《International Journal of Thermal Sciences》：Laser etching of flattened copper mesh for fabricating continuous capillary channels in flexible heat pipe with high durability
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经过压平处理的铜网实现了厚度减小、平面度提高以及通道宽度的增加。
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通过激光蚀刻技术制备了连续的毛细通道。
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开发了一种液体传输模型来揭示毛细作用机制。
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所制备的结构的厚度为58 μm，吸液系数为17.94 mm/s^0.5。
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经过压平处理的铜网实现了厚度减小、平面度提高以及通道宽度的增加。
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通过激光蚀刻技术制备了连续的毛细通道。
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开发了一种液体传输模型来揭示毛细作用机制。
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所制备的结构的厚度为58 μm，吸液系数为17.94 mm/s^0.5。
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压平式吸液热管的最低热阻仅为0.84 °C/W。
引言
像智能手机和AR/VR眼镜这样的先进电子设备正朝着更灵活、更纤薄的设计方向发展。内部空间日益紧凑以及芯片的高热流密度给电子设备的热管理带来了严峻挑战[1]、[2]。这导致电子设备的工作温度急剧上升，对用户的安全构成威胁[3]。因此，热管理技术成为开发先进电子设备的主要限制因素。为了解决电子设备的热管理问题，研究人员开发了诸如微通道冷却[4]、喷雾冷却[5]和相变冷却[6]等新技术。然而，这些热管理技术在满足电子设备灵活性的要求方面仍面临困难。柔性热管是基于相变冷却原理的热管理装置，其导热系数可达到1 × 10^5 W/m·°C。这类装置内部形成了独特的“气-液”两相循环环路，实现了高效的热传递性能。此外，柔性热管在弯曲时具有无与伦比的耐用性，已成为电子设备中热管理的重要手段[7]。然而，由于热性能与弯曲耐用性之间的固有矛盾，柔性热管在超薄电子设备中的应用仍然受到限制[8]。这一挑战将阻碍先进电子设备向更灵活、更纤薄的方向发展。
从机械可靠性的角度来看，弯曲引起的应力是柔性热管在循环变形过程中结构失效的主要原因之一。减小柔性部分的厚度是降低弯曲应力、提高耐用性的有效方法。热管的厚度由三个因素决定：外壳厚度、吸液结构以及蒸汽室厚度。在优化热管外壳厚度时，通常需要同时考虑材料的热导率和机械性能。铜壳的导热系数高达400 W/m·°C，使其成为优秀的热导体，能够提升热管的传热性能。然而，铜的机械性能较差，超薄铜壳在热管内外压差作用下容易发生变形。因此，使用金属铜作为外壳材料的热管的最低厚度为0.3 mm至0.4 mm[9]。近年来，由于其优异的机械性能，不锈钢壳逐渐成为超薄热管的首选材料[10]、[11]。通过优化热管内的气-液流动模式，可以减小蒸汽室的厚度。根据热管内部“气”和“液”的相对空间排列方式，热管可以分为气-液非共面热管和气-液共面热管。在气-液非共面热管中，液体工作流体通过吸液的毛细通道传输，而气体工作流体则在蒸汽室内传输；液体和气体在不同层次上反向流动。而在气-液共面热管中，液体和气体工作流体在同一层次上反向流动，蒸汽室的厚度与吸液的厚度相等。在这种情况下，吸液的厚度是设计薄型热管的关键因素。
许多研究人员专注于开发轻质、高性能的吸液结构。在不需要外部能量输入的情况下，自驱动的液体传输依赖于多孔结构内的毛细效应。因此，关键技术在于使用先进的制造技术在微观和纳米尺度上制备连续的毛细通道[12]。目前，常用的技术包括增材制造[13]、[14]、[15]、化学蚀刻[16]和高温烧结[17]、[18]等，以实现快速液体传输。Davoud等人[19]利用金属3D打印技术制造了性能优于传统吸液的金属吸液结构；Chen等人[20]通过化学蚀刻技术制备了仿生分层微通道结构，实现了快速液体传输；Chen等人[21]通过高温烧结技术制备了多层复合吸液结构，达到了14.44 mm^3/s的最高体积流量。尽管这些技术可以制造连续的毛细通道并提升传热性能，但要同时实现高毛细性能和薄吸液结构仍然具有挑战性。Huang等人[22]提出了一种新型复合吸液结构，其毛细性能提升了32.2%，但多层吸液的厚度增加到了0.44 mm。为了满足热管设备对灵活性和薄度的要求，液体必须在更薄的界面上实现更快的传输。
激光技术在利用高能量密度激光束与物质的相互作用特性来实现快速液体传输方面具有巨大潜力[23]。在热管领域，激光技术常用于吸液表面修改和毛细通道蚀刻。激光表面修改可以通过改变表面粗糙度、化学成分或表面自由能来调节吸液的润湿性能和毛细特性[24]。激光蚀刻是通过将激光脉冲照射到材料表面来形成“U形”或“V形”毛细通道[25]。Yu等人[26]研究了激光烧蚀行为对吸液表面形态的影响，最大提高了23.63%的毛细性能；Liu等人[27]通过激光蚀刻在吸液表面制备了超亲水微结构，提升了毛细性能并增加了沸腾 nucleation 点（降低了23.9%的热阻）；Wu等人[28]使用多光束飞秒激光在钛板上高效制备了多尺度吸液结构，与传统的“V形”吸液相比，毛细性能提升了56.7%。尽管相关研究已经证明了使用激光技术制造高性能吸液的可行性，但激光加工参数、毛细通道形成和液体传输行为之间的调控关系仍不清楚。本研究将探讨以下三个问题：1. 激光加工如何影响毛细通道的形成？2. 毛细通道参数如何影响液体传输过程？3. 是否可以为激光加工和液体传输过程建立一个统一的数学模型？
本研究提出了一种基于激光蚀刻压平铜网的超薄吸液结构设计，用于柔性热管。通过压平处理，最初纵横交织的铜网被转化为平面结构，为实现厚度减小提供了结构基础。随后使用超快激光蚀刻技术在压平的铜网表面上制备连续的毛细通道，从而实现超薄界面上的快速液体传输。基于蚀刻毛细通道的三维形态，建立了液体传输模型，以阐明激光加工如何调节毛细行为。本研究的目标不仅是开发高性能的吸液结构，还旨在为提升柔性热管的传热性能和弯曲耐用性提供可行的解决方案。
章节片段
材料
本实验使用200 mesh铜网作为原材料。200 mesh铜网指的是每平方英寸有200个孔的材料，孔径为74 μm，线径为48 μm。这种材料通过编织水平和垂直方向的铜线制成，形成了多孔结构。此类多孔编织材料常用于柔性热管设备的吸液材料。
压平压力的影响
为了确保铜网获得最佳的压平效果，必须优化模具和压力。选择钨金属作为模具材料，以防止压平过程中的变形。液压系统能够精确控制施加在铜网上的压力，从而实现不同的压平效果。如图3所示，实验研究了压平压力对铜网表面形态和特征尺寸的影响。
结论
本研究旨在解决柔性热管中传热性能与弯曲耐用性之间的固有矛盾。减小柔性部分的厚度是降低弯曲应力、提高结构可靠性的有效方法，但这往往会影响毛细传输和传热性能。为了解决这个问题，提出了一种基于激光蚀刻的压平铜网作为柔性热管的超薄吸液结构。主要结论如下：
CRediT作者贡献声明
Jiarong Cui：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、数据整理、概念化。Hu Qing：方法论、研究实施。Zhanpeng Hu：研究实施。Jin Wang：研究实施。Quanyao Yu：资源获取、方法论。Lin Qiao：资源获取、方法论。Weisong Ling：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金争取。Wei Zhou：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金争取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家杰出青年科学基金（编号：52325507）、福建省自然科学基金（编号：2025J01050）、中央高校基本科研业务费（编号：20720250151）以及国家自然科学基金（编号：U25A20311）的支持。
>Jiarong Cui | Hu Qing | Zhanpeng Hu | Jin Wang | Quanyao Yu | Lin Qiao | Weisong Ling | Wei Zhou
