强化平板热管传热性能的研究进展

刘腾庆，闫文韬，杨鑫，汪双凤

（华南理工大学化学与化工学院，传热强化与过程节能教育部重点实验室，广东广州510640）

引 言

随着微电子技术的迅猛发展，电子元件的功耗不断升高、结构体积不断缩小，狭窄空间内电子元件所产生的高热通量热量无法及时散出，造成温度超出电子元件工作温度的上限，从而严重影响电子设备的性能及寿命。

传统散热技术的冷却能力已趋向极限，且其温度控制精度低、响应时间长、体积庞大，已无法满足狭窄空间内高热通量电子元件的散热和温控需求[1]。平板热管（也称为均热板）作为一种高效紧凑可靠的气-液两相传热器件，具有热导率高、均温性能优良、体积小和外形加工灵活等优点，已经开始应用在狭窄空间高热通量的散热系统中[2-4]。目前，由于散热空间的进一步压缩，超薄平板热管已成为轻薄型电子设备狭窄空间内高热通量散热的研究热点。通常将总体厚度≤2 mm的平板热管定义为超薄平板热管，然而智能移动设备的散热空间更为狭窄且发热功率逐年攀升，因此，总厚度≤0.6 mm 的超薄平板热管是当前的研究重点[2,5-6]。

如图1所示，平板热管的外观呈扁平板状，内部具有复杂的吸液芯结构，常见的有烧结金属粉末、泡沫金属、丝网、纤维、沟槽和金属薄膜等[5,7]。平板热管通常有以下两种加工方式：（1）由传统的圆柱型热管经机械压扁而成；（2）由两块板材经过焊接等方式结合而成。

图1 平板热管的外观Fig.1 Appearance of flat plate heat pipe

根据传热方向，平板热管的运行模式可分为两种：径向传热模式和轴向传热模式，其运行原理如图2所示。

由图2 可知，平板热管里主要存在蒸发/沸腾、蒸气输运、冷凝以及液体回流输运四个运行过程。然而，为了应对不断变窄的散热空间，平板热管的厚度正在变薄，其蒸气通道高度和吸液芯厚度也在进一步变小，从而严重削弱了平板热管四个运行过程的传递能力和效率，使平板热管的总体传热性能降低。因此，为提高平板热管的总体传热性能，学者们对平板热管内四个运行过程进行了强化。此外，工质作为完成平板热管内四个运行过程的介质，其热物性对提高平板热管的总体传热性能也有着重要的影响；同时，壳材的导热能力也制约着平板热管的传热性能。因此，工质和壳材对平板热管性能的影响也受到了关注。本文总结了强化平板热管内蒸发/沸腾、蒸气流动、冷凝以及液体回流四个运行过程以及平板热管工质和壳材的研究现状和发展动态，为未来强化（超薄）平板热管传热性能的研究提供参考。

图2 平板热管运行原理Fig.2 Operation principle of flat plate heat pipe

1 强化蒸发/沸腾过程

工质在平板热管中的蒸发/沸腾过程中通常涉及毛细输运的蒸发/沸腾现象(capillary-fed evaporation/boiling)。平板热管蒸发面上的毛细结构（吸液芯）具有复杂密集的网络状相连微孔，可提供汽化成核点和毛细力，从而使核态沸腾的发生提前和更快地补充液体，提升沸腾传热系数和临界热通量。然而毛细结构的网络状相连微孔会阻碍气泡的脱离，在一定程度上削弱了沸腾传热能力。鉴于蒸发表面的润湿性和形貌（粗糙度）对核态沸腾传热有着重要的影响[8-9]，为了增强平板热管蒸发过程，研究人员主要研究了蒸发器基板以及蒸发吸液芯的润湿性和形貌对平板热管传热性能的影响。

Wong 等[10]采用可视化方法研究了铜丝网表面润湿性对丝网型平板热管蒸发性能的影响。通过延长烧结铜丝网暴露在空气中的时间，从而增加水在烧结铜表面上的接触角。随着铜丝网暴露时间的增加（0.25～3 h），水在铜表面上的润湿性降低（采用座滴法，测量水滴在不同暴露时间下铜表面的静态接触角，随着暴露时间从0.25 h 增至3 h，接触角从10°增至40°），以水作为工质丝网型平板热管的临界传热量降低，但最低蒸发热阻几乎保持不变；而甲醇和丙酮在铜表面上的润湿性几乎不受暴露时间的影响，以它们为工质丝网型平板热管的临界传热量与最低蒸发热阻也不受影响。

Wen 等[11]采用化学刻蚀法和化学清洁法在铜丝网表面上形成两种新型超亲水纳米结构（接触角为5°）。首先，采用碱性溶液（NaClO2，NaOH，Na3PO4·12H2O 溶液）在丝网上形成草丛状的纳米结构[图3(a)]。随后，通过化学清洁法在具有草丛状纳米结构的丝网上形成微孔腔结构[图3(b)]。与无结构丝网相比，草丛状纳米结构和微孔腔结构均可提升丝网的毛细力，加快补液速度，从而提升临界热通量；同时，微孔腔结构具有大量有效的汽化成核点，使核态沸腾的发生提前，从而提高了沸腾传热系数。其中，五层相互结合具有微孔腔结构丝网的临界热通量和沸腾传热系数分别可达198.6 W/cm2和138.7 kW/(m2·K)。

图3 丝网亲水结构的微观形貌[11]Fig.3 Microscopic morphology of hydrophilic structure of screen mesh[11]

Sun 等[12]提出结合超疏水冷凝面和超亲水蒸发吸液芯的方法来提升均热板的性能。他们采用化学沉积法（K2S2O8和KOH 混合溶液）在蒸发烧结铜粉上形成超亲水的肋状微/纳结构，如图4 所示。肋状结构之间形成纳米孔，从而增强毛细压力、增加汽化成核点和增大换热面积。与未经处理的烧结吸液芯相比，具有超亲水微/纳结构吸液芯均热板的性能得到改善，其纵向热阻降低了18%。

图4 烧结铜粉亲水结构的微观形貌[12]Fig.4 Microscopic morphology of hydrophilic structure of sintered copper powder[12]

上述研究中均采用了超亲水微纳结构表面来增强平板热管的蒸发过程。理论上，虽然亲水表面通过加速液体再润湿表面来提高临界热通量，但这也延迟了核态沸腾的发生，减小了沸腾传热系数，从而降低了平板热管的传热能力。而疏水表面具有低表面能，在低过热度下即可使核态沸腾的发生提前，增大沸腾传热系数，但在高热通量下容易引起气泡的合并而降低临界热通量[8-9]。因此，近年来学者们探究了疏水蒸发表面对增强平板热管蒸发过程的影响。

Shaeri 等[13]提出耦合疏水蒸发基板和亲水烧结铜粉的新型蒸发结构。他们采用化学蚀刻法（FeCl3和HCl 混合溶液）在铜蒸发器基板上形成疏水微结构（接触角为140°）。为了避免高温焊接对疏水微结构的破坏，在280～325℃的温度范围下采用焊料对上下基板进行焊接。与采用亲水铜蒸发基板/亲水烧结铜粉的原型均热板相比，采用新型蒸发结构均热板的热阻高、热源温度高、温度分布不均匀。新型蒸发结构均热板在热通量为54 W/cm2时发生局部烧干，而原型均热板发生局部烧干的热通量则高达170 W/cm2。Shaeri等[13]认为造成性能不佳的原因是疏水蒸发基板与亲水烧结铜粉接触不良，蒸发基板与亲水烧结铜粉之间的微间隙限制了蒸气排出和阻碍了液体回流。

Shaeri 等[14]还设计了两款新型蒸发结构。第一款耦合了疏水铜蒸发基板和亲水铜丝网，第二款则无吸液芯结构，与热源接触的铜蒸发基板中央部位为疏水表面而四周为亲水表面。与未经表面处理的烧结铜粉原型均热板对比，尽管两款新型均热板的临界热通量低，热阻大，但两款新型均热板的临界热通量依然分别可达到105 W/cm2和162 W/cm2。

最近，Yang 等[15]采用文献[12]中的化学刻蚀法对不锈钢丝网进行改性，形成具有花瓣状纳米结构的超亲水表面（接触角约为10°），而在蒸发铜基板上采用亲水网络相间隔形成疏水岛，如图5 所示。Yang 等[15]先通过光刻胶遮盖亲水表面，然后浸泡在FAS17 溶液中，经过铜表面自组装改性形成疏水岛（接触角为110°），从而形成疏水/亲水复合蒸发基板表面。为降低高温焊接对亲/疏水结构的影响，采用SnPb 焊料对上下基板进行焊接。与无改性超薄均热板相比，新型超薄均热板的疏水岛可减少蒸发液膜的厚度，同时也改善了其冷凝面均温性能。然而疏水/亲水复合蒸发基板却增大了均热板的纵向热阻，他们认为可能是由不合理的疏水/亲水结构设计和不完善的加工过程所导致的。

图5 疏水/亲水复合蒸发基板结构[15]Fig.5 Composite hydrophobic/hydrophilic structure on evaporator of vapor chamber[15]

综上所述，在强化平板热管蒸发/沸腾过程的研究中，通常对蒸发器基板和蒸发器的吸液芯进行表面处理，形成亲水、疏水或者疏水/亲水复合表面，并且通过不同的表面处理方法对它们的微观结构进行调控。采用亲水性蒸发结构，可以提高液体回流蒸发端的速度，提升平板热管的传热极限；而亲水表面上纳米结构形成的纳米孔腔可提供有效的汽化成核点，使核态沸腾的发生提前，从而降低了平板热管的热阻。尽管疏水表面在理论上可以使核态沸腾的发生提前和增大沸腾传热系数，从而降低平板热管的热阻。然而在当前研究中，采用疏水蒸发表面平板热管的传热性能依旧不如未经改性的原型平板热管。如何改善疏水蒸发表面的结构设计和改进加工方法，是未来增强平板热管蒸发过程的一个重要研究方向。此外，亲水和疏水表面结构都容易受温湿度、不凝气体等因素的影响或自身结构随时间发生改变而失去其润湿性，进而造成平板热管蒸发过程的恶化，因此，有必要探索能形成耐用亲疏水表面结构的表面处理方法。

2 强化冷凝过程

虽然平板热管（均热板）冷凝端的吸液芯能产生毛细力，将冷凝液输送至蒸发端，但冷凝吸液芯及铺展于冷凝吸液芯上冷凝液的热导率较低，从而降低了平板热管的冷凝传热性能。通常，超疏水表面可促进传热系数较大的珠状冷凝的形成，同时液滴在超疏水表面上合并所释放的表面能可促使冷凝面上的液滴脱落，从而强化冷凝过程。因此，为了减小冷凝热阻和加速冷凝液的脱离回流，强化平板热管的冷凝过程，研究人员主要研究了无吸液芯疏水冷凝表面对平板热管传热性能的影响规律及其强化冷凝过程的机理。

Zhao 等[16]受甲虫壳体微观结构的启发，研发了一种超疏水/亲水复合的仿生冷凝结构。如图6 所示，该均热板的蒸发器和冷凝器上均无吸液芯结构。他们采用平板印刷法，将带凸起镀有金纳米颗粒的硅基片浸泡于十六烷基硫醇溶液中，形成具有亲水凸起（接触角为90°）的超疏水（接触角为170°）冷凝结构，而蒸发器则采用亲水铝平板。当冷凝液滴在疏水冷凝面上达到临界尺寸时（直径约为300 μm），在静电场的驱动下，冷凝液滴可脱落冷凝面并回流至亲水蒸发面上。

图6 仿生疏水/亲水复合冷凝结构[16]Fig.6 Bionic composite hydrophobic/hydrophilic condenser structure[16]

Boreyko等[17-19]基于超疏水表面上的自驱动弹跳液滴现象，提出采用无吸液芯的超疏水冷凝表面作为均热板的冷凝器和超亲水的烧结铜粉/铜基板作为均热板的蒸发器。他们通过将镀有纳米银颗粒的铜板浸泡在十六烷基硫醇溶液中形成超疏水冷凝表面，采用氧等离子体氧化带有烧结铜粉的金属基板形成超亲水蒸发器。如图7 所示，由液滴在超疏水表面上合并所释放的表面能可驱动液滴自发地弹跳至蒸发表面，从而实现液滴的脱落回流[20-23]，强化均热板的冷凝过程。

图7 疏水冷凝表面上液滴自驱动弹跳回流亲水蒸发器的机理[18]Fig.7 Mechanism of drop-jumping from hydrophobic condenser to hydrophilic evaporator[18]

Wiedenheft 等[24]对文献[17-19]中的均热板进行了改进，采用了铜微柱吸液芯代替超亲水烧结铜粉吸液芯，以解决超亲水纳米结构耐久性的问题；冷凝器结构仍为文献[17-19]中的超疏水冷凝结构。由于冷凝液滴在超疏水面上实现自驱动弹跳，冷凝液滴可迅速脱落冷凝面并回流至蒸发面，与原型均热板相比，有效提升了均热板的径向热传递能力，有效热导率达400 W/(m·K)。

Sun 等[25]也提出采用带有烧结铜粉的铜基板为蒸发器和超疏水表面为冷凝器。他们首先采用K2S2O8和KOH 混合溶液在铜冷凝面上形成氧化层，再将冷凝面浸泡于FAS 溶液中形成超疏水表面（接触角为140°），从而可提高均热板的冷凝换热能力和实现液滴的脱落回流。与原型均热板对比，在相同输入功率下，新型均热板的热源温度更低，且冷凝面均温性更好、轴向热阻更低。

为了增加自驱动弹跳的传递距离（目前传递距离≤2 mm[20]）和克服夹带极限，Traipattanakul 等[26]采用静电场增强均热板里液滴弹跳效应，从而强化均热板的冷凝过程。他们将镀有纳米银颗粒的铜板浸泡于CF3(CF2)7CH2CH2SH 溶液中形成超疏水冷凝面[接触角为160°，微观形貌如图8(a)所示]，将镀有纳米银颗粒的带烧结铜粉的蒸发器浸泡于HS(CH2)11OH溶液中形成超亲水表面[接触角为4.8°，微观形貌如图8(b)所示]。由于冷凝液与带正电荷的冷凝面接触而获得正电荷，在电场的驱动下，冷凝液可迅速脱离冷凝面回流至带负电荷的蒸发面，增加了液滴传递距离和缩小了液滴尺寸，从而增强了冷凝能力。随着电场强度增加，在重力和逆重力下，均热板的等效热导率均呈升高趋势。

图8 超疏水冷凝面微观形貌图(a)，超亲水烧结铜粉微观形貌(b)[26]Fig.8 Microscopic morphology of hydrophobic condenser(a)，hydrophilic sintered copper powder(b)[26]

最近，Megaridis 等[27-29]采用疏水/超亲水复合冷凝表面强化均热板的冷凝过程。他们通过在冷凝表面镀Teflon AF 形成疏水表面（接触角为118°），采用激光蚀刻形成如图9 所示的超亲水槽型条纹（接触角为0°），同时采用带烧结铜粉的铜基板为蒸发器。蒸气在疏水区域上形成珠状冷凝从而强化冷凝换热，而超亲水区域可促进冷凝成核，同时冷凝液可沿超亲水结构回流至蒸发器上。与未处理冷凝面的均热板相比，该新型冷凝表面有效提升了均热板在水平和垂直放置时的传热性能。

图9 疏水/超亲水复合冷凝表面结构[27]Fig.9 Composite hydrophobic/hydrophilic structure on condenser of vapor chamber[27]

由上述可知，采用无吸液芯的超疏水冷凝表面结构，实现冷凝传热系数较大的珠状冷凝，并利用液滴合并时释放的表面能实现自驱动弹跳，或在静电场等外力的作用下，或添加超亲水条纹等方式使冷凝液滴回流至蒸发器，从而强化平板热管的冷凝过程，有效提高平板热管传热性能。然而，目前自驱动弹跳回流传递距离较短，采用静电场增加了额外能耗，超亲水表面增加了冷凝热阻，因此，有必要进一步研发无外场作用下，增加冷凝液滴自发传递距离的新型冷凝超疏水表面。此外，疏水涂层易受环境影响而失去其疏水性能，研发高耐用性的疏水表面仍是未来的研究难点。

3 强化气/液输运过程

3.1 强化蒸气流动过程

平板热管内蒸发端所产生的蒸气主要是通过蒸气通道输运至冷凝端，从而实现热量的传递。由于平板热管呈扁平状，主要通过其腔体自身的强度来维持蒸气通道。然而，平板热管上下平面的面积大，距离小，在外力的作用下，蒸气通道容易发生坍塌，从而阻碍蒸气流动及热量的传递，严重削弱平板热管的传热性能，特别是超薄平板热管和柔性平板热管。超薄平板热管的壁厚和蒸气通道都非常小（通常在0.05～1mm），壳体强度弱，在较小作用力下即可致使其蒸气通道坍塌。而柔性平板热管柔性部分的强度不足以抵抗大气压力而发生坍塌。因此，为平板热管提供结构稳定、空间充足的蒸气流动通道，实现气液分离，是强化平板热管内蒸气流动过程的一种有效手段。

目前，一般在平板热管内均匀布置支撑柱来提供支撑力，以防止蒸气通道的变形[2,30-36]。如图10 所示，支撑柱通常有以下几种：（1）首先将金属加工成单独的支撑柱，再放置于吸液芯预留给支撑柱的孔中；（2）通过化学蚀刻、冲压、数控机床铣削等方法直接在金属基板上形成支撑柱；（3）通过石墨模具在吸液芯上烧结出支撑柱。

图10 各种类型支撑柱结构[2,30-36]Fig.10 Various types of support structure[2,30-36]

近年来，柔性/超薄均热板中还采用目数较小的丝网作为支撑结构来提供蒸气通道[37-41]。均热板内的蒸气可在孔径较大、阻力较小的丝网孔里通过，从而输运热量。

此外，在压扁型超薄热管中还兼用了吸液芯为支撑结构[42-53]。如图11 所示，长条形的吸液芯位于超薄热管的中部形成支撑结构并起回流作用，而蒸气则在吸液芯两侧进行热输运。

图11 超薄热管中部的吸液芯起支撑作用[42-53]Fig.11 Wick as support structure in the middle zone of ultra-thin heat pipe[42-53]

由此可见，通过添加支撑柱、丝网等支撑结构，可为平板热管内蒸气提供稳定充足的流动通道，从而实现气液分离和提升蒸气流动能力，提高平板热管的传热性能。

3.2 强化液体回流过程

平板热管冷凝端的冷凝液主要是依靠吸液芯产生的毛细作用，克服流动压降，从而回流至蒸发端，实现蒸发端液体的补充。为了提升平板热管的液体输运性能，吸液芯需具备高毛细力和高渗透率，从而提高驱动力和降低流动阻力。然而尺度单一的吸液芯通常无法同时满足上述要求。当吸液芯具备高毛细力时，其有效毛细半径则变小，这将造成吸液芯的渗透率降低，流动阻力增加。为了提升吸液芯的毛细力，研究人员主要对吸液芯结构进行表面亲水改性。而为了兼顾吸液芯的毛细力和渗透率，主要对吸液芯进行结构优化。此外，通过缩短回流距离，也可缩短冷凝液的回流时间，提高回流效率。

吸液芯亲水改性主要是对轴向回流模式下的吸液芯以及径向传热模式下蒸发器的吸液芯进行亲水改性，以提高回流毛细力。针对丝网型吸液芯的表面改性，Aoki 等[54]采用氧化还原法增加铜丝网表面的粗糙度和增大丝网的丝径。由于丝网粗糙度的增加，水在丝网表面的润湿性增加，从而增加了丝网的毛细压力。与烧结芯相比，采用氧化还原吸液芯的超薄热管的最大传热量从15 W 增至22 W，最低热阻从0.35 K/W 降至0.18 K/W。Lv 等[55]采用化学刻蚀（HCl 溶液）/烧结的耦合方法形成超亲水烧结铜丝网，以提升吸液芯回流能力。以该超亲水丝网为吸液芯的超薄均热板具有较低的蒸发温度和较低的热阻，最大传热量可达490 W/cm2。Li等[56]采用文献[55]的方法在铜丝网表面形成超亲水纳米孔结构，采用该超亲水丝网的超薄均热板的热导率在7.37 W 时达到2.88×104W/(m·K)。Huang 等[39]采用氧等离子体改性的亲水铜丝网为超薄均热板的吸液芯。采用该亲水丝网的超薄均热板最大传热量为50 W，热阻为0.197 K/W。

Lee 等[40]提出一种具有超亲水铜丝网的超薄柔性铜均热板。他们采用化学氧化法形成超亲水纳米结构铜丝网，以提高吸液芯回流能力。与无改性丝网相比，该超亲水纳米结构丝网可显著提高超薄均热板的传热能力。Liu 等[41]先将不锈钢丝网浸泡在预聚物溶液中形成润湿薄层，再通过烧结的方法形成超亲水丝网。在弯曲的条件下，采用该超亲水丝网的柔性均热板的最低热阻为0.525 K/W，最大等效热导率为1499 W/(m·K)。

针对纤维型吸液芯的表面改性，Mochizuki 等[57]采用超亲水铜纤维作为超薄热管的吸液芯，与无处理纤维相比，采用超亲水纤维的超薄热管的最大传热量从7 W 增大至12 W。Tang 等[51-52,58]提出了一种经过化学沉积和烧结而成的螺旋编织铜纤维吸液芯。通过毛细爬升实验[58]，经处理后的吸液芯有效提升了毛细压力和爬升速度；与烧结铜粉和未经处理的螺旋编织纤维相比，该氧化/烧结吸液芯可提高超薄热管的传热性能、均温性能以及抗重力性能[51-52]。Yang 等[59]采用氧化法分别制备超亲水的单丝径和复合丝径的螺旋编织铜纤维。复合纤维的内部采用丝径较大的纤维，以减小液体的流动阻力，而外围则采用丝径较小的纤维，以提高毛细压力。在各个倾角下，超亲水复合纤维超薄平板热管的最大传热量比超亲水单丝径超薄热管的高32.5%。在充液率为26.6%时（此充液率定义为超薄平板热管内工质的体积与热管内总体积之比），其最大传热能力为20 W，最低热阻为0.12 K/W。

针对沟槽型吸液芯的表面改性，Xie等[60]研究了具有润湿梯度沟槽的铜平板热管。他们通过控制超亲水沟槽吸收过氧化氢溶液的时间，调节沟槽沿输运方向的润湿性，即离蒸发端越近，其接触角越小，形成润湿梯度，从而提升沟槽吸液芯的毛细力。当蒸发端接触角为0°以及冷凝端接触角为45°时，梯度沟槽平板热管的性能最佳。Chen 等[36]通过微铣削技术在十字正交V型铝沟槽里加工米粒状微结构来提升沟槽的润湿性，从而提高其毛细力。采用该微结构沟槽的铝超薄均热板最大传热量达160 W，热阻最低为0.156 K/W。Tang 等[61]采用NaOH 溶液对平行V 型铝沟槽平板进行化学刻蚀，形成超亲水表面，毛细爬升实验表明，改性后沟槽毛细驱动力比原沟槽高96.33%。

为了同时兼顾吸液芯的毛细力和渗透率，学者们主要对平板热管的吸液芯进行了优化。Peng等[62-63]提出了在微柱子或者烧结型吸液芯上加工出仿生叶脉沟槽结构来提高吸液芯的渗透率，如图12(a)所示，采用带仿生叶脉沟槽吸液芯的均热板具有良好的均温性能和较小的热阻。Zeng 等[64-65]提出了带二次凹角的微沟槽型吸液芯，如图12(b)所示。毛细爬升实验表明，带二次凹角的微沟槽型吸液芯的毛细驱动力大于常规微沟槽，同时具备与常规微沟槽相近的渗透率[64]；采用带二次凹角的微沟槽型的铝材均热板具有良好的传热性能和抗重力性能[65]。Wiriyasart 等[66]提出在均热板中央热源区采用高渗透率的微槽道而四周则采用高毛细力的烧结芯，该均热板传热性能比无烧结芯的沟槽均热板的高20%。Velardo 等[67]则提出一种在蒸发器烧结铜丝网、热源部位添加烧结铜粉的复合型吸液芯，以提高热源区域吸液芯的毛细力和热源区外吸液芯的渗透率。采用该复合吸液芯结构的均热板的最低热阻为0.08 K/W。Zhou 等[68-69]采用具有两种不同丝径的复合螺旋编织纤维为超薄平板热管的吸液芯，同时兼顾毛细力和渗透率。采用复合螺旋编织纤维的超薄热管的最大传热量比单丝径的提升了33.33%～53.85%，热阻降低了27.53%～42.92%。

图12 仿生叶脉沟吸液芯(a)[62]，带二次凹角的微沟槽型吸液芯(b)[64]Fig.12 Leaf vein wick(a)[62]，micro grooved wick with reentrant cavity array(b)[64]

此外，为了缩短均热板冷凝面上冷凝液回流至蒸发面的距离，目前常用的方法是在支撑柱外围添加烧结金属粉末或采用烧结金属粉末为支撑柱[30-35]，为冷凝液回流提供较短的路径。

由上可见，通过对吸液芯进行亲水改性，可有效提高吸液芯的毛细力，而采用复合吸液芯结构，可同时兼顾毛细力和渗透率，进而强化冷凝液的回流过程，提升平板热管的传热性能。未来可进一步对吸液芯的结构进行优化设计，以提高冷凝液的回流速度。

4 工 质

工质是平板热管传递热量的介质，其热物性制约着平板热管的传热能力，因此工质及其充液率对平板热管传热性能的影响引起了学者们的关注。

平板热管中常用的工质为去离子水，其次为甲醇、乙醇、丙酮等。目前文献中[70-71]通常采用评价指标N=σρlhlg/μl评价工质的性能（σ为表面张力，ρl为液相密度，hlg为汽化潜热，μl为液相黏度）。Wong等[70]研究了水、甲醇和丙酮对丝网型均热板传热性能的影响，发现以水、甲醇和丙酮为工质的丝网型均热板的传热性能依次递减。Ji 等[71]探究了水、丙酮和乙醇对泡沫铜型均热板传热的影响，发现分别以水、丙酮和乙醇为工质时，泡沫铜型均热板的传热性能依次衰减。Attia等[72]探究了水和甲醇对平板热管传热性能的影响，得出以水、甲醇为工质平板热管传热性能依次递减的规律。由上可知，以水为工质时，均热板的性能最优，这是归因于水具有较大的潜热和较大的表面张力。

除了常用的流体外，纳米流体由于具有热导率高、可增强基体工质传热性能等优点，也被用作平板热管中的工质，以强化传热能力。目前，一般将Fe3O4、CuO、Al2O3和TiO2等纳米粒子分散于水等常用基体工质中，形成纳米流体。Zhang 等[73]采用Fe3O4磁性纳米流体为无吸液芯平板热管的工质，研究发现磁场可加速磁性流体的循环，提升平板热管冷凝面的均温性。当充液率较高时，在磁场作用下，磁性流体无吸液芯平板热管在逆重力下仍可启动。Mohanraj 等[74]研究了CuO-水纳米流体为具有吸液芯平板热管的工质，与水作为工质相比，CuO纳米流体可有效降低平板热管的热阻。Chen 等[75]研究了Cu 和CuO 纳米流体对以焊接铜线为吸液芯的平板热管传热性能的影响，发现以Cu-水纳米流体为工质的平板热管的蒸发传热系数比以CuO-水纳米流体为工质时大5%～6%。Kim 等[76]研究了Al2O3-丙酮纳米流体对铝材微通道平板热管传热性能的影响，发现纳米粒子的形状影响着平板热管的传热性能，以球形、块状和圆柱形Al2O3纳米流体为工质的平板热管的热阻分别比以丙酮为工质时低33%、29%和16%。此外Kim 等[76]还发现纳米颗粒强化传热的主要机理是在蒸发端形成纳米多孔介质层，提升工质回流的毛细力。Pandiyaraj 等[77]采用TiO2-水纳米流体作为具有吸液芯平板热管的工质，发现在强制对流换热下，平板热管的性能良好。尽管纳米流体可提升平板热管的传热性能，然而纳米粒子存在容易与基体流体分离等问题。

此外，工质充注控制和不凝气体也影响着平板热管的传热性能。为了降低不凝气体的影响，一般采用除去不凝气的流体为工质，并对平板热管进行抽真空后再进行注液。Boreyko 等[18]研究了不凝气对常规均热板的影响，结果表明二次除气均热板的性能优于一次除气均热板的性能。对于超薄均热板，Chen 等[2]采用抽真空和沸腾除气的两步法来确保超薄均热板内的真空度。首先对注有去离子水的超薄均热板进行抽真空后封闭充液柱端部，大部分空气在此过程中被排出超薄均热板；接着对超薄均热板底部加热至沸腾，剩余的不凝气被进一步排至充液柱后，剪断充液柱并密封超薄均热板，经两步法处理后降低不凝气对超薄均热板性能的影响。

综上所述，目前只有常规流体和纳米流体等工质应用于平板热管中。为了强化平板热管的传热性能，还有必要探索其他多元混合流体在平板热管中的应用。其中自湿润流体[1]具有表面张力随温度的升高而增大的奇特性质，可自发从低温区润湿到高温区，可有望应用于沟槽型平板热管和超薄平板热管中，增强其传热能力。

5 壳 材

平板热管壳体材料的热导率以及平板热管与发热元件的接触热阻影响着平板热管的传热性能。通常，平板热管采用导热率高的紫铜为壳体材料。当需考虑轻量化或者高壳体强度时，则可分别采用铝材和不锈钢作为平板热管的壳材[78]。在厚度≤0.4 mm 的超薄均热板制造过程中，为了同时兼顾热导率和壳体强度，则使用青铜为壳体材料[2]。

在实际封装过程中，由于紫铜的热膨胀系数较大，为减小热应力，平板热管与电子芯片之间只能通过界面导热材料进行接触，从而增大了接触热阻。为了实现平板热管与芯片的焊接，减小接触热阻，一般可以采用热膨胀系数低、热导率较高的金属材料为壳材。钛[79]、CuW 合金[80]、CuMo 合金[81]、氮化铝[82]和铁镍钴玻封合金(Kovar)[83]等低热膨胀系数金属材料已开始被用作平板热管的壳体材料。为了进一步降低接触热阻，实现半导体材料与散热器件的一体化制造，学者们还对硅基均热板的制造工艺及性能进行了研究[84]。

面对可折叠智能电子设备的散热，目前通常采用柔性平板热管进行热管理。柔性平板热管的壳材一般为金属/聚合物分层复合材料[5,37-38,41,85-86]，以期兼顾壳体材料的热导率和柔性，然而由于存在低热导率的聚合物，其传热能力依然不高。Oshman等[87-88]将柔性平板热管的加热端和冷凝端的柔性复合材料替换成铜，发现其最大等效热导率可达830 W/(m·K)。

综上，目前平板热管中普遍采用金属合金、硅基片或者聚合物复合材料为壳材。在未来平板热管壳材研究中，还可探究具有高热导率的石墨烯等为平板热管的壳材，以增强平板热管的传热性能。

6 总结与展望

为了提高平板热管的传热性能，通常需要强化蒸发/沸腾、强化蒸气输运、强化冷凝以及强化液体回流输运四个运行过程。此外，工质的热物性和壳材的导热能力也影响着平板热管的传热性能。本文综述了强化平板热管四个运行过程以及平板热管工质和壳材的研究现状和发展动态，通过前文总结分析，目前的进展如下。

（1）在平板热管蒸发器上形成亲水结构，可提升液体回流蒸发端的速度，进而提高传热极限。亲水表面上的纳米空腔可提供汽化成核点，使核态沸腾的发生提前，从而降低热阻，提升传热性能。尽管理论上疏水表面可使核态沸腾的发生提前和强化沸腾传热系数，然而在当前研究中，采用疏水蒸发表面平板热管的传热性能依旧不如未做改进的原型平板热管。

（2）在无吸液芯的均热板冷凝器上形成超疏水结构，实现珠状冷凝，可提高冷凝传热系数，并利用自驱动弹跳、外力场或者超亲水通道使冷凝液滴回流至蒸发器，可增强平板热管的冷凝过程，提高均热板的传热性能。

（3）通过添加支撑结构，可为平板热管内蒸气提供稳定充足的流动通道，实现气液分离，强化蒸气流动过程。

（4）通过采用亲水吸液芯，可提高吸液芯的毛细力，而采用复合吸液芯结构，可同时兼顾毛细力和渗透率，进而强化冷凝液的回流过程。

（5）在常规流体中，由于水具有较高的表面张力和汽化潜热，以水为工质的平板热管的传热性能最佳，而采用纳米流体，可提高基体流体的传热性能和提供回流毛细力，增强平板热管的传热性能。

（6）目前平板热管中一般采用金属合金、硅基片或者聚合物复合材料为壳材。采用热膨胀系数低的材料作为平板热管壳体，可实现平板热管以焊接方式与发热体接触，降低接触热阻。柔性平板热管的蒸发端和冷凝端采用金属材料，可提高其传热能力。

总体而言，平板热管一般采用热导率高的铜为壳体和热物性优良的水为工质，来提高平板热管的总体性能。对于常规厚度的平板热管，由于具有高度充足的蒸气通道和吸液芯，强化蒸发/沸腾过程和冷凝过程对增强常规平板热管的性能更为显著。而对于超薄平板热管，由于整体高度的限制，壁厚、蒸气通道和吸液芯变得很薄，这严重削弱了蒸气流动和液体回流的能力，因此，强化气/液输运过程对增强超薄平板热管的性能显得更为重要。此外，蒸发区域一般存在吸液芯，而增强蒸发区域和吸液芯的亲水性，可同时强化蒸发/沸腾和液体输运过程。

为了在实际应用中，增强平板热管传热性能，降低热阻和提升传热极限，还需进行以下研究。

（1）虽然疏水蒸发面理论上可提高沸腾传热系数，但是采用疏水表面均热板的传热性能依旧不佳。因此，需要通过改进疏水蒸发表面的结构设计和加工方法，探究改进的疏水蒸发表面对平板热管蒸发过程的影响及其蒸发/沸腾传热机理。

（2）亲水结构可分别增强蒸发过程和冷凝液的回流过程，而疏水结构则可强化冷凝过程。然而亲水和疏水结构容易受环境的影响而发生改变，可能会恶化平板热管的传热性能，因此需要研发耐用的亲水和疏水表面。

（3）仍需进一步对吸液芯的结构进行优化设计，提高冷凝液回流蒸发区域的速度。

（4）目前采用纳米流体强化平板热管的传热性能，还可探索其他多元混合流体在平板热管中的应用。

（5）针对壳材的研究，还可探索具有高热导率和低膨胀系数的材料作为平板热管的壳材。