适用于平板型环路热管的碳纤维毛细芯改性及性能研究

发布时间：2020-04-19 05:38

【摘要】：随着电子信息产业高速发展,电子设备的散热问题越来越受到国内外研究者的关注。环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)是一种通过蒸发器内毛细芯产生的毛细压力来驱动工作介质流动,利用工作介质的相变过程来传递热量的高效传热装置。平板型环路热管的蒸发器形状为平板状,其具有受热面积大,所占空间高度小,与发热元件贴合更加紧密,有利于减少热阻等优点,更适用于内部空间有限、发热量大、热流密度高的电子器件散热。LHP的蒸发器受热后,热量被导入蒸发器内部毛细芯,芯内工质受热后蒸发,工质进入蒸汽管线至冷凝器中,被冷却为液体,然后经液体管道回流到蒸发器内,完成工质的循环。毛细芯是环路热管的核心部件,一方面它提供了毛细抽吸压力来驱动工质循环;另一方面,工质汽化后产生的蒸汽通过毛细芯进入蒸汽管线,使热量能够在环路热管中正向传递,因此,毛细芯的发展对于环路热管性能整体的提升具有关键作用。目前毛细芯的制备材料呈现多样化,但其主要工艺仍以烧结为主。常规的烧结毛细芯具有刚性大,脆性高的特点,在用于平板式环路热管毛细芯时成平板状,机械强度不高,容易断裂,限制了其使用场合,且最小成型尺寸也受到一定的限制。此外,烧结成型的毛细芯与蒸发器的接触不紧密,由此影响了热量的有效传递,降低了启动和运行的效率。以上缺点影响了环路热管的整体性能,这些问题在环路热管向小型化发展时变得更加突出。碳纤维作为一种柔性材料,强度高并且自身具有多孔结构,将其作为环路热管毛细芯,与传统的烧结毛细芯相比,其较高的强度和良好的柔性使其能够更好地与蒸发器严密接触,并很好地解决了脆性断裂的问题,有利于平板式环路热管向小型化和微型化发展。本文对具有多孔介质结构的聚丙烯腈基碳纤维薄层用于环路热管毛细芯的特性进行了研究。通过对碳纤维的表面改性,使其呈现良好的毛细抽吸特性,以达到作为环路热管毛细芯的要求。碳纤维在经表面处理前,其活性比表面积小,表面能低,是一种疏水材料,无法发挥其内部多孔结构的抽吸特性。为此,分别采用化学镀铜方法在碳纤维表面形成均匀铜镀层以及利用火焰喷涂方法在碳纤维表面形成金属涂层对碳纤维表面进行改性处理,从而使得碳纤维材料呈现良好的吸水性,同时采用水溶液析晶的方式对碳纤维内部的孔隙率和孔径结构进调整,从而可以更加灵活地改变碳纤维毛细芯内部结构特征,以达到优化环路热管工作性能的目的。化学镀是基于氧化还原反应,利用还原剂在金属离子的溶液中将离子还原成金属单质沉积在材料表面形成镀层。碳纤维表面镀铜,作为毛细芯可获得比铜丝网更好的工作性能,因碳纤维比铜丝更纤细,所获得的毛细芯孔径更小,孔隙率更大,更柔软等,制备工艺难度小,减少了制造成本。研究结果表明,通过化学镀进行表面处理后可以使碳纤维的浸润性得到明显改善,使其内部固有的多孔结构发挥出对水的较好毛细抽吸作用,相对渗透率达到10-11m2,符合环路热管毛细芯的要求。在对化学镀铜碳纤维毛细芯环路热管的传热特性研究的基础上,提出了制备复合碳纤维毛细芯的方法,进一步优化碳纤维环路热管毛细芯的工作性能。火焰喷涂主要是通过将金属粉末喷入火焰中,利用高压高温火焰将金属粉末喷涂到碳纤维表面。通过火焰喷涂技术在碳纤维表面喷涂金属涂层,可以增加碳纤维表面的粗糙度和表面能,改善碳纤维对水的浸润性,使得碳纤维具有了优越的抽吸特性,成为一种可应用于环路热管毛细芯的新材料。因为火焰喷涂方法可以在碳纤维不同表面施加不同导热特性的涂层,所以可以制备出导热系数分布更为合理的复合型碳纤维毛细芯。研究结果表明,采用火焰喷涂改性方法制备出的复合型毛细芯具备了环路热管毛细芯的性能,并且具有更合理的导热特性分布。为了进一步完善碳纤维制备环路热管毛细芯的体系,针对碳纤维毛细芯固有的多孔结构,提出了一种利用孔内析晶反应改变其孔隙率和孔径的新方法。对析晶反应后的碳纤维毛细芯孔隙率进行测试的结果表明,在碳纤维内部进行析晶反应时,反应时间在控制孔隙率过程中起到重要作用,而溶液浓度影响较小;在对其微观结构进行观察后发现,在原有的碳纤维骨架成孔基础上,形成了晶体析出后构成的新孔径,降低了原有孔径的尺寸。基于析晶反应对成型碳纤维孔径进行改进,可以得到孔径分布更为优异的碳纤维毛细芯,对碳纤维毛细芯制备体系具有重要意义。对改性碳纤维作为毛细芯的平板型环路热管传热性能进行了测试实验,实验结果表明环路热管能够稳定运行,证明了碳纤维作为环路热管毛细芯的可行性。同时在研究过程中发现平板型环路热管因其尺寸较小,蒸发器内蒸汽腔和储液室的漏热问题成为影响其启动和运行特性的重要阻碍因素。为了研究平板型环路热管蒸发器内部的热传导过程,利用了数值模拟的方法,并将数值模拟结果和实验结果进行了对比,两者的研究结果能够很好的吻合,说明模拟过程中使用的数学模型的正确性。进一步的数值模拟结果表明,通过在LHP蒸发腔和储液腔壳体接触面间添加隔热硅胶片和YSZ隔热层的方法,可以有效地减少漏热造成的启动失效问题,而且随后的试验结果也进一步证实了这一结论。结合火焰喷涂技术制备碳纤维毛细芯的工艺,通过在碳纤维正反两侧喷涂不同的金属或金属氧化物涂层,使得碳纤维毛细芯两侧具备了不同的热传导率,从而满足毛细芯蒸汽侧和储液室侧对热传导率的不同要求,实现了复合毛细芯的功能,达到了降低平板型环路热管漏热的目的。采用化学镀铜改性和火焰喷涂改性碳纤维毛细芯以及相应优化措施后,漏热问题得到了很好的改善,随后的环路热管运行结果表明,LHP传热功率可以达到75W,且在功率变化调整过程中,温度反应迅速,运行温度稳定无波动现象。综上,本文提出并完善了以柔性的碳纤维为基础材料制备环路热管毛细芯的方法及相应的优化措施,分析测试了该毛细芯以及装配该毛细芯的LHP系统的性能,为平板型环路热管工作性能的进一步完善以及小型化提供了可行的技术路线和理论指导。
【图文】：

失效原因,电子设备,占比

成化、高功耗的芯片所带来的更高的发热量，必然导致芯片工作在更高的温度条逡逑件下，而运行温度的升高给电子芯片的稳定性和可靠性带来了非常大的问题［２４］。逡逑据相关文献报道，，如图１－１所示，电子产品因温度过高而是失效的原因占比５５％［５］。逡逑灰尘逡逑：、湿度逡逑５５邋Ｊ逦＇逡逑温度逦Ｉ逡逑：、’：振动逡逑图１－１电子设备失效原因占比［５］逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｆａｉｌｕｒｅ邋ｃａｕｓｅｓ邋ｆｏｒ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ＾逡逑电子设备的稳定性受到温度影响的领域主要包括航空航天热控制领域Ｗ和逡逑１逡逑

原理图,环路热管,原理图

环路热管的主要组成部分包括蒸发器（Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）、毛细芯（Ｃａｐｉｌｌａｒｙ邋Ｗｉｃｋ）、逡逑冷凝器（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）、储液室（Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）和蒸汽－液体管线（Ｖａｐｏｒ－ＬｉｑｕｉｄＬｉｎｅ），逡逑其基本原理图如图１－２所示。环路热管工作过程为：对蒸发器施加热负荷，热量逡逑被导入蒸发器内的毛细芯并加热芯内液体使其受热蒸发，所产生的气体进入蒸汽逡逑管道并在冷凝器中冷却为液体，在毛细抽吸压力和蒸汽压力作用下，液体工质经逡逑液体管道回流到蒸发器内，完成工质的循环。其中，毛细芯一方面需提供足够的逡逑毛细驱动力来驱动循环工质，另一方面，毛细芯需及时将产生的蒸汽转移至蒸汽逡逑管道，进而实现热量的正向传递。逡逑ＪＳｋ逡逑、、、Ｈｅａｔ邋Ｏｕｔ逦，邋Ｖａｐｏｒ邋Ｌｉｎｅ逡逑丨丨邋逦逦＾逡逑）Ｖ逦逦Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ逡逑一逡逑１逦Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ逡逑－子Ｉ逡逑Ｌｉｑｕｉｄ逦Ｌｉｑｕｉｄ邋＼邋Ｗｉｃｋ＼邋ｊ逡逑Ｌｉｎｅ＾
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.62;TQ342.742

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