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技术

本发明专利技术公开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，属于功能材料表面和强化传热技术领域

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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
。

技术介绍

[0002]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
。
[0003]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
。
[0004]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 pipe architecture based on nanostructuredtitania,Journal ofMicroelectromechanical Systems,2010,19(4):878
‑
884.)
采用蚀刻技术在钛合金基板上加工出直径为5μ
m
，高度为
50
μ
m
，中心间距为
10
μ
m
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
。
[0005]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
。
其专利技术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
。
[0006]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

[0007]为解决现有技术中的上述问题，本专利技术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
。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0009]本专利技术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
。
[0010]进一步地，所述冷端板面和热端板面平行正对摆放
。
[0011]本专利技术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
。
本专利技术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
。
[0012]本专利技术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：
[0013](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；
[0014](2)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种超润湿表面驱动的液滴弹跳式超高热通量均温板，其特征在于，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
。2.
一种如权利要求1所述的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，其特征在于，包括以下步骤：
(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；
(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；
(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
。3.
根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述光滑板面的制备方法为：将板面用
100
‑
3000
目的砂纸打磨，然后依次使用丙酮
、
乙醇
、
去离子水超声清洗；其中，所述超声的功率为
300
‑
1000W
，时间为5‑
10min
；所述打磨的时间为5‑
20min。4.
根据权利要求2所述的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，其特征在于，步骤
(1)
中所述纳米线阵列团聚成簇状，形成
V
型槽结构，其中的纳米线的直径为
20
‑
250nm
，间距为
50
‑
500nm
；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
。5.
根据权利要求2所述的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，其特征在于，步骤
(1)
中所述电化学沉积法包括以下步骤：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
。6.
根据权利要求5所述的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，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：温荣福，蒋维钰，王梦尧，周雨佳，刘珊珊，李启迅，郝婷婷，兰忠，马学虎，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：