用于折叠式微电子器件高效散热的铰链式超薄柔性热管

论文信息：

Changkun Shao , Caiman Yan , Gong Chen , Zhifeng Tan , Shengrong Xiao , Yong Tang , Xiuqing Hao , Shiwei Zhang. Hinged ultrathin flexible heat pipe for high efficient heat dissipation of the foldable microelectronic devices. International Communications in Heat and Mass Transfer, 169: 109598, (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.109598

PART1

研究背景

随着柔性电子设备需求的增加，对热管理系统的要求也在提升，尤其在热传导性能和柔性方面。然而，设备尺寸和紧凑封装限制了热散发空间，导致热积累和温度不均匀问题，促使超薄热管(UTHP)成为关注的重点。本研究提出了一种新型铰链结构的超薄柔性热管(HUTFHP)，通过空心结构和石墨烯纸的结合，显著提高了热导率和机械强度，克服了现有柔性热管在弯曲时性能波动和弯曲寿命短的问题。该设计使热管在高效散热和柔性需求之间达到了良好的平衡，适用于柔性微电子设备的热管理。通过详细的实验和理论建模，验证了该热管在不同条件下的优越性能，具有广泛的应用前景。

PART2

研究内容

该研究为连接两片独立的UTHPs设计了一种三明治式新型铰链结构，由两层背面带胶的高导热石墨烯纸和化学蚀刻形成的中空支撑层组成。中空结构厚度0.25mm，孔洞呈正交排列，可增强机械强度、防止石墨烯纸脱落，并在弯曲时避免蒸汽通道压缩和外壳损伤，同时石墨烯纸的高热导率（约2200W/(m·K)）有助于提升整体散热性能。

该器件的制备流程包括：首先在铜合金C5191外壳上通过化学蚀刻形成中空结构；随后将经碱氧化溶液预处理的二维铜网与三维螺旋纤维复合毛细芯，在650°C还原气氛下烧结到外壳表面；接着在850°C下钎焊外壳并注入去离子水，通过称重控制注液量至约100μL并保持真空度低于1Pa；最后采用电阻焊完成密封，并在中空结构表面粘贴石墨烯纸片以提高导热性能。

图1. 本研究提出的HUTFHP示意图

图2. (a)制造流程与HUTFHP；(b)HUTFHP的分解示意图；(c)HUTFHP的实物图

该研究首先构建了HUTFHP的实验测试体系，用红外热像仪观测毛细上升、动态接触角仪测定润湿性，并在包含加热块、冷却块和六个热电偶的装置中测量蒸发段、绝热段和冷凝段的温度变化，由此获得有效导热系数与热阻等数据。实验结果表明，样品在室温下具有良好的毛细驱动力和润湿性能，冷却水温度维持在45°C、流量40L/h时能有效模拟智能手机工作条件。

在理论分析方面，研究建立了包含复合毛细芯与铰链结构的热传导模型，结合Hagen–Poiseuille与Darcy定律，推导出蒸汽与液体相变传热过程中的压力损失、水力直径、渗透率等关键参数。计算结果显示，HUTFHP的理论最大传热能力约7.97W，总热阻约1.44K/W，对应的理论导热系数约3004W/(m·K)，表明该结构在高效传热和毛细驱动方面具有优异性能。

图3. 毛细测试系统的示意图

图4. (a)测试系统及UHTFHP表面热电偶的布置；(b)三种典型运行工况：水平、抗重力和重力辅助

图5. 热阻网络模型：(a)HUTFHP的整体模型；(b)中空结构 RH的热阻网络模型；(c)蒸发侧UTHP的热阻网络模型RHP-eva；(d)整体热阻网络

实验结果显示，HUTFHP在2W功率下的最大有效导热系数可达2772.93W/(m·K)，约为铜的7倍，最大传热能力为6W，并在5W功率下相比石墨烯纸温差降低近70%，显现出卓越的散热性能。红外测试确认冷凝侧UTHP的工质相变循环高效运行，整体传热优于铜板、石墨烯纸及HP-Copper。

然而，铰链段被证实为热阻瓶颈，高功率下热泄漏及蒸发段温升使整体导热系数下降。通过有限元分析与实验对比，研究发现缩短铰链长度或采用高导热壳体材料（如红铜）能明显降低温差并提升导热效率；中空结构尺寸与布置影响较小。这表明合理优化铰链设计和壳体材料是进一步提高HUTFHP散热性能的关键。

图6. HUTFHP的热性能：(a)在不同功率负载下的有效导热系数和温度分布；(b)理论与实验结果的热传递能力比较

图7. 在5W功率负载下，石墨烯纸与HUTFHP的温度比较：(a)瞬态温度和(b)温差

图8. 在5W功率负载下，铜板、石墨烯纸、HP-Copper和HUTFHP的冷却性能：(a)测试示意图；(b)冷凝侧平均温度；(c)加热块温度；(d)四个样品的红外图像

图9. 铰链结构对热性能的影响：(a)三种不同的铰链结构；(b)模拟结果与实验结果的比较；(c)铰链长度的影响；(d)中空结构宽度、排列方式及壳体材料的影响

本研究验证了HUTFHP在机械与热稳定性上的双重优势。机械方面，铰链空心结构显著降低弯曲应力（160.5MPa对比无空心结构的 360.3MPa），并在20000次180°弯折后保持完好，拉伸强度远高于石墨烯纸，显示出卓越的耐疲劳与结构稳固性。

热性能方面，HUTFHP在0~180°弯折及长循环下的有效导热系数稳定约2600W/(m·K)，波动仅5.02%，且最高温度可维持在60°C以上，完全避免了传统热管在弯折中出现的流体阻力和密封失效。与其他柔性热管相比，该装置虽整体导热率稍低，但在柔性、薄型化（厚度仅0.25mm）及耐久性方面表现突出，展示出在可折叠电子设备散热领域的显著应用潜力。未来可通过缩短铰链或使用高导热材料及低沸点工质进一步提升整体导热性能。

图10. 机械性能表征：(a)不同弯折次数后的中空结构；(b)180°弯折时的弯曲半径；(c)带有与不带有中空结构样品在180°弯折时的应力分布图；(d)不同弯折角度下样品的最大应力

图11. 弯折过程中的热性能：(a)铜板对照组与HUTFHP在弯折过程中的红外图像；(b)不同弯折角度下、2W功率负载时的有效导热系数；(c)不同弯折次数下、2W功率负载时的有效导热系数

图12. 不同FHP在弯折前后有效导热系数的比较

PART3

总结与展望

本研究提出并验证了一种新型铰链式超薄柔性热管（HUTFHP），通过中空铰链结构与石墨烯纸复合实现高效稳定的固体导热，最大有效导热系数达2772.93W/(m·K)，约为铜的7倍；在2W功率下弯折0~180°范围内导热波动仅5.02%，可承受超过2万次弯折并保持性能稳定，散热效果优于铜板、石墨烯纸及传统HP-Copper，且理论模型与实验的热传能力和导热系数误差分别仅24.72%和7.71%，验证了模型可靠性。未来可通过缩短铰链长度、提高壳体材料导热率或在冷凝侧使用低沸点工质（如乙醇、丙酮）进一步降低铰链热阻，以满足柔性电子设备高功率密度与长寿命的散热需求，展现出在可折叠手机等领域的广阔应用前景。

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