来源 | International Communications in Heat and Mass Transfer

链接 | https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2025.109848

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背景介绍

随着高功率电子设备与先进能源系统的快速发展，功耗激增与散热空间缩减给热管理技术带来严峻挑战。电子设备的可靠运行与其工作温度密切相关，温度每升高 10℃，故障率可能翻倍，因此高效热管理技术已成为电子设计的核心要素，对保障设备长期稳定运行至关重要。现有散热技术中，主动冷却依赖外部电源，适配性与传热效率有限；传统被动冷却技术难以满足高功率场景需求。蒸汽腔作为二维平面散热器件，应用范围更广，但大面积、轻量化、高性能铝均热板（LAVC）的制造仍面临难题 —— 铝合金表面致密氧化层阻碍复合吸液芯制备与壳体密封，现有技术在多尺度铝吸液芯制备和大面积密封上存在局限。

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成果掠影

近日，华南理工大学杨舒团队采用烧结和钎焊工艺制造了一种具有成本效益的铝均热板（604 mm × 298 mm）。其多层金属网芯体形成多尺度孔隙结构以降低热阻，钎焊层形成均匀枝晶结构保障密封可靠性；系统研究填充率（80%、100%、120%）与重力取向（横向 0°、垂直 90°）对热性能的影响，结果显示：横向取向时热性能随填充率升高稳步提升，120% 填充率下极限功率达 280W；垂直取向（重力辅助）下，100% 填充率性能最优，极限功率达560W（为传统铝板材的 7 倍）、最小热阻0.061 K/W、有效导热系数13410.4 W/(m·K) ；红外成像验证 LAVC 具备快速热扩散、优异温度均匀性及热点抑制能力，证明其在复杂热管理场景中可实现高功率承载与稳定运行。研究成果“Thermal management of high-power systems via aluminum vapor chambers: fabrication and characterization ”为题发表在《International Communications in Heat and Mass Transfer》。

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图文导读

图1.LAVC的组成和工作原理图。（a） 分解图;（b） 工作原理图;（c）接近饱和状态的交替循环传热机理。

图2.所提出的LAVC的制备工艺主要包括壳体加工、固态烧结、钎焊和真空填充四个步骤。

图3.传热测试系统：（a）测试系统布局：测试系统主要包括样品台、加热和冷却模块、数据采集和记录模块;（b） LAVC传热试验平台示范;（c）热电偶位置和测试方向：热电偶共有17个测温点，包括热源和LAVC表面，测试方向为水平方向和垂直方向。

图4.烧结多层网芯微孔结构表征：（a）烧结铝合金网芯SEM图像显示，形成多尺度多层网状液道，网层间孔隙结构分布均匀，铝纤维表面形成细小氧化层微观组织;（b）网芯表面瞬态润湿行为：在纤维表面张力和孔隙毛细管压力的驱动下，液体接触芯表面后迅速膨胀渗透。

图5.钎焊和烧结的界面形貌：（a）烧结多层金属丝网灯芯的截面上可观察到不同尺寸的多孔结构，金属丝网层与基体之间存在金属间键，有利于降低传热阻力;（b）钎焊层的金相组织可观察到均匀的枝晶组织，表明复合板钎焊具有可靠的焊接质量;（c）焊接层的EDS图像显示，熔化凝固后的钎焊料中的大部分元素是铝。

图6.LAVC的填充速率和气液路径示意图：（a）80%、100%和120%填充率下灯芯中工作流体的分布状态;（b）在毛细管压力和重力横向和垂直方向共同作用下LAVC工作腔内的气液输送路径。

图7.不同工况和填充率下LAVC的瞬态热响应特性：（a-c）在横向测试时，在液体填充率的80%、100%和120%时，LAVC的表面热响应特性分别在液体填充率的80%、100%和120%下增加;（d-f）在垂直方向测试时，LAVC的表面热响应特性分别在液体填充率的80%、100%和120%时加热功率增加。

图8.LAVC和铝合金板的热性能测试和分析：（a）红外相机温度测量装置;（b）6061铝合金板的瞬态热响应性能;（c）LAVC与6061铝合金板的极限功率比较。

图9.不同测试条件和液体填充速率下 LAVC 的热表征：（a） 横向热阻;（b） 横向的有效导热系数;（c） 垂直方向的热阻;（d） 垂直方向的有效导热系数。

图10.自然对流下LAVC和铝板试样散热效率的红外图像：（a）不同加热功率下LAVC和铝合金表面温度的红外图像;（b）和（c）铝板和LAVC中轴上的温度数据，用于自然对流散热;（d）不同热功率下LAVC和铝合金热源区的平均温度及其抗热性能。