通过 3D 打印技术制备聚合物基柔性振荡热管及其热性能
编辑：韩朝阳 张超      来源：https://www.mdpi.com/      发布时间：2023-03-16      浏览量： 308

摘要

随着柔性电子技术的快速发展以及对多功能、小型化和高功率密度的要求，有效的热管理已成为越来越重要的问题。振荡热管作为一种很有前途的技术，被用于散发高热通量，具有广泛的应用。在本文中，我们报道了使用 3D 打印技术制备的聚合物基柔性振荡热管 (FOHP) 的制造和传热性能评估。3D打印的内表面对工作液具有良好的润湿性，有利于工作液的蒸发。选用乙醇作为工质，分析了30%~60%的填充率范围对传热性能的影响。结果发现，填充率为 40% 的 3D 打印 FOHP 具有最佳的传热性能和最低的热阻，并且制造的热管可以轻松地从 0° 弯曲到 90°。在最佳填充率下，FOHP 的热阻随着弯曲角度的增大而增加。此外，3D打印的FOHP成功应用于柔性印刷电路的热管理，结果表明柔性印刷电路的温度保持在72℃以内，使用寿命得到保证。

一、简介

随着微电子技术的快速发展，柔性电子器件和可折叠电子器件的发展已成为未来的必然趋势之一，以满足便携性和小型化的需求[ 1,2,3 ]。例如，折叠屏手机和可穿戴电子设备在过去几十年中广泛应用于许多重要的工业领域。此类产品结构紧凑、功能复杂，导致发热增加，严重阻碍了电子设备的使用寿命[ 4 , 5 , 6]. 因此，迫切需要一种导热性能优良的先进冷却装置来解决上述问题。热管作为常见的热管理器件，以其结构简单、可靠性高等优点被广泛应用于电子散热领域[ 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12]. 热管可分为热虹吸管、传统热管、环路热管(LHP)、微型热管、旋转热管、均热板和振荡热管(OHP)。其中，振荡热管通过热激发振荡运动发挥作用，以其热性能高、结构简单和体积小等优点被认为是解决紧凑型散热问题最有前途的方法之一 [ 13 , 14 ] , 15 ]。目前，OHP 在电子冷却 [ 16、17 ]、航空航天 [ 18 ]、废热回收 [ 19 ]、太阳能 [ 20]等领域的许多应用中都显示出相当大的潜力。] ，以及其他重要的工业领域[ 21、22、23 ]。
然而，目前大多数热管都是由刚性金属材料制成，例如铝和铜。对于柔性电子系统的热管理，非柔性、刚性热管不能反复折叠，与柔性电子设备配合时具有高热接触电阻。面对柔性电子元器件的散热问题，刚性热管的应用受到很大限制。相比之下，柔性热管可以在不同的弯曲角度下传递热量，并在反复弯曲实验下保持较高的传热效率，现已成为电子散热领域的新趋势[24,25,26 ]。
柔性热管通常由三段组成：蒸发段、冷凝段和绝热段。根据以往的研究，目前的柔性热管可分为单关节柔性热管和非关节柔性热管两大类[ 24 ]。单铰接柔性热管采用柔性接头作为绝热段连接蒸发段和冷凝段。柔性连接器通常由金属波纹管[ 27、28 ]、聚氨酯管[ 29 ]和氟橡胶管[ 30、31 ]组成。例如，Jaipurkar 等人。[ 28] 设计了一种由两根铜管和一个金属波纹管组成的柔性热管。以水为工作液，蒸发段与冷凝段采用不锈钢波纹管连接，可轻松弯曲成5°至20°的所需角度。杨等。[ 29 ]报道了一种使用聚氨酯管作为连接材料的柔性热管。结果发现，当热管弯曲到 30° 到 120° 之间的角度时，这种柔性热管的热性能受到弯曲的轻微影响。曲等。[ 30] 设计并制造了一种带有氟橡胶管连接器的柔性振荡热管。该热管可在多种结构形式下变形，实验结果表明该热管具有良好的柔韧性和可接受的传热能力。事实上，由于金属材料的特性，金属连接器没有很好的柔韧性，这意味着很难完成大的弯曲角度。虽然聚合物连接器相对柔韧，但聚合物管的变形会损坏内部毛细结构并降低热管的传热性能。
非铰接式柔性热管大多采用高分子材料，直接利用外壳材料实现弯曲。与单铰接式柔性热管相比，非铰接式柔性热管可以通过增加弯曲半径实现更大的弯曲角度，极大地保护了热管的内部结构，提高了柔性和可靠性[ 32,33 ] 。 , 34 , 35 ]。对聚合物基柔性热管进行了大量研究。克里斯托弗等人。[ 32]使用商业薄膜作为外壳制造了扁平柔性热管，其由低密度聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和铝层组成。选择灯芯结构为三层烧结铜网。当加热功率为25W时，聚合物基热管的热阻是同尺寸铜块热阻的23%。谢等人。[ 33 ]使用硅橡胶制备了柔性热管。该热管在15°弯曲角度下的传热性能优于垂直工作状态。此外，它可以在 12.67 W 的功率下稳定工作。Lim 等人。[ 34]开发了一种外壳由多层层压薄膜和低密度聚乙烯组成的聚合物柔性脉动热管。为了进一步提高热管的可靠性，它使用加铟涂层进行密封，这大大延长了热管的使用寿命。
尽管对聚合物基柔性热管的优化设计和制造进行了大量研究，但传统的制造工艺复杂、成本高、效率低。因此，有必要开发一种简单、高效、快速的生产方法来制造柔性热管。熔融沉积建模 (FDM) 是制造、生产应用和机械建模中使用最广泛的 3D 打印技术之一。它使用加热的喷嘴熔化和挤出热塑性聚合物材料，并根据设计的图案逐层沉积挤出的聚合物长丝。许多热塑性高分子材料被应用于FDM打印，如聚乳酸（PLA）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、热塑性聚氨酯弹性体（TPU）等。36 , 37 , 38 , 39 , 40 , 41 , 42 , 43 , 44 , 45]. 在这项工作中，根据 3D 的技术特点，以热塑性聚氨酯弹性体 (TPU) 为原材料，设计并制造了尺寸为 87 mm × 25 mm × 5 mm 的 3D 打印柔性振荡热管 (FOHP)。印刷快速制造。选择乙醇作为工作流体，通过实验研究了不同填充率、加热功率和弯曲角度对 3D 打印 FOHP 热阻的影响。最后，开发的 FOHP 应用于柔性印刷电路的热管理。

2。材料和方法

2.1. 材料

作为 3D 打印机原材料的直径为 1.75 mm 的热塑性聚氨酯 (TPU) 长丝是从广东瑞奔股份有限公司（中国广州）订购的。尺寸为 25 mm × 25 mm 的陶瓷电加热器购自吴江中正电气科技有限公司（中国天长）。乙醇购自上海阿拉丁试剂有限公司（中国上海）。导热膏购自上海泰普新材料科技有限公司（中国上海）。柔性印刷电路来自江苏科依曼电热科技有限公司（中国盐城）。导热系数为 0.05 W/m K 的隔热材料购自鲁阳节能材料有限公司（淄博，中国）。

2.2. 柔性振荡热管的制作工艺

内部蛇形流道结构的振荡热管利用工作流体在蒸发段和冷凝段之间来回振荡传递热量。内部通道的直径是振荡热管运行的一个重要参数，其最大值由以下公式确定[ 46 ]：

image.png

D≤1.84σ
)


其中σ是表面张力，g 是重力加速度，�升是液体的密度，并且�v是蒸气的密度。

在这项工作中，我们采用熔融沉积建模 (FDM) 技术来制备 FOHP，由于其低成本、快速生产和易于操作，它是使用最广泛的 3D 打印技术之一。如图1a所示，使用3D打印机的挤出机将灯丝加热至半液态，然后按照特定的图案逐层挤出。使用允许打开或关闭熔化的 3D 打印材料的流动的程序来操纵喷嘴。待熔化物凝固后，即得到打印物。图1b为本研究中FOHP的设计结构，外壳尺寸为87 mm×25 mm×5 mm，圈数为4。工作液为乙醇，内通道直径为设为 2 mm，满足式（1）。image.png

图 1. ( a ) 3D 打印过程和 ( b ) 3D 打印 FOHP 结构的 示意图。

为了实现制造的振荡热管的弯曲能力，在常见的 3D 打印聚合物材料中，选择了低密度和良好柔韧性的 TPU 作为原材料。FOHP 是使用 FDM 3D 打印系统创建的（图 S1和注释 S1），喷嘴温度、平台温度和扫描速度分别设置为 210 °C、60 °C 和 30 mm/s，分别。由系统程序控制的喷嘴，根据震荡热管的结构信息熔化TPU丝材，逐层沉积在预热平台表面，直至制作出整条热管。
根据我们之前的研究 [ 12 , 22 , 42 ]，我们采用回填法将工作流体填充到 3D 打印的 FOHP 中。首先将 FOHP 抽真空至 5 Pa 以下，然后利用压差将工作流体充入整个 FOHP。我们抽出一定量的工作液并密封 FOHP。填充率通常定义为剩余工作流体与 FOHP 整个内部空间之间的比率。实验过程中，填充率（30%、40%、50%和60%）、加热功率（1 W~8 W）和弯曲角度（0°、45°和90°）对材料的影响研究了 FOHP 的热性能。

2.3. 实验装置

用于评估 FOHP 传热性能的实验装置如图2所示. 测量仪器主要包括陶瓷电加热器、直流电源、冷却块、冷却浴、数据采集系统和计算机。加热单元由尺寸为25 mm×25 mm的陶瓷电加热器和可调直流电源组成。添加到 FOHP 的加热功率输入通过调节直流电源的电压和电流来控制。FOHP 的冷凝部分使用连接到冷却浴的冷却块进行冷却，本实验的冷却温度设置为 20 °C。六个热电偶（T1~T6）用于监测和记录 FOHP 的实时温度变化。三个热电偶分别均匀布置在 FOHP 的蒸发段和冷凝段的中心。使用数据采集系统收集测量的温度数据，然后传输到计算机。此外，为了提高测量数据的准确性，在接触面之间涂抹了导电硅脂，以降低接触热阻。在实验过程中，整个 FOHP 被厚度超过 5 厘米的隔热材料包裹，以尽量减少热量损失。通过比较进出水温度，系统的最大热损失为1.43%。整个 FOHP 都被厚度超过 5 厘米的隔热材料包裹起来，以最大限度地减少热量损失。通过比较进出水温度，系统的最大热损失为1.43%。整个 FOHP 都被厚度超过 5 厘米的隔热材料包裹起来，以最大限度地减少热量损失。通过比较进出水温度，系统的最大热损失为1.43%。image.png

图 2. FOHP 热性能实验装置示意图。

热阻（R）作为评价热管传热性能的重要指标。使用以下等式获得 3D 打印 FOHP 的热阻：

image.png

在哪里N,q，Te,和Tc分别为蒸发段或冷凝段的热电偶数、加热功率输入、蒸发段和冷凝段的平均温度。

2.4. 表征

FOHP 是使用 FDM 3D 打印机 (Creality 3D Ender-3) 制造的，精度为 ±0.1 mm。使用场发射扫描电子显微镜（SEM，Sirion 2000，FEI）观察 FOHP 内表面的微观结构。接触角用接触角测量装置（FM40Mk2 EasyDrop，KRUSS GmbH）表征。使用六个 K 型热电偶（Omega SMPW-TT-K，分辨率 ~ 0.1 °）监测和记录 3D 打印 FOHP 的温度变化C), 它们连接到多通道数据采集系统 (Agilent 34972A, Agilent Technologies Inc., Beijing, China)。为分析热管的热性能，在冷凝部分将冷块连接到 FOHP，冷却浴（Julabo Bilon Equipment，Seelbach，Germany）提供恒温 20 °C 的循环冷却水。红外摄像机（HM-TPH36-10VF/W 海康威视，中国杭州）用于监测 FOHP 的表面温度。

3。结果与讨论

图 3a显示了准备好的 FOHP 的光学图像，它是使用上述 3D 打印技术制造的。制作的 FOHP 由热塑性聚氨酯 (TPU) 组成，尺寸为 87 mm（长）× 25 mm（宽）× 5 mm（高），误差为 ±0.1 mm。图 3b展示了制造的 FOHP，具有出色的柔韧性，可轻松弯曲至 90° 的弯曲角度。

image.png

图 3. ( a ) 3D 打印 FOHP 和 ( b ) 弯曲角度为 90° 的 FOHP 的光学图像。

为了表征 3D 打印 FOHP 中内部通道的表面形态和润湿性能，将制备的 FOHP 沿轴向切成两半。图 4a显示了 FOHP 中流道的内表面形态，这是使用扫描电子显微镜 (SEM) 观察到的。如图所示，通道的内表面呈现出细小的凹槽结构，这归因于FDM制造工艺的特点。独特的凹槽结构提高了内表面的粗糙度，进一步促进了工作液的蒸发。FOHP 的内部通道由四圈组成。凹槽的横截面为圆形，直径为2mm。两个相邻内部通道之间的距离为 1 mm。

image.png

图 4. ( a ) FOHP 的内部蛇形流动通道结构和滴落在内表面 之前 ( b ) 和 ( c ) 之后的乙醇液滴的照片。

此外，我们还测量了内表面的接触角，如图4 b、c 所示。当乙醇液滴落在 FOHP 的内表面时，测得的接触角为 13°，表明内表面对工作流体具有良好的润湿性。因此，内表面的凹槽结构和润湿性不仅提供了强大的毛细管能力，而且有利于工作流体的蒸发。

图 5显示了当加热功率输入从 1 W 增加到 8 W 时，具有不同填充率的 3D 打印 FOHP 的热性能。工作流体的数量对 FOHP 的热性能起着重要作用。一般来说，当 FOHP 中填充过多的工作流体时，液体塞子会限制振荡运动，导致热性能差。反之，当FOHP装载的工质过少时，液体不足以吸收施加到蒸发段的热能并将其转化为工质的动能，从而导致干涸现象. 因此，振荡热管中应存在最佳填充率。图 5a 显示了在不同加热功率输入下填充不同填充率（30%、40%、50% 和 60%）的 FOHP 的温差演变。如图所示，当加热功率输入从 1 W 增加到 7 W 时，与其他三种 FOHP 相比，填充率为 40% 的 FOHP 在蒸发段和冷凝段之间的温差最小。当加热功率输入为7 W时，填充率为40%的FOHP的温差仅为8.1 °C。然而，当加热功率输入持续增加到 8 W 时，FOHP 的温差急剧增加，表明已达到运行极限。

image.png

图 5. FOHP 的热性能。( a ) 温差和 ( b ) 热阻随不同加热功率输入的演变。


我们还根据等式 (2) 和 (3)计算了热阻R。如图 5b所示，所有 FOHP 的热阻随着加热功率输入的增加而降低，直到出现运行限制。其中，与填充率为40%、50%和70%的其他三种热管相比，填充率为40%的FOHP表现出最佳的热性能和最低的热阻。当加热功率输入为7 W时，填充率为40%的FOHP的热阻仅为1.16 °C/W。根据傅立叶定律，FOHP 的有效热导率,R 可以使用以下公式获得：

image.png

其中一个, L，AT分别是 FOHP 的横截面积、蒸发段和冷凝段之间的距离以及蒸发段和冷凝段之间的温差。根据等式（4），当加热功率输入为 7 W 时，3D 打印 FOHP 的最大有效导热系数为 514 W/m K。因此，该 3D 打印 FOHP 的最佳填充率为 40% , 填充率为 40% 的 FOHP 将应用于进一步的实验。

在接下来的研究中，使用充满 40% 工作流体的 FOHP 来研究弯曲对传热性能的影响。图 6显示了在不同弯曲角度下测试的 3D 打印 FOHP 的热阻演变。如图6所示b，应该注意的是，当加热功率输入增加时，FOHP 的热阻会降低，并且较大的弯曲角度会导致更显着的热阻，特别是当向蒸发部分添加低加热功率输入时。如图所示，在没有弯曲的情况下，FOHP 的热阻从 1 W 时的 27.5 °C/W 下降到 3 W 时的 7.3 °C/W 和 5 W 时的 2.8 °C/W。当 FOHP 弯曲到 90° 时，相应的热阻分别为 35.1 °C/W、10.6 °C/W 和 4.4 °C/W。另一方面，当 FOHP 未弯曲时，FOHP 的工作极限为 7 W。当 FOHP 弯曲到 90° 角时，FOHP 的工作极限下降到 5 W。因此，实验结果显示弯曲会导致 FOHP 的额外热阻并降低操作限制，但是通过增加蒸发段的加热功率输入可以减少额外的热阻。此外，可以清楚地看到，当加热功率输入从 1 W 增加到 5 W 时，这种 3D 打印的 FOHP 具有良好的热性能和低热阻，弯曲角度范围为 0° 到 90°。


image.png


图 6. FOHP 在不同弯曲角度下的热性能。( a ) 弯曲 FOHP 的示意图。( b ) 不同弯曲角度下的热阻演变。

最后，由于其出色的传热性能和柔韧性，我们进一步展示了我们开发的用于柔性印刷电路热管理的 FOHP。如图7所示a，一个柔性印刷电路，可以产生 2 W 到 6 W 的热量，用导热油脂连接到我们的 FOHP 的蒸发部分。在 FOHP 的冷凝部分放置一个恒温 20 °C 的冷却块。此外，放置在柔性印刷电路表面的K型热电偶用于监测和记录其实时温度变化。柔性印刷电路产生的热量首先被传递到我们开发的 FOHP 的蒸发部分，在管道中激发振荡运动，然后被带到冷凝部分，热量在冷凝部分被冷却水进一步消散。


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图 7. 3D 打印 FOHP 对柔性印刷电路的热管理。( a ) FOHP 对柔性印刷电路的热管理示意图。( b ) 由 FOHP 管理的柔性印刷电路的表面温度随时间的变化。( c ) 红外图像显示 FOHP 在不同加热功率输入下的不同热性能。

图 7b 显示柔性印刷电路表面随时间的温度演变曲线。如图所示，在我们的 FOHP 未运行的情况下，当柔性印刷电路通电时，表面温度会在不到 1 分钟的时间内迅速达到 100 °C 以上，从而导致电路损坏。相比之下，当柔性印刷电路连接到平板OHP时，表面温度会在2 W的功率下迅速达到52°C的稳定工作状态，从而延长电路的使用寿命。当功率增加到 4 W 和 6 W 时，FOHP 的表面温度分别仅为 60 °C 和 67 °C。此外，还研究了弯曲角度对 FOHP 传热性能的影响。当 FOHP 弯曲至 90°时，
为了进一步评估 FOHP 的热管理性能，当柔性印刷电路达到稳定状态时，收集了不同加热功率输入下的热红外图像，如图 7c所示。很明显，FOHP 中存在轻微的温度梯度，这表明 FOHP 具有均匀的传热。更重要的是，FOHP 可以像柔性印刷电路一样弯曲。即使 FOHP 弯曲，它仍然表现出出色的热性能和均匀的传热。因此，人们高度期待制造的 3D 打印 FOHP 能够为研究人员提供解决柔性电子设备热管理问题的新方法。

4。结论

总之，我们使用 FDM 3D 打印技术成功开发了一种基于柔性聚合物的振荡热管，在较短的生产周期内完成了具有复杂内部通道的 FOHP 的制造。乙醇作为 FOHP 的工作流体，系统地分析了填充率、加热功率输入和弯曲角度对热性能的影响。结果表明，填充率为 40% 的 FOHP 具有最低的热阻和最大的运行限制，在 7 W 的功率下，最大有效导热系数为 514 W/m·K。此外，制造的 3D 打印FOHP 在 0° 至 90° 的弯曲角度范围内表现出出色的热性能和低热阻。终于，3D 打印的 FOHP 与柔性印刷电路集成，以验证其热管理性能。不仅维护了柔性印制电路的正常工作，而且延长了其使用寿命。除了大功率柔性印刷电路外，我们开发的3D打印FOHP有望应用于大功率柔性LED、可穿戴电子产品、柔性多功能传感器以及其他涉及紧凑空间内散热要求的柔性系统。

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