02 柔性热管吸液芯及封装工艺
相变传热元件的吸液芯主要包括烧结型吸液芯、沟槽型吸液芯和复合型吸液芯三大类。在柔性热管反复弯曲的工作环境下，组成烧结型吸液芯的金属粉末和金属纤维在振动、反复弯曲的工作条件下容易脱落，限制了由金属粉末、金属纤维组成的烧结型吸液芯和复合型吸液芯在柔性热管中的应用。因此，适合柔性热管的吸液芯只有丝网吸液芯、沟槽型吸液芯和丝网-沟槽复合型吸液芯。根据柔性热管的结构形式，其封装工艺主要包括针对超薄热管的压扁成型工艺和焊接成型工艺；针对三段式柔性热管的焊接封装工艺和胶接封装工艺；针对聚合物基体柔性平板热管的热压封装工艺和焊接封装工艺。
2.1 柔性热管吸液芯
在传统相变传热元件的制造过程中，通常采用高温烧结工艺将吸液芯与金属壳体烧结在一起以减小接触热阻，然而聚合物薄膜不能承受过高的烧结温度(>500 ℃)，因此以聚合物薄膜为基体的柔性热管往往采用电沉积连接工艺或热压工艺将丝网与壳体进行连接。为了区分与传统丝网烧结型吸液芯的差别，以“丝网烧结型吸液芯”代指传统烧结工艺制作的丝网吸液芯，以“丝网吸液芯”代指采用电沉积连接工艺和热压工艺制作的吸液芯。
丝网吸液芯凭借良好的柔性、成熟的制造工艺和低廉的成本，在柔性热管领域得到了广泛的应用。丝网吸液芯具有灵活的应用方式，在圆柱形管壳热管中以卷曲的形式应用，在平板型柔性热管中以平铺的方式应用，并且可以根据厚度需求调整丝网的层数。金属丝网是通过编织拉拔法制作的金属丝得到的，拉拔法制作的金属具有丝径均匀、表面质量良好和机械强度高的特点。然而金属丝光滑的表面使得丝网吸液芯的毛细性能较差，因此在应用中大多对丝网进行表面处理，以改善其亲水性从而增强毛细性能。
LEE 等采用碱辅助氧化法在铜丝网表面生长了氧化铜纳米结构，对比测试结果表明，氧化处理后的铜丝网具有超亲水特性，接触角由铜片的 85°降低为10°。JAIPURKAR 等采用磷青铜丝网作为三段式柔性热管的吸液芯，其极限功率达到 60 W。LIEW 等采用电沉积工艺将三层 200 目的铜丝网结合在一起作为柔性平板热管的吸液芯。通过原子层沉积法在丝网表面沉积了 8 nm 厚的 Al2O3和15 nm 厚的 TiO2 涂层，是丝网吸液芯具有超亲水特性。
LIU 等制作了具有梯度润湿性的不锈钢丝网吸液芯，其微观形貌及润湿性如图 13 所示。首先采用 Al2O3 和 NiNO3 的混合溶液处理不锈钢丝网；然后将其浸入预聚物溶液中并匀速拉出；待不锈钢丝网表面的预聚物溶液干燥后，将其放入气氛烧结炉中 800 ℃保温 1 h，最终形成表面具有 Fe2O3 纳米线的不锈钢丝网吸液芯。
图13 不锈钢丝网及超亲水处理的不锈钢丝网表征
OSHMAN 等制备了丝网复合高深宽比微柱阵列吸液芯，首先采用 SU-8 在液晶高分子覆铜膜表面制作模板，然后采用电沉积工艺生长宽度200 µm、间隔 31 µm、高度 100 µm 的微铜柱阵列以形成高深宽比微沟槽，再将铜丝网覆盖再铜柱表面并采用电沉积工艺进行连接以减小热阻，最终在液晶高分子覆铜膜内侧形成丝网复合微沟槽吸液芯，其制备流程及微观形貌如图 14 所示。
图14 丝网复合高深宽比微沟槽吸液芯制备流程及微观形貌
LEWIS 等采用微模板法在聚酰亚胺膜表面制作了SU-8 微柱阵列作为吸液芯，并原子沉积5 nm厚的 Al2O3 和 20 nm 厚的 TiO2 涂层是 SU-8 吸液芯具有超亲水特性。采用微模板法制作的吸液芯在热管的不同部分具有不同的结构参数，如图 15 所示，在平板热管的蒸发段和冷凝段采用小间距排列的小尺度柱，以提供较强的毛细力；在绝热段采用大间距的大尺度住，以减小液态工质回流的阻力。
图15 微模板法制作的 SU-8 微阵列吸液芯
目前，柔性热管采用聚合物吸液芯的案例非常少，但是聚合物粉末烧结式吸液芯在环路热管领域得到了试验研究与应用，表1 展示了聚合物粉末烧结式吸液芯的种类及其工质。凭借较低的热导率、较小的孔隙分布和较强的毛细力，采用聚合物吸液芯的环路热管取得了较高的极限功率，其传热性能甚至超过采用金属粉末烧结式吸液芯的环路热管。WU 等采用松装烧结法制作了聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，PTFE)粉末烧结式吸液芯和镍粉烧结式吸液芯，采用液氨作为工质制作了环路热管，PTFE 粉末烧结式吸液芯如图 16 所示。测试结果表明，采用镍粉烧结式吸液芯的环路热管极限功率为 500 W，热阻为 0.156 ℃/W，而采用 PTFE粉 末 烧 结 式 吸 液 芯 的 环 路 热 管 极 限 功 率 可 达600 W，热阻仅为 0.145 ℃/W。BOO 等采用聚丙烯(PP)粉末烧结制作了环路热管的吸液芯，甲醇作为工质，冷凝段温度为 20 ℃、水平工作状态下热管的极限功率达到了 80 W(6.5 W/cm2)。此外，相对于金属粉末，聚合物粉末烧结式吸液芯具有以下优势：烧结温度较低、烧结过程较短、烧结过程中不需要氢气气氛、密度小重量轻、热导率低热泄露少，在环路热管领域具有良好的应用前景。
表1 聚合物粉末烧结式吸液芯种类及其工质参数
图16 PTFE 粉末烧结式吸液芯及其微观形貌
丝网吸液芯在热管弯曲变形过程中不会受到破坏，同时具备良好的柔性和毛细性能，是目前超薄热管和柔性热管的主要采用的吸液芯。然而，相对于聚合物材料，金属丝网存在柔性较差、密度大和弯曲疲劳强度低等不足，影响了柔性热管的弯曲半径、重量和弯曲寿命。此外，金属丝网常用于信息屏蔽领域，平板热管中采用的大面积金属丝网吸液芯可能会影响电子器件的信号传输。虽然环路热管采用的聚合物粉末烧结型吸液芯不具备柔性，但是其提供了制备柔性聚合物吸液芯的新方向。制备以聚合物基体的吸液芯、研究聚合物吸液芯与工质的兼容性、以及聚合物吸液芯的润湿机理是发展高性能柔性热管的关键。
2.2 柔性热管封装工艺
2.2.1 超薄热管封装工艺
超薄热管的封装工艺主要包括压扁封装工艺和焊接封装工艺。压扁封装工艺主要适用于由圆柱形热管压扁制作的超薄热管，具有工艺简单、成本低的优势，是目前超薄热管普遍采用的封装方法。华南理工大学 LI 等提出了相变压扁技术，其工艺原理如图 17 所示，利用热管内部工质在高温环境下汽化产生的蒸汽压以避免热管在压扁过程中产生的屈曲现象，该技术可以有效改善径向冲压技术和冷轧滚压成形技术容易造成热管表面屈曲、加工效率低的不足，已经成为扁平热管加工制造过程中应用范围最广的技术。图18 展示了采用相变压扁技术制作的厚度 0.4 mm 的超薄热管，受限于大直径、薄壁金属管的生产工艺，目前压扁封装工艺制作的超薄热管的宽度一般不超过 10 mm。
图17 相变压扁制造工艺原理图
图18 相变压扁制造工艺制造的厚度 0.4mm 的超薄热管
焊接封装工艺可以根据电子器件的具体散热需求改变热管的表面形状及尺寸参数，具有良好的适应性，是平板热管及均热板的主要成形工艺。该工艺主要通过扩散焊工艺焊接两块平板形成密闭腔体，然后焊接密封灌注管并通过灌注管完成抽真空灌注工质工艺，完成超薄平板热管的封装。其制造工艺相对复杂，对焊接质量的要求较高，生产成本较高，图 19 展示了两块平板焊接封装工艺制作的超薄平板热管。
图19 两块平板焊接封装工艺制作的厚度 0.5 mm 的超薄热管及其结构示意图
目前，厚度 0.4 mm 的超薄热管的封装工艺已经成熟并实现了产业化，华为、三星等厂商都逐渐采用厚度为 0.4 mm 的超薄热管强化智能手机的散热。目前，超薄热管正向厚度更薄(～0.2 mm)、有效散热面积更大、散热功率更高的方向发展。气液共面型超薄热管从结构形式上实现了创新，可以达到更薄的理论厚度，是未来超薄热管发展的重要方向。
2.2.2 三段式柔性热管封装工艺
三段式柔性热管的封装工艺与传统圆柱形热管的封装工艺类似，只在传统圆柱形热管封装工艺的基础上增加了绝热段与蒸发段、冷凝端的连接工艺，这也是三段式柔性热管封装工艺的关键。
金属管和聚合物管之间通过胶水进行连接，可以同时采用软管夹进行机械连接以增强密封性能。与焊接技术相比，胶接技术不受材料品种和厚度的限制，成本较低。胶接接头重量较焊接、铆接接头轻，研究表明，若使用胶接技术代替铆接，可使现代复合材料飞机减重 20%，强度提高 30%，在航空航天领域具有极高的应用价值。胶接技术也存在一定的缺陷，其连接强度容易受到环境的影响，胶水固化时间较长以及胶接接头在湿热环境下耐久性降低等。材料表面的预处理可以增强胶接接头的性能，激光表面预处理技术是增强胶接接头强度的热门选择。聚合物管和金属管之间的机械连接只起到对胶接接头的辅助作用，目前还未出现只采用机械接头的以聚合物管为绝热段的三段式柔性热管。
金属波纹管可以通过焊接或者机械连接的方式与两端金属管进行连接。焊接工艺可以获得连接强度高、气密性好的接头，可以制作具有高可靠性的以金属波纹管为绝热段的三段式柔性热管。机械连接接头结构复杂，主要包括波纹管结构、直管接口、管件连接体、螺母和密封垫圈等部件，密封圈在冷热交替环境下产生的变形也会影响热管的气密性。
三段式柔性热管主要应用于航空航天领域，具有传输距离长、散热功率大的特点以及轻量化需求。采用聚合物管代替金属波纹管、发展高可靠性的胶接工艺是实现三段式柔性热管轻量化的主要手段。
2.2.3 聚合物基体柔性热管封装工艺
根据聚合物基体柔性平板热管的分类，其封装方式主要有焊接封装和热压黏结封装两种，焊接封装工艺适用于两层壳体薄膜接触面都是金属薄膜的情况，热压黏结封装工艺适用于两层壳体薄膜接触面是热塑性聚合物薄膜的场景。
无论是焊接封装工艺，还是热压黏结封装工艺，聚合物基体柔性平板热管的封装流程基本类似，如图 20 所示，首先将两层聚合物膜的三条边进行热压封装，放入吸液芯之后插入灌注管并采用胶水黏结预密封第四条边，完成抽真空灌注工序后再密封第四条边，并裁剪多余部分。LIU 等采用热压工艺黏结铝塑膜作为柔性热管的外壳，热压工艺的参数为压力 0.5 MPa，温度 155 ℃。铝塑膜在食品包装领域得到了广泛的应用，其内壁具有厚度约 40 µm的聚丙烯层；黏结的主要原理是热塑性的聚丙烯层受热熔化，在压力作用下黏结在一起，冷却之后形成密封边。同时采用热压工艺将丝网吸液芯与铝塑膜黏结在一起，以达到固定吸液芯、减小接触热阻的目的。
20 聚合物壳体柔性热管封装工艺
TANAKA 等采用压力 100 MPa、温度 340 ℃的真空热压工艺直接将两片聚酰亚胺膜封装在一起形成了柔性平板热管的壳体。LEWIS 等采用压力约 5 MPa、温度 300 ℃的热压工艺制作了以聚酰亚胺膜为壳体的柔性平板热管，在两层聚酰亚胺膜之间放置 FEP 膜，封装时压力保持 20s 使 FEP充分融化，然后撤去压力并冷却至室温。
LEWIS 等以聚酰亚胺覆铜膜为壳体，采用超声波焊接工艺封装了一系列外形尺寸的柔性平板热管。同时采用电沉积工艺固定吸液芯，并减小吸液芯与壳体之间的接触热阻。
焊接封装工艺可靠性高、密封性好，但是在反复弯折的使用情况下，焊缝存在开裂失效的隐患。热压黏结封装工艺操作简单，成本低廉，但是其气密性较差，影响了柔性热管的寿命。目前关于聚合物壳体柔性热管的研究还处于初步探索阶段，还未形成完善可靠的封装工艺以及相应的检测、寿命标准，导致其在使用过程中出现寿命短、弯曲半径大、传热效率低等诸多问题。聚合物薄膜的封装技术是影响聚合物基体柔性热管可靠性和寿命的最主要因素，今后应当进一步加强在这方面的研究。
