本文根据热管各部分的功能差异，以纳米多孔铜粉和不规则铜粉为原料，设计并制备了一种新型多尺度复合结构多孔芯热管；该热管蒸发段多孔芯为两层结构，管壁侧为由纳米多孔铜粉烧结而成的小孔隙层，工质腔侧为由不规则铜粉烧结而成的大孔隙层，绝热段和冷凝段多孔芯则均为由不规则铜粉烧结而成的大孔隙层。采用自组装的传热性能测试装置研究了热管的传热性能。结果表明：多尺度复合结构多孔芯的小孔隙层可以提供较高的毛细力，大孔隙层可以提供较大的工质流动通道，从而提升热管传热能力；与单层均匀多孔芯热管相比，多尺度复合结构多孔芯热管表现出了更高的抗重力传热能力，在完全抗重力条件下(倾斜角度为90°)的传热极限功率高达90W，比由纳米多孔铜粉和不规则铜粉烧结而成的单层均匀多孔芯热管分别提升了2.9倍和2.3倍。

1 试样制备与试验方法 ✦

1.1 试样制备

      试验材料包括不规则CuZn50合金粉、不规则铜粉、磷脱氧铜管、高纯水以及不锈钢芯棒。

     采用腐蚀脱合金化技术制备纳米多孔铜粉。搭建如图1所示的腐蚀装置，腐蚀液组成为1.5mol·L-1NH4Cl和3mol·L-1HCl，通入氩气除氧后将烧瓶放置于恒温水浴锅中，再倒入CuZn50合金粉，腐蚀后清洗干燥得到纳米多孔铜粉。将制备的纳米多孔铜粉过两层筛网，不规则铜粉同样过两层筛网，取两层筛网中间的物料作为制备热管多孔芯的原料。

     多孔芯热管的常规制备过程如图2所示。使用铜管切割机将磷脱氧铜管切割成长度在237~257mm的短管，再使用铜管缩管机将铜管一端的外径从6mm旋压模锻至4mm，内径为3.6mm，缩管部分长50mm。将不锈钢芯棒表面均匀涂抹脱模剂，干燥后插入到磷脱氧铜管中，固定于铜管正中以保证在铜管内壁烧结得到厚度均匀的多孔芯。在铜管和芯棒之间的空隙中填入原料粉末，放入石英管式炉中进行烧结，同时向炉内通入氩气以避免试样氧化。试样烧结冷却后，用钳子缓慢将不锈钢芯棒取出，对铜管的填粉端侧进行管径收缩及焊接封口处理，然后从缩管端向铜管内注入高纯水。为了去除铜管内的空气,使用旋转真空泵进行抽真空处理，为避免管内高纯水的蒸发，调节针形阀将真空泵在1.01×105Pa气压下的抽气流量控制在0.1~0.3m3·h-1之间。抽真空操作结束后，利用铜管冷焊封口机进行机械冷焊和二次除气，最后用氩弧焊机对铜管两端进行永久密封，得到多孔芯热管。

      研究人员构建的多尺度复合结构多孔芯的制备工艺如下：第一步，制备蒸发段管壁侧由纳米多孔铜粉烧结而成的小孔隙层。首先在铜管中放入直径为4.2mm的不锈钢芯棒，在芯棒和铜管之间的空隙中填充纳米多孔铜粉，粉末振实后的高度为50mm(保证多孔铜粉只充满热管的蒸发段)，然后将整个试样竖直放入烧结炉中，在800℃下烧结30min，在蒸发段管壁侧获得厚度为0.5mm的小孔隙层。第二步，制备蒸发段工质腔侧以及绝热段和冷凝段由不规则铜粉构成的大孔隙层。在第一步烧结的试样中放入直径3.0mm的不锈钢芯棒，在芯棒和铜管之间的空隙中填充不规则铜粉，振实后将整个试样竖直放入烧结炉中，在800℃下烧结30min，从而获得大孔隙层，其中蒸发段工质腔侧大孔隙层厚0.6mm，绝热段和冷凝段厚度均为1.1mm。最终烧结得到的多尺度复合结构多孔芯孔隙结构如图3所示。

     为了进行对比，还制备了两种单层均匀多孔芯热管。一种多孔芯由纳米多孔铜粉烧结而成(简称单层芯A)，其孔结构包含纳米多孔铜粉本身的纳米孔和颗粒烧结形成的微米孔；另一种多孔芯由不规则铜粉烧结而成(简称单层芯B)，其孔结构为颗粒烧结形成的微米孔。这两种多孔芯的厚度也均为1.1mm。纳米多孔铜粉和不规则铜粉烧结而成的单层均匀多孔芯热管中的充液量分别为1.76，1.55g，多尺度复合结构多孔芯热管中的充液量为1.80g。

1.2 试验方法

      在热管蒸发段和冷凝段中部位置横向剖开，利用场发射扫描电镜(FESEM)观察多孔芯的微观孔结构。采用如图4所示自组装的传热性能测试装置对热管进行传热性能测试，该装置主要由直流稳压电源、加热铜块、冷却铜块、冷却风扇以及温度数据采集系统组成。加热铜块上表面开设半圆形凹槽，内置3根加热棒与电源相连；冷却风扇固定在冷却铜块的下方，冷却铜块上表面同样开设半圆形凹槽；利用一台数据采集器、电脑和13根K型热电偶来进行温度数据采集，其中t1和t13分别为加热铜块和冷却铜块的温度，t2~t6为热管蒸发段壁面温度，t7为绝热段温度，t8~t12为热管冷凝段壁面温度。

      将热管的蒸发段和冷凝段分别嵌在加热铜块和冷却铜块的凹槽内，分别倾斜3个角度(0°，30°和90°)进行抗重力传热性能测试。在热管与铜块之间间隙处填入导热硅脂以减小接触热阻。试验时，先开启散热风扇并启动数据采集系统，经过约60s后，启动测试程序进行加热，初始加热功率为5W，每隔5min加热功率增加5W。当热管加热段温度t1明显高于t2或者t2明显高于t3后，停止试验。

      根据测试得到的温度计算热阻，计算公式为

2 试验结果与讨论 ✦

2.1 多尺度复合结构多孔芯的微观结构

     由图5可以看出，多尺度复合结构多孔芯热管蒸发段的孔芯为双层结构：第一层为管壁侧烧结纳米多孔铜粉形成的小孔隙层，其孔结构包含纳米多孔铜粉颗粒内部和表面的纳米孔，还包含颗粒之间烧结形成的孔隙；第二层为工质腔侧由不规则铜粉颗粒烧结形成的大孔隙层。绝热段和冷凝段多孔芯结构相同，均为由不规则铜粉烧结形成的大孔隙层。

2.2 多孔芯孔结构对热管传热性能的影响

     在传热性能的测试过程中，当热管蒸发段加热功率低于其传热极限功率时，蒸发段不同位置的温度会很均匀；而当加热功率超过传热极限功率时，热管蒸发段多孔芯内的工质就会发生干涸，此时施加的一部分热量并不是通过相变快速传递至冷凝段，而是直接使加热铜块、管壳和多孔芯过热，从而出现温度t2高于t3，接着t3高于t4的现象，此时温度t1与t6的差值也会立刻增大，热阻急剧增加。因此，根据热阻的变化可以判断热管的传热极限功率。

      由图6可以看出：在水平条件下(倾斜角度0°)，随着加热功率的增加，单层均匀多孔芯(单层芯A和单层芯B)热管和多尺度复合结构多孔芯热管的热阻均逐渐减小，这可能是因为加热功率的增加使得蒸发段多孔芯内的工质因蒸发而减少，并且逐渐向管壁方向移动，径向传热路径变短，导致热阻降低。当加热功率超过100W时，3种热管的热阻依旧呈下降趋势，因此水平条件下不同热管的传热极限功率均超过100W。

     在抗重力条件下(倾斜角度30°)，由不规则铜粉和纳米多孔铜粉烧结而成的单层芯B热管和单层芯A热管的热阻分别在加热功率为50W和85W时由下降趋势转变为增大，说明二者的传热极限功率分别为50，85W；传热极限功率相比于水平条件发生不同程度的降低，这是因为热管向反重力方向倾斜时，蒸发段的工质向冷凝段运动需要克服额外重力，因此热阻增大。在抗重力条件下，多尺度复合结构多孔芯热管的传热极限功率仍然超过100W。这是因为多尺度复合结构多孔芯热管蒸发段的小孔隙层可以产生很高的毛细力，绝热段和冷凝段的大孔隙则能提供较大的工质流动通道，促进工质从冷凝段回流至蒸发段，从而提升传热极限功率。

     在完全反重力的条件下(倾斜角度90°)，由于蒸发段工质向冷凝段运动时受到更高重力的作用，两种单层均匀多孔芯热管的传热极限功率显著下降，单层芯A 热管和单层芯B热管分别降至23W和27W；多尺度复合多孔芯热管的传热极限功率仍高达90W。

     多尺度复合结构多孔芯热管的高传热能力归功于多孔芯的结构与其功能之间的适应性。从热管的轴向角度看，蒸发段的多尺度复合结构多孔芯含有小孔隙层，保证了较高的毛细力来驱动工质循环；绝热段和冷凝段具有较大的孔隙，为工质流动提供了更大的通道，工质流动阻力减小，渗透率提高，从而增强了液体补偿能力，使得热管具有更强的耐干涸性。从热管的径向角度来看，蒸发段多尺度复合结构多孔芯的径向为具有不同孔径的两层孔结构，且孔径减小的方向与热管受热运行时多孔芯内工质的下降方向一致。随着热负荷的增加，更多工质下降进入孔隙更小的纳米多孔铜粉小孔隙层，从而获得更大的毛细力。综上所述，多尺度复合结构多孔芯热管的蒸发段提供了较大的毛细力，促进热管倾斜时蒸发段的工质向冷凝段的运输，同时绝热段和冷凝段提供了低阻力的流动通道，保证了冷凝段内的工质回流至蒸发段。

3 结 论 ✦

     (1) 根据多孔芯热管不同部位的功能差异，设计并制备了一种多尺度复合结构多孔芯热管。该多尺度复合结构多孔芯热管蒸发段的多孔芯为两层孔隙结构，管壁侧为由纳米多孔铜粉烧结而成的小孔隙层，可以提供较高的毛细力，工质腔侧为由不规则铜粉烧结而成的大孔隙层；绝热段和冷凝段多孔芯均为由不规则铜粉烧结而成的单层大孔隙层，可以提供较大的工质流动通道，减小工质的流动阻力，提高渗透性。

     (2) 多尺度复合结构多孔芯热管在水平条件下的传热极限功率超过100W；与单层均匀多孔芯热管相比，多尺度复合结构多孔芯热管表现出了更高的抗重力传热能力，在完全抗重力条件下(倾斜角度为90°)的传热极限功率高达90W，比由纳米多孔铜粉和不规则铜粉烧结而成的单层均匀多孔芯热管分别提升了2.9倍和2.3倍。

引用本文：

蒋雪微，连利仙，唐海，等.多尺度复合结构多孔芯热管的制备及其传热特性[J].机械工程材料，2022，46（7）：32-37.