn)品的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，相比壓扁前，熱管內(nèi)部的燒結(jié)吸液芯結(jié)構(gòu)遭到了部分破壞，燒結(jié)式熱管導(dǎo)熱效率有所下降，同時(shí)，扁平的熱管結(jié)構(gòu)可以增大與熱源的換熱面積。如圖9，壓扁處理后熱管表面會(huì)出現(xiàn)局部凹坑缺陷，這種缺陷導(dǎo)致熱管與熱源貼合不緊密，在熱管與熱源之間存留一層空氣，增加了界面熱阻，降低了熱管的傳熱效率［42］。燒結(jié)熱管壓扁平面局部凹坑是由于微觀(guān)組織的塑性變形不均勻?qū)е碌?。在變形過(guò)程中，不同取向晶粒之間滑移系開(kāi)啟的難易程度不同，易發(fā)生滑移的大尺寸晶粒發(fā)生變形，從而出現(xiàn)宏觀(guān)凹坑形貌。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)于這種表面凹坑缺陷問(wèn)題的研究不是很多，熱管壓扁表面凹坑形貌產(chǎn)生的機(jī)理也需要進(jìn)一步研究，解決表面凹坑缺陷對(duì)于散熱行業(yè)的發(fā)展具有一定的工程價(jià)值與意義。

圖9 熱管壓扁表面凹坑缺陷

3.2.3 表面缺陷形成原因分析

許竹桃等［43］研究銅母排冷彎過(guò)程中出現(xiàn)橘皮狀缺陷發(fā)現(xiàn)：大量滑移局限在少數(shù)孿晶內(nèi)使變形不均勻是導(dǎo)致橘皮產(chǎn)生的原因。趙雙等［42］認(rèn)為在高溫下燒結(jié)，二次再結(jié)晶長(zhǎng)大不均勻，導(dǎo)致了熱管表面在彎曲時(shí)出現(xiàn)褶皺，壓扁時(shí)出現(xiàn)凹坑現(xiàn)象。柳華炎等［44］通過(guò)向鋁合金板材中加入微量Zr使晶粒細(xì)化，解決了鋁合金沖壓橘皮紋缺陷問(wèn)題。如圖10(a)，熱管表面缺陷部位金相觀(guān)察表明，熱管的基體組織晶粒較為粗大，平均晶粒尺寸為452.3 μm，并且基體晶粒內(nèi)部有大量的孿晶，而在熱管的橫截面上晶粒異常長(zhǎng)大至僅為一層晶粒。銅管晶粒尺寸不均及大尺寸退火孿晶是橘皮與局部凹坑缺陷出現(xiàn)的原因之一，在繞彎及壓扁過(guò)程中，孿晶的滑移系開(kāi)啟所需要的切應(yīng)力較大，不易發(fā)生變形，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)在孿晶界處被阻礙，晶粒塑性變形不均，部分晶粒被撕裂，如圖10(b)。在加工過(guò)程中，孿晶與基體晶粒變形不協(xié)調(diào)造成了表面缺陷。研究表明［45］，通過(guò)加入稀土元素可有效抑制銅管高溫?zé)崽幚磉^(guò)程中的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，稀土相通過(guò)抑制孿晶界的遷移，形成強(qiáng)烈的孿晶三叉晶界拖曳作用達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。

圖10 (a)熱管缺陷表面金相;(b)熱管截面金相

4 熱管發(fā)展趨勢(shì)

目前，隨著各行各業(yè)對(duì)散熱需求的提高，熱管向著產(chǎn)品類(lèi)型的多樣化、應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛化發(fā)展［46］。同時(shí)，熱管的散熱性能也在不斷優(yōu)化和提高。在許多領(lǐng)域，熱管被用來(lái)解決散熱難題，但銅基熱管仍然存在散熱面積小、耐振動(dòng)性能差、抗腐蝕能力弱等問(wèn)題。

熱管成形工藝越來(lái)越復(fù)雜。由于電子設(shè)備內(nèi)部越來(lái)越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，熱管也由二維的壓扁折彎逐漸過(guò)渡到三維空間成形，如圖11。熱管的成形工藝越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)熱管管殼材料的要求及吸液芯適應(yīng)變形能力的要求也越來(lái)越高。熱管成形加工工藝不斷優(yōu)化，滾動(dòng)繞彎工藝逐漸替代傳統(tǒng)繞彎工藝來(lái)減少繞彎褶皺的出現(xiàn)，相變壓扁工藝不斷優(yōu)化，根據(jù)壓扁受力形式優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，熱管的散熱也由一維散熱轉(zhuǎn)為二維散熱，散熱面積及散熱效率得到優(yōu)化。

圖11 熱管三維折彎

熱管應(yīng)用環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。微型熱管技術(shù)的出現(xiàn)，使得熱管在醫(yī)療手術(shù)、電子裝置芯片、筆記本電腦CPU的冷卻、電路控制板的冷卻、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能電站、核電工程中的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展［47-48］。由于熱管適用范圍的廣闊性與使用環(huán)境的復(fù)雜性，熱管的耐振動(dòng)與腐蝕問(wèn)題也愈發(fā)嚴(yán)重。工作液體在管殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)、溫差、雜質(zhì)等因素使管殼材料發(fā)生溶解和腐蝕，流動(dòng)阻力增大，使熱管的傳熱性能降低［49］。管殼被腐蝕后還會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降，引起管殼穿孔，使熱管完全失效。解決熱管腐蝕問(wèn)題也是未來(lái)熱管性能優(yōu)化的重要方向。

熱管材料與結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。隨著成形加工技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，稀土微合金化熱管管殼制備工藝不斷成熟，對(duì)銅基薄壁熱管管殼材料微觀(guān)組織進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可解決燒結(jié)熱管表面質(zhì)量問(wèn)題。由于對(duì)熱管強(qiáng)度與散熱能力的追求，其他材料也不斷應(yīng)用到熱管上來(lái)，鋁熱管與鋼熱管的應(yīng)用范圍也會(huì)越來(lái)越廣，但銅基熱管仍是散熱領(lǐng)域的主流。由于對(duì)散熱性能的要求越來(lái)越高，多孔泡沫吸液芯、纖維燒結(jié)型吸液芯等各種類(lèi)型的吸液芯被開(kāi)發(fā)出來(lái)。高毛細(xì)率、滲透率與較高強(qiáng)度的吸液芯被不斷地開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

多種散熱技術(shù)協(xié)同發(fā)展。除了目前應(yīng)用比較廣泛的熱管散熱技術(shù)以外，國(guó)內(nèi)外還開(kāi)發(fā)了多種獨(dú)特和新型的散熱技術(shù)，逐步受到研究學(xué)者的重視。例如液態(tài)金屬散熱采用低熔點(diǎn)合金作為熱管的工質(zhì)，這是因?yàn)榻饘倬哂懈邔?dǎo)熱、低熔點(diǎn)、高比熱容的特點(diǎn)，可以極大提高熱管的熱導(dǎo)效率。這些技術(shù)有望成為未來(lái)高效散熱的主流［50］。

5 展望

隨著電子信息行業(yè)的迅猛發(fā)展，處理器的計(jì)算能力不斷被開(kāi)發(fā)，芯片的發(fā)熱量也與日俱增，普通的熱管很難達(dá)到散熱要求，熱管向著優(yōu)化吸液芯和探索新種類(lèi)工作液體方面發(fā)展。同時(shí)，各種類(lèi)型的散熱新技術(shù)也不斷地應(yīng)用于高熱流密度電子設(shè)備。熱管的加工工藝不斷改進(jìn)，加工方法不斷升級(jí)，熱管在制備及加工方面的問(wèn)題不斷被解決，熱管的散熱潛力不斷被開(kāi)發(fā)。