CN108871026A - 一种超薄热管毛细结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄热管毛细结构及其制备方法，该毛细结构包括基板及设置在基板上的铜微柱阵列，其中，所述的铜微柱阵列表面具有微或/和纳米级孔洞。其制备步骤为：采用光刻技术和电化学沉积法，在基板表面沉积出Cu‑Al2O3纳米复合材料的微柱阵列；将沉积出的微柱阵列浸泡在NaOH溶液中，将Al2O3纳米颗粒溶解，得到表面具有微或/和纳米级孔洞的铜微柱阵列。本发明制造方法简单，制得的毛细结构表面的多孔结构能够有效增强热管的沸腾传热，提高热管的临界热通量，从而显著提升热管的传热性能。

Description

一种超薄热管毛细结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超薄热管毛细结构及其制备方法，属于传热技术领域。
背景技术
随着现代电子科技的发展，电子产品的尺寸越来越小，导致电子元器件之间越来越紧凑，单位面积内产生的热量急剧增加。为了满足现代电子产品的散热需求，柔性超薄热管应运而生。作为热管中最重要的组成部分，毛细结构的好坏直接影响了热管的传热性能，但是由于超薄热管体积小、厚度薄，传统的毛细结构很难应用在超薄热管中，现有的加工技术如激光加工、电子束刻蚀等成本高昂、效率较低，很难实现大规模应用，因此发明出一种高性能、成本低、制造简单的毛细结构成为解决热管散热问题的关键。
发明内容
为了解决现有超薄热管毛细结构性能不佳、制造工艺复杂的缺点，本发明的目的是提供一种超薄热管毛细结构及其制造方法，该毛细结构能有效提高热管的散热性能，并且制造方法简单、成本较低，适合大批量生产。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种热管毛细结构，该毛细结构包括基板及设置在基板上的铜微柱阵列，其中，所述的铜微柱阵列表面具有微或/和纳米级孔洞。
进一步的，微铜柱阵列是由直径为40μm、间距为20μm、高度为50μm的呈矩形阵列排列的圆柱形铜柱构成。
进一步的，所述的基板为铜箔基板。
上述毛细结构的制作方法，包括以下步骤：
(1)采用光刻技术和电化学沉积法，在基板表面沉积出Cu-Al2O3纳米复合材料的微柱阵列；
(2)将步骤(1)所述微柱阵列浸泡在NaOH溶液中，将Al2O3纳米颗粒溶解，得到表面具有微或/和纳米级孔洞的铜微柱阵列。
优选的，基板的材质为铜，厚度为100μm。
优选的，所述的光刻过程采用的掩膜板的图案为直径是40μm、相邻圆心距为60μm的呈矩形排列的圆形阵列。
优选的，光刻过程采用的光刻胶模板制备步骤如下：首先将铜箔基板放入超声波清洗机中清洗干净，然后将KMPR光刻胶旋涂于铜箔基板一表面，旋涂厚度为50μm，然后将涂有光刻胶的铜箔基板放在烘箱中进行前烘；将掩膜板放置于涂有光刻胶的实验材料上，校准位置后采用深紫外光照射，曝光时间为15s；将经曝光后的实验材料放在显影液中，时间为90s，得到表面具有圆柱孔洞阵列结构的光刻胶模板。
优选的，电化学沉积的步骤为：采用稀硫酸调节200g/L的CuSO4溶液pH值＝1±0.1，然后将平均直径为40nm的Al2O3纳米颗粒以30mg/L的浓度分散在上述溶液中，随后将溶液超声振荡30min；将表面具有圆柱孔洞阵列结构的光刻胶模板作为阴极，另一块铜板为阳极，采用恒压电源提供电流，电流密度为6×10-5mA/cm2，通电时间为15min，随后取出铜箔，去除光刻胶后用去离子水清洗，得到表面具有Cu-Al2O3微柱阵列的铜箔基板。
优选的，具有微或/和纳米级孔洞的铜微柱阵列的制备步骤为：将表面具有Cu-Al2O3微柱阵列的铜箔基板放置于质量分数为5％的NaOH溶液中，时间为30min，将Cu-Al2O3复合材料微柱阵列中的Al2O3纳米颗粒溶解，随后用去离子水清洗后烘干。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：由于构成微柱阵列的Al2O3纳米颗粒被溶解，所以微柱阵列表面形成了微或/和纳米级的凹穴和通道，使得稳定的汽化核心增多、汽化程度大为增加，热管内的工质可以在很低的过热度下沸腾，强化了沸腾换热，提高了热管的临界热流量，避免了热管“烧干”现象的产生，所以本发明不仅可以为工质回流提供毛细力，更能有效提高热管的散热性能。
附图说明
图1是本发明所述毛细结构的结构示意图。
图2是本发明所述毛细结构的放大结构示意图。
图3是本发明的光刻及电化学沉积过程图。
图4是本发明的电化学反应池示意图。
其中，图1～图3中：
1-铜箔基板、2-铜微柱阵列、3-多孔结构、4-KMPR光刻胶、5-掩模板、6-Cu-Al2O3微柱阵列。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和附图，对本发明做进一步详细的说明。
结合图1-2，本发明所述的热管毛细结构包括铜箔基板1及设置在铜箔基板1上的铜微柱阵列2，其中，所述的铜微柱阵列2表面具有微或/和纳米级多孔结构3。其中，微铜柱阵列2是由直径为40μm、间距为20μm、高度为50μm的呈矩形阵列排列的圆柱形铜柱构成。
结合图3～4，本发明所述的热管毛细结构的制备过程如下：
(1)基板的选择
本实施例选取厚度为100μm的铜箔作为基板。
(2)光刻过程
首先将铜箔基板1放入超声波清洗机中清洗干净，然后将KMPR光刻胶4旋涂于铜箔基板1上表面上，旋涂厚度为50μm，然后将涂有光刻胶的铜箔基板1放在烘箱中进行前烘；制作一个表面图案为直径是40μm、相邻圆心距为60μm的呈矩形排列的圆形阵列掩膜板5。将掩膜板5放置于涂有光刻胶4的实验材料上，校准位置后采用深紫外光照射，曝光时间为15s；将经曝光后的实验材料放在显影液中，时间为90s，得到表面具有圆柱孔洞阵列结构的光刻胶模板。
(3)Cu-Al2O3复合材料微柱阵列的制备
首先往200g/L的CuSO4·5H2O溶液中逐滴滴加H2SO4溶液，将溶液的pH值调为1，然后将平均直径为40nm的Al2O3纳米颗粒以30mg/L的浓度分散在溶液中，随后将溶液超声振荡30min；将表面具有圆柱孔洞阵列结构的光刻胶模板作为阴极，另一块铜板为阳极，采用恒压电源提供电流，电流密度为6×10-5mA/cm2，通电时间为15min，随后取出，去除光刻胶后用去离子水清洗，在铜箔基板1表面制得Cu-Al2O3微柱阵列6。
(4)多孔结构的制备
将表面具有Cu-Al2O3微柱阵列6的铜箔基板1放置于质量分数为5％的NaOH溶液中，时间为30min，将Cu-Al2O3微柱阵列6中的Al2O3纳米颗粒溶解，随后用去离子水清洗后烘干，得到多孔结构3，最终制得表面具有微或/和纳米级多孔结构3的铜微柱阵列2。
本发明涉及的毛细结构是应用在超薄热管中，用于强化热管的沸腾传热以及为工质回流提供毛细力。本发明所设计的毛细结构为表面具有微或/和纳米级孔洞的铜微柱阵列，铜微柱之间的间隙可以产生较大的毛细力使工质流回蒸发端，每个微铜柱表面具有微或/和纳米级孔洞和微通道，使得微铜柱呈现出超亲水特性，有利于工质更好地浸润毛细结构，防止蒸发端出现烧干现象；微铜柱表面的微或/和纳米级孔洞和微通道不但增加了毛细结构的传热面积，孔洞与微通道中还能附着液膜，由于其厚度极薄，液膜热阻很小，在较高的壁温下，液膜迅速蒸发成蒸汽，随着蒸汽压力不断升高，蒸汽溢出并将热量带到冷凝端，微柱阵列表面的结构使得工质沸腾所需的壁面过热度减小，从而工质更容易沸腾。
以上所述只是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理下所做的改变，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热管毛细结构，其特征在于，该毛细结构包括基板及设置在基板上的铜微柱阵列，其中，所述的铜微柱阵列表面具有微或/和纳米级孔洞。
2.如权利要求1所述的毛细结构，其特征在于，微铜柱阵列是由直径为40μm、间距为20μm、高度为50μm的呈矩形阵列排列的圆柱形铜柱构成。
3.如权利要求1所述的毛细结构，其特征在于，所述的基板为铜箔基板。
4.如权利要求1-3任一所述的毛细结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用光刻技术和电化学沉积法，在铜箔基板表面沉积出Cu-Al2O3纳米复合材料的微柱阵列；
（2）将步骤（1）所述微柱阵列浸泡在NaOH溶液中，将Al2O3纳米颗粒溶解，得到表面具有微或/和纳米级孔洞的铜微柱阵列。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，铜箔基板厚度为100μm。
6.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，光刻过程采用的光刻胶模板制备步骤如下：首先将铜箔基板放入超声波清洗机中清洗干净，然后将KMPR光刻胶旋涂于铜箔基板一表面，旋涂厚度为50μm，然后将涂有光刻胶的铜箔基板放在烘箱中进行前烘；将掩膜板放置于涂有光刻胶的实验材料上，校准位置后采用深紫外光照射，曝光时间为15s；将经曝光后的实验材料放在显影液中，时间为90s，得到表面具有圆柱孔洞阵列结构的光刻胶模板。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，掩膜板的图案为直径是40μm、相邻圆心距为60μm的呈矩形排列的圆形阵列。
8.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，电化学沉积的步骤为：采用稀硫酸调节200g/L的CuSO4溶液pH值=1±0.1，然后将平均直径为40nm的Al2O3纳米颗粒以30mg/L的浓度分散在上述溶液中，随后将溶液超声振荡30min；将表面具有圆柱孔洞阵列结构的光刻胶模板作为阴极，另一块铜板为阳极，采用恒压电源提供电流，电流密度为6×10-5mA/cm2，通电时间为15min，随后取出铜箔，去除光刻胶后用去离子水清洗，得到表面具有Cu-Al2O3微柱阵列的铜箔基板。
9.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，NaOH溶液的质量分数为5％。
10.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，步骤（2）中，浸泡时间为30min。
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