來源：International Communications in Heat and Mass Transfer

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

01 背景介紹

隨著 5G 通信技術(shù)、大尺寸顯示屏及大容量電池在柔性電子設(shè)備中的快速應(yīng)用與商業(yè)化落地，設(shè)備對熱管理系統(tǒng)的需求日益迫切，不僅要求系統(tǒng)具備高效的傳熱性能，還需滿足設(shè)備柔性折疊的使用場景。然而，柔性電子設(shè)備的散熱面臨雙重瓶頸：一方面，設(shè)備尺寸小型化與應(yīng)用場景的限制，導(dǎo)致散熱空間極為有限，可選擇的冷卻方式也受到極大制約；另一方面，電子器件集成化、封裝緊湊化的發(fā)展趨勢，進(jìn)一步加劇了設(shè)備內(nèi)部熱量積聚與溫度分布不均的問題，嚴(yán)重影響器件運(yùn)行穩(wěn)定性與壽命。

在此背景下，超薄熱管（UTHP）憑借其優(yōu)異的傳熱潛力成為研究熱點(diǎn)。目前，UTHP 的殼體材料多采用銅、鋁、不銹鋼等金屬，依托金屬材料本身的高導(dǎo)熱性與相變傳熱的高效性，其導(dǎo)熱率通常可超過10000 W/(mK)。但金屬材料的延展性有限，在大角度反復(fù)彎曲過程中，不僅彎曲循環(huán)次數(shù)受限，內(nèi)部通道還易發(fā)生變形，導(dǎo)致工作流體局部流動阻力增大，最終造成熱管傳熱性能顯著下降，難以適配柔性電子設(shè)備的長期使用需求。

為解決金屬基UTHP的柔性不足問題，研究人員嘗試采用聚合物材料制備柔性熱管（FHP）。聚合物雖具備高柔性優(yōu)勢，但其自身極低的導(dǎo)熱性導(dǎo)致聚合物基 FHP 的傳熱性能遠(yuǎn)低于金屬基熱管，遠(yuǎn)無法滿足柔性設(shè)備的實(shí)際使用需求。此外，三段式熱管作為另一種柔性散熱方案，雖兼具一定柔性與高導(dǎo)熱性，但其典型結(jié)構(gòu)存在固有缺陷。同時，這類熱管在彎曲過程中仍會出現(xiàn)性能波動，且彎曲壽命較短，未能突破傳統(tǒng) FHP 的核心瓶頸。

當(dāng)前柔性熱管（FHP）普遍面臨兩大關(guān)鍵問題：一是彎曲過程中的性能波動，二是較短的彎曲壽命。彎曲時內(nèi)部通道的壓縮變形會增大局部流動阻力，而反復(fù)彎曲還會破壞殼體密封性，導(dǎo)致內(nèi)腔真空度下降，最終引發(fā)熱管失效；對于聚合物基 FHP 而言，非 condensable 氣體的滲透還會影響其長期可靠性，這些問題均嚴(yán)重威脅 FHP 在柔性電子設(shè)備熱管理中的應(yīng)用穩(wěn)定性。因此，開發(fā)一種兼具高效傳熱性能、優(yōu)異彎曲穩(wěn)定性與長壽命的柔性散熱器件，成為解決柔性電子設(shè)備散熱難題的關(guān)鍵方向。

02 成果掠影

近日，華南理工大學(xué)張仕偉教授團(tuán)隊(duì)針對傳統(tǒng)柔性熱管（FHP）在可折疊微電子設(shè)備散熱中存在的彎曲性能衰減、壽命短等問題，提出并研發(fā)了含新型鉸鏈結(jié)構(gòu)的鉸鏈?zhǔn)匠∪嵝詿峁埽℉UTFHP），通過理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合驗(yàn)證其性能優(yōu)勢。理論建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示HUTFHP最大有效導(dǎo)熱率達(dá) 2772.93 W/(mK)，約為銅的 7倍；與石墨烯紙相比，其溫差降低 69.76%，在 5W 功率負(fù)載下，加熱塊溫度（54.63℃）顯著低于銅板（137.40℃）、石墨烯紙（74.72℃）等對比樣品，散熱能力突出。彎曲角度 0-180°（模擬折疊屏使用場景）時，HUTFHP 有效導(dǎo)熱率波動僅 5.02%；經(jīng) 20000 次彎曲循環(huán)后，結(jié)構(gòu)無明顯損傷，導(dǎo)熱性能無顯著下降，遠(yuǎn)超現(xiàn)有FHP，且180° 彎曲時應(yīng)力（160.50 MPa）僅為無中空結(jié)構(gòu)樣品的 44.5%，機(jī)械可靠性高?；趥鳠崞胶馀c熱阻網(wǎng)絡(luò)建立的理論模型，計算得理論最大傳熱能力 7.97 W、理論導(dǎo)熱率約 3004.59 W/(mK)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（最大傳熱能力 6 W、最大實(shí)驗(yàn)導(dǎo)熱率 2772.93 W/(mK)）的相對誤差分別為 24.72%、7.71%，驗(yàn)證了理論模型的可靠性。HUTFHP 通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，徹底規(guī)避了傳統(tǒng) FHP 彎曲時的性能衰減問題，兼具高效傳熱、高彎曲穩(wěn)定性與長壽命，為可折疊微電子設(shè)備熱管理提供了新方案。未來可通過縮短鉸鏈長度、采用高導(dǎo)熱率殼體材料、將冷凝側(cè) UTHP 工作流體替換為低沸點(diǎn)流體等方式，進(jìn)一步提升其傳熱性能，推動在柔性電子設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用。研究成果以“Hinged ultrathin flexible heat pipe for high efficient heat dissipation of the foldable microelectronic devices”為題發(fā)表在《International Communications in Heat and Mass Transfer》期刊。

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