铜材料复合表面改性，增强均热板/热管性能！研究成果：授权奇鋐/超众，获东元奖！

热管能够在远距离以极小温差快速传递热量，其结构简单，无需任何外部泵送功率，是一种高效便捷的热管理解决方案。

超薄热管（Ultra-Thin Heat Pipe）,一般指厚度低于2mm，具有轻薄高效的特性被大量应用于包括笔记本电脑、智能手机等电子设备上。由于厚度小，加之电子设备制造商不断追求超薄厚度，超薄均温片/热管的吸液芯结构（wick structures）从传统的烧结铜粉转向了烧结铜丝编织网。

内置在超薄均温片/热管中的铜丝编织网的毛细力与表面沸腾特性是支配热传性能的关键因素。目前，超薄均温片/热管制造商普遍关注烧结、封口等制程对良品率及成本的影响，而往往忽略了对铜丝编织网吸液芯结构的深入研究。

对于智能手机等超薄均温片/热管用例来说，手机制造商普遍希望在压缩器件本体尺寸，在极度紧凑化的几何形状上，提升均温片/热管的解热能力。这意味着对毛细结构吸液芯的性能寄托了更高的要求。

2020年11月21日，在「第二十七届东元奖」颁奖典礼及「第二十七届东元奖颁奖典礼大会手册」上得知，长期致力于热传与流力现象的研究及产品化推进的台湾大学机械系终身特聘教授 陈炳辉博士，凭借包括表面改质用于超薄均温片或热管的技术及在帮助台湾第一家获得 TFDA 新冠肺炎疫情专案通过 (EUA) 的核酸检测机台制造许可中的卓越贡献，获得机械/能源/环境科技领域第二十七届东元奖。

图1：「第二十七届东元奖」颁奖典礼现场画面 

颁奖典礼大会手册资料介绍，“在表面改质用于超薄均温片或热管的技术，则授权给奇鋐与超众两家公司，这两家公司在超薄均温片与热管的产值稳居全世界前三名”

回溯至10年前，陈教授在金属表面改质与沸腾热传领域的研究成果于2012年发表在《国际传热传质》期刊上，论文题为《Surface wettability effects on critical heat flux of boiling heat transfer using nanoparticle coatings》。文章通讯作者陈炳辉等研究者将纳米二氧化硅颗粒涂层用于改变铜表面的形貌和化学性质，将铜表面的润湿性从超亲水性改变为超疏水性。研究结果显示，在单一且等向(isotropic)润湿性的表面，亲水性及超亲水性表面的蒸发热传效果明显好于疏水性表面。

这项研究还探讨了表面水接触角对沸腾热传性能的影响，并提出一修正经验公式，用于预测临界热通量(Critical Heat Flux)与水接触角的关系，是世界首篇论文发现若将表面进行亲/疏水性交错式改质，无论将未改质表面的相临表面改质为较亲水或较疏水性表面，皆可得到较单一润湿性表面的高的临界热通量。

图2：铜表面改质的沸腾传热研究发表于2012年《国际传热传质》

2017年，IOP出版社IOP会议系列：材料科学与工程（IOP Conference Series: Materials Science and Engineering）刊文《A hybrid surface modification method on copper wire braids for enhancing thermal performance of ultra-thin heat pipes》介绍了陈炳辉教授团队的最新研究成果，他们将超薄热管芯铜丝编织网进行复合表面改性，提升编织物的水上升速度和净水含量，增强超薄热管热传能力。

研究团队将经碱性溶液化学氧化后的铜丝编织网，浸入混合了直径为40 nm的二氧化硅颗粒的溶胶-凝胶溶液中进行复合表面改性。以3cm/min和10cm/min的浸涂速度，比较了仅化学氧化和仅浸涂二氧化硅纳米颗粒的铜丝编织物的毛细力特性。

图3：在各种表面处理下测得的铜丝编织物的重量变化

研究表明，采用复合表面改性技术的铜丝编织物在改善超薄热管中吸液芯结构性能上是可行性。通过引入复合表面改性方法以制备复合表面结构，经SEM观测，两种方法处理后的复合表面具有两种截然不同的表面性质。氧化法处理铜丝上的薄片状的CuO结构可能具有较高的表面孔隙率，而二氧化硅纳米颗粒覆盖的区域保持了超亲水的表面特性。

图4：在各种表面处理下，铜丝编织物的润湿高度随时间的流逝而改变。

每种方法的浸涂速度标明在括号内

图3表明，经过复合改性处理的铜丝编织物的水上升速度比氧化铜丝编织物高，而净水量也比仅浸涂的编织物高。这充分说明，对铜丝编织物进行复合表面改性的方法，可以为内部具有铜丝编织状吸液芯结构的超薄热管带来更好的散热性。

「东元奖」于一九九三年由东元集团发起设立，是一个见证台湾科技从起步到高度发展的奖项。「东元奖」秉承「培育科技人才，提倡前瞻思想，促进社会进步」为宗旨，希望通过奖励对台湾科技研发有特殊贡献的人士，唤起社会各界重视科技创新，促进人文生活的调适，以建构「科文共裕」的进步社会为愿景。

第二十七届「东元奖」青睐热传领域，是对台湾产业/科研界在热传领域长期耕耘而获得的深厚成果的充分肯定，亦激励后继者在热传技术上厚积薄发，为社会提供创新高效的热管理解决方案。

参考来源：

1.「第二十七届东元奖颁奖典礼大会手册」

2.W K Sheng et al 2017 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 175 012023

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