激光制备微热管复合沟槽吸液芯及毛细压力验证

况 旭，魏 昕，谢小柱，汪永超

（广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006）

1 引言

随着电子元器件的高性能、集成化和微型化，微热管成为小空间热量控制最受欢迎的元件。沟槽式微热管凭借结构简单，适应性好以及优异的导热性能，被广泛的应用于航空航天、LED 照明、电动汽车等散热领域[1]。沟槽式微热管通过在管内壁加工出微型沟槽作为吸液芯结构，提供工质液体流动通道，高效进行热量传递。目前制备微热管沟槽吸液芯的方法主要有旋压成形法[2]、犁削法[3]、电花火加工法[4]、电解加工法[5]等，这些方法受限于加工尺寸和精度，制约了沟槽式微热管的发展前景。激光刻蚀法已经被证实是一种适合微热管微纳米级沟槽加工的方法，激光刻槽技术具有高效性、无损伤和高精度等优势，将进一步促进沟槽式微热管的应用。吸液芯结构是微热管重要组成部分，一定程度上决定微热管的传热性能。近年来，多种新型的吸液芯结构相继被提出工质表，如斜齿型微沟槽吸液芯[6]、轴向不等宽沟槽吸液芯[7]等，促进了微热管传热性能的提升。毛细压力是由多相界面面张力产生的附加压力，微热管技术中将毛细压力作为吸液芯结构优良的关键评价指标。微热管工作时，毛细压力有效促进微热管工质液体从冷凝端回流到蒸发端，从而促进微热管的循环传热，增强微热管传热性能。因此，良好的吸液芯结构必须具备较大毛细压力。

借助激光刻蚀法的优势来制备微热管复合沟槽吸液芯，这种复合沟槽结构由主沟槽和次沟槽构成，具有良好的表面质量。然后通过经验公式建立复合沟槽吸液芯毛细压力数学模型，得出微热管内吸液芯毛细压力沿轴向分布情况，理论证明复合沟槽能够提供较大的毛细压力，从而增强微热管的传热性能。

2 实验设置

2.1 实验材料

采用纯度高于99%的紫铜作为基板材料，尺寸大小为（100×20×2）mm。实验前，依次用 600、800、1000 目 SiC 砂纸将铜基板表面打磨到无明显划痕，并分别使用去离子水和无水乙醇对铜基板进行超声波清洗预处理，除去基板表面的有机杂质和油污，为获得良好的沟槽结构。

2.2 实验设备

采用的加工设备为波长1064nm 的YLPM 系列脉冲光纤激光器，激光连续输出时最大功率为20W，光束质量M2＜1.5，激光光斑直径为40μm。激光器的输出功率、重复频率、脉冲宽度、扫描速度等工艺参数均可根据实际加工情况进行调整。

实验后的检测设备选择OLS4000 激光共聚焦显微镜和S-3400N-Ⅱ扫描电子显微镜。激光共聚焦显微镜主要是观察加工后复合沟槽的三维形貌并测量复合结构的几何尺寸，其放大倍率可达到17280 倍，平面分辨率120nm；扫描电子显微镜则更好观测激光刻蚀获得的复合沟槽的表面微观形貌，可进一步加强复合沟槽的分析，其放大倍数为（5～300000）倍，检测精度更高。

2.3 参数选择

激光刻蚀过程中，激光工艺参数是影响复合沟槽加工质量的关键因素。主要激光工艺参数包括激光功率、重复频率、脉冲宽度、扫描速度和扫描次数，各工艺参数对加工效果产生的交互作用，使得工艺参数的选择较为复杂。通过积累前人研究及前期实验，采用单因素实验进行工艺试验，获得最优工艺参数。激光刻蚀复合沟槽选择的较佳的工艺参数，如表1 所示。

表1 脉冲光纤激光加工工艺参数Tab.1 Processing Parameters of Pusle Fiber Laser

2.4 实验结果

选择表1 中优化的工艺参数进行微热管复合沟槽激光刻蚀实验，检测分析前分别对样件进行了丙酮超声波和水清洗等处理过程，去除工件表面遗留的残屑。实验后激光共聚焦观测的良好复合沟槽形貌，主沟槽和次沟槽均匀分布，如图1 所示。激光刻蚀主沟槽时，由于激光作用材料的高能量，材料蒸气将会向外喷射，短时间内重新凝结形成熔凝物堆积在主沟槽两侧形成次沟槽。在激光烧蚀研究中，靶材团簇喷出并重新凝结在材料表面已被认为是相当普遍的现象，文献[8]通过建立激光诱导微纳颗粒飞溅并重新凝结的数学模型，得到的激光作用中颗粒运动形成图，这一研究有利证明了激光刻蚀中复合沟槽次沟槽的形成过程[2]，如图2所示。

图1 复合沟槽三维形貌Fig.1 3D Morphology of the Composite Grooves

图2 微纳颗粒形成过程图Fig.2 Micro Nanocrystalline Particle Formation Process

激光刻蚀得到复合沟槽结构主要尺寸参数，如表2 所示。复合沟槽尺寸达到微米级，不仅成功缩小了微热管的空间，还表现出微尺度性能如亲水性能，使得微热管的传热性能更加增强。为进一步观测复合沟槽结构的加工质量，采用扫描电子显微镜观测复合沟槽的微观形貌。复合沟槽的微观形貌图，如图3 所示。主沟槽两侧重新凝固的熔凝物均匀牢固，具有良好的致密性，且沟槽平整光滑，可有效减少工质液体在沟槽通道的流动阻力。同时次沟槽顶部形成微纳颗粒可增大蒸发端工质沸腾的比表面积，加速工质的沸腾，增强微热管的传热。因此，激光刻蚀得到的复合沟槽不仅结构均匀，表面质量好，而且还具有一些特殊性能，增强微热管的传热性能。

表2 复合沟槽主要尺寸参数Tab.2 The Dimension Parameter of Composite Grooves

图3 复合沟槽微观形貌Fig.3 Microcosmic Morphology of Composite Grooves

3 吸液芯毛细压力轴向分布模型

3.1 模型建立

微热管是依靠工质在微小空间内的液汽相变来实现热量传递[9]。微热管正常工作时，冷凝液体需要快速有效地回流到蒸发端参与热量运输，而吸液芯毛细压力正是驱动冷凝液体回流的作用力。因此，吸液芯毛细压力成为评价吸液芯结构优异的重要因素。

吸液芯毛细压力是由工质表面张力引起的弯曲液面两侧的附加压力。在两相之间的界面中，往往由于分子间相互作用力导致一些特殊界面现象。微热管中汽液界面由于固体分子对液体表层分子的吸引力，使得液体表面发生弯曲，弯曲液面上下存在着附加压力，微热管技术把弯曲液面两侧的压差称为吸液芯毛细压力。研究发现微热管中吸液芯结构产生的毛细压力主要由表面张力、固液接触角和有效毛细半径决定，可根据著名的Young-Laplace 方程[10]来得到：

式中：△Pc—吸液芯毛细压力；σ—液体表面张力系数；θ—固液接触角；rc—吸液芯有效毛细半径。

复合沟槽吸液芯截面示意图，如图4 所示。复合沟槽吸液芯毛细压力可分为两部分：主沟槽毛细压力和次沟槽毛细压力，数学表示为：

图4 复合沟槽吸液芯截面示意图Fig.4 Section Diagram of Composite Grooves

有效毛细半径rc是指吸液芯等效毛细孔的毛细半径。将复合沟槽主沟槽和次沟槽截面形状近似三角形，如图5 所示。建立简易的三角形沟槽结构计算模型，可得三角沟槽有效毛细半径rc的数学表达式为：

式中：w—沟槽宽度；h—沟槽深度。

图5 三角形沟槽结构计算模型Fig.5 Simplified Analysis Model of Composite Grooves

文献[12]已证明了激光在铜基板表面作用产生微纳粗糙结构，材料表面将会生成一层超亲水性的CuO 薄膜，增强了铜基板表面的润湿性能。通过接触角测量仪进行复合沟槽表面接触角测量，进一步证实复合沟槽表面的超亲水性，复合沟槽固液接触角近似 0°。

将式（3）代入式（2），沟槽表面固液接触角取0°，得到复合沟槽吸液芯毛细压力数学表达式：

由上式可得，当微热管工质确定后，吸液芯毛细压力大小主要由汽液界面接触的结构尺寸决定。然而随着复合沟槽几何尺寸减小，微热管传热过程以及气液两相逆向流动过程将更加复杂，气液界面形状沿轴向存在差异。微热管内工质液体及有效毛细半径沿轴向呈现梯度分布，如图6 所示。这是由于微热管稳态工作时，工质液体在蒸发端吸热迅速蒸发，导致液体量最少，集中在尖角区域，从而形成沟槽结构有效毛细半径最小；而冷凝段高热量蒸发遇冷冷凝成大量的液体，从而沟槽结构有效毛细半径最大。

图6 微热管工质液体轴向分布Fig.6 Working Fluid along the Axial Distribution

假设微热管吸液芯轴向有效毛细半径变化为一个简单的线性函数，根据微热管两端有效毛细半径，可推导出沿轴向分布的吸液芯有效毛细半径：

式中：re—微热管冷凝末端的有效毛细半径；

rv—微热管蒸发前端的有效毛细半径；

L—微热管的总长度，L=100mm；

x—到蒸发端的距离。

将式（6）代入式（2），可以得到吸液芯毛细压力的轴向分布：

3.2 模型求解

当微热管蒸发段工质液体满足不了蒸发需要量时，吸液芯会发生干涸，微热管此时达到毛细极限状态，此时蒸发端有效毛细半径为0，即re=0。而冷凝端最大有效毛细半径rv根据表2 复合沟槽尺寸参数可计算得到。最后利用MATLAB 软件仿真得到的吸液芯毛细压力轴向分布，如图7 所示。从图7 可以看出，微热管蒸发端毛细压力最大，可达3.1×105Pa，这是由于蒸发端汽液界面温度高，分子运动加剧，液相表面张力加大；同时液体不断被蒸发导致沟槽有效毛细半径减小，从而增大毛细压力。同时，复合沟槽两端毛细压差明显高于单一沟槽，说明复合沟槽提供较大的毛细压力，从而使得复合沟槽微热管具有优异的传热性能。

图7 吸液芯毛细压力轴向分布Fig.7 Capillary Pressure Along the Axial Distribution

4 结论

沟槽式微热管凭借结构简单、质量轻和良好的导热性能，具有良好的应用前景。借助激光刻蚀技术优势制备出微热管复合沟槽吸液芯，这种复合沟槽结构由主沟槽和次沟槽组成，具有良好的表面质量；然后建立复合沟槽吸液芯毛细压力分布数学模型，得到复合沟槽毛细压力的轴向分布状况，证明了复合沟槽提供较大的毛细压力，从而使得微热管具有优异传热性能。