通过控制沉积超快激光烧蚀产物来制备用于两相冷却的超薄多孔吸液芯结构

《Optics & Laser Technology》：Preparation of ultrathin porous wick structures used for two-phase cooling by controlled deposition of ultrafast-laser-ablated products

两相冷却器件中采用皮秒激光加工技术制备超薄多孔结构，通过微沟槽限域激光剥蚀产物实现可控厚度多孔层沉积。酸处理去除表面氧化物，显著提升毛细回流沸腾性能，在60 W/cm2热流下热导率达28.3 W cm?2 K?1。成功应用于厚度仅0.45 mm的蒸发生器，验证了其在便携电子设备中的热管理潜力。

　　这项研究聚焦于一种创新的制造方法，旨在制备用于两相冷却设备的超薄多孔wick结构。传统的制造工艺在制备这种结构时面临诸多挑战，尤其是在追求更薄、更轻的设备需求背景下，现有方法难以满足对精度和成本的双重要求。因此，研究团队提出了一种无需烧结的新型方法，利用飞秒激光在特定条件下实现材料的精确去除和沉积，从而形成具有可控厚度的多孔层。这一方法不仅提升了制造效率，还显著降低了生产成本，为未来高性能两相冷却设备的发展提供了新的思路。

研究中提到，传统的多孔wick结构通常通过烧结工艺制备，这需要将金属粉末填充到金属基底上，并在高温下进行烧结。然而，这种方法不仅耗时耗力，而且难以满足日益缩小的设备尺寸要求。例如，对于整体厚度小于1毫米的两相冷却设备，wick的厚度需要降至亚毫米级别，且厚度误差必须控制在几十微米以内。而传统的粉末填充工艺在这样的微小尺寸下难以实现所需的精度，这导致了设备的制造成本大幅上升。为了克服这一难题，研究者们尝试了多种替代方法，如丝网印刷和打印wick结构（Print Wick Structuring, PWS）等。这些方法虽然能够在一定程度上实现更薄的wick结构，但依然存在成本高的问题。

为了解决上述问题，本研究引入了一种基于飞秒激光微加工的新技术。该技术通过在金属表面形成深而窄的微沟槽，有效地屏蔽了外部气流，并限制了激光烧蚀产物的扩散，从而实现了对烧蚀产物的原位沉积。这种方法能够在无需烧结的情况下，制备出具有较高密度和厚度的多孔结构，其厚度可以达到数百微米。这种结构包含大量亚微米和微米级别的孔隙，从而显著提升了毛细作用和相变传热性能。研究还通过实验和模拟分析了这一过程中的关键参数对多孔层形成的影响，如激光脉冲能量、扫描速度以及重复扫描次数等。通过优化这些参数，研究人员成功地实现了对多孔层厚度和结构的精确控制。

在实验过程中，研究团队还采用了一种后处理方法，即酸洗，以去除多孔层中的氧化物。由于铜氧化物具有较差的导热性和化学稳定性，它们的存在会显著降低多孔层的毛细传热效率。通过酸洗，研究人员有效地去除了这些氧化物，使多孔层的表面结构更加均匀，并显著提升了其在两相冷却过程中的性能表现。实验结果显示，经过酸洗处理后的多孔层在高热流条件下表现出更高的传热系数（HTC），从而降低了整体的热阻，提高了两相冷却设备的热管理效率。此外，酸洗处理还改善了多孔层的表面形态，使其具有更丰富的微孔结构，为毛细作用提供了更多的成核位点，进一步增强了传热能力。

为了验证该多孔层在两相冷却中的应用潜力，研究团队还制备了一种超薄蒸发冷凝室（UTVC），并将其作为实验平台。UTVC的设计采用了上下两片金属板，其中下层板用于蒸发部分，上层板用于冷凝部分。通过飞秒激光微加工，下层板上的多孔层被精确地制备出来，而上层板则采用周期性支柱结构以增强其机械稳定性。UTVC的热性能测试结果显示，其热阻在不同输入功率下均保持较低水平，并且在高热流条件下表现出良好的温度均匀性。例如，当输入功率从2瓦增加到7瓦时，热阻从0.23℃/W逐渐降低至0.19℃/W，而在8瓦时，热阻略有上升，这可能是由于设备的承载能力达到极限。此外，温度分布测试表明，UTVC在不同热负荷下均能保持高度均匀的温度场，这得益于其多孔层的优异传热性能和结构设计。

从更广泛的角度来看，这种基于飞秒激光的制造方法不仅适用于铜基材料，还具有良好的扩展性，可应用于其他金属材料。通过精确控制激光参数，研究人员能够灵活调整多孔层的厚度和孔隙分布，以满足不同两相冷却设备的性能需求。此外，这种方法避免了传统烧结工艺中所需的高温和长时间处理，从而降低了生产过程中的能耗和材料损耗，提升了制造的可持续性。

研究团队还对多孔层的形成机制进行了深入分析。他们发现，多孔层的形成依赖于飞秒激光烧蚀过程中的材料沉积行为。在激光烧蚀过程中，材料被分解为高温高压的烧蚀产物，这些产物在特定的微沟槽结构中被有效捕获，并通过原位沉积形成稳定的多孔结构。同时，研究团队通过计算流体力学（CFD）模拟分析了气流对烧蚀产物沉积的影响。模拟结果表明，虽然气流速度较高，但其在沟槽内部形成了一种低速边界层，这种边界层有助于烧蚀产物的稳定沉积。此外，气流在沟槽顶部形成的涡旋结构可以促进烧蚀产物的逸散，从而避免在浅沟槽中形成多孔层。因此，通过控制沟槽的深度和宽度，研究人员能够实现对多孔层形成的精确调控。

从实际应用的角度来看，这种新型的多孔wick结构为两相冷却技术的发展提供了新的可能性。特别是在便携式电子设备和可穿戴设备中，两相冷却技术因其体积小、重量轻和高效的热管理能力而受到广泛关注。然而，传统方法在制备超薄wick结构时存在诸多限制，而本研究提出的方法则能够克服这些障碍，为未来的高性能两相冷却设备提供了可靠的制造途径。此外，该方法还具有良好的可重复性和稳定性，这使得其在大规模生产中具有显著优势。

综上所述，这项研究不仅在理论上深入探讨了多孔wick结构的形成机制，还在实验上验证了其在两相冷却中的实际应用效果。通过飞秒激光微加工技术，研究人员成功制备了一种具有高毛细传热性能的超薄多孔结构，并将其应用于超薄蒸发冷凝室中，显著提升了设备的热管理能力。该方法为两相冷却技术的进一步发展提供了新的方向，同时也为其他需要高精度多孔结构的领域（如微流体系统、传感器和微电子器件）提供了借鉴。