摘要

柔性电子的快速发展对热管理技术提出了前所未有的挑战。作为解决柔性电子设备散热问题的关键技术，柔性热管因其优异的导热性能和机械柔韧性而受到广泛关注。本文系统阐述了柔性热管的工作原理、结构设计、材料选择、制造工艺及其在柔性电子热管理中的应用。首先分析了柔性电子的热管理需求与传统散热技术的局限性，进而详细介绍了柔性热管的毛细驱动两相传热机理，重点讨论了吸液芯结构、管壳材料和工质的选择与优化。在此基础上，深入探讨了金属基、聚合物基和复合结构三类柔性热管的设计理念与性能特征，分析了折弯、扭转、拉伸等机械变形对热管热性能的影响规律。文章进一步综述了柔性热管的主要制造技术，包括金属封装的波纹管结构、聚合物封装的微通道热压成型以及新型3D打印工艺。针对实际应用需求，系统评估了柔性热管在不同变形条件下的热输运能力、启动特性、均温性能及长期可靠性。最后，结合可穿戴设备、柔性显示、软体机器人等典型应用场景，展望了柔性热管面临的挑战与发展趋势，包括高性能吸液芯的柔性化设计、多物理场耦合仿真方法的建立、集成化热管理方案的开发等方向。本文旨在为柔性电子热管理领域的研究人员和工程师提供系统的技术参考，推动柔性热管技术的进一步发展与应用。

关键词：柔性热管；柔性电子；热管理；两相传热；毛细驱动；可变形散热

第一章 绪论

1.1 柔性电子发展的热管理挑战

柔性电子技术作为21世纪最具革命性的前沿领域之一，正在深刻改变人类与电子设备交互的方式。从可折叠智能手机、曲面显示器，到电子皮肤、可穿戴医疗设备，再到软体机器人和智能纺织品，柔性电子产品已渗透到消费电子、生物医疗、航空航天和军事国防等众多领域。据市场研究机构预测，全球柔性电子市场规模将从2020年的数百亿美元增长至2030年的数千亿美元，年复合增长率超过20%。

然而，随着柔性电子器件集成度的持续提升和功能复杂性的不断增加，热管理问题日益成为制约其发展的关键技术瓶颈。与传统的刚性电子设备相比，柔性电子产品面临更为严峻的热管理挑战，主要体现在以下几个方面：

高功率密度与有限散热空间：柔性电子器件通常采用轻薄化设计，厚度往往在微米至毫米量级，导致单位体积内的热流密度急剧增加。例如，柔性微处理器和柔性电源管理芯片的局部热流密度可超过100 W/cm²，远超传统自然对流散热的极限能力。与此同时，柔性封装结构的低热容特性使得温度波动更加剧烈，对热管理系统的响应速度提出了更高要求。

机械柔性与热输运的矛盾需求：柔性电子设备在使用过程中不可避免地会发生折弯、扭转、拉伸等机械变形，这就要求集成其中的热管理组件也必须具备相应的柔性和可变形能力。然而，传统的高性能导热材料（如铜、铝、石墨）在反复变形条件下容易发生疲劳失效、导热性能退化等问题。如何在保持优异热输运能力的同时实现机械柔性，成为柔性热管理技术的核心科学问题。

界面热阻与接触热阻的复杂变化：柔性电子系统通常由多层异质材料堆叠而成，各层之间的界面热阻占总热阻的比重显著增大。在动态变形条件下，不同材料层之间的接触状态会发生变化，导致接触热阻呈现非线性、时变特性。这种复杂性使得精确的热设计和热管理变得异常困难。

多功能集成的空间竞争：在柔性系统中，热管理组件往往需要与电源、信号传输、传感、驱动等功能模块共享有限的空间资源。如何在保证热管理性能的前提下实现与其他功能模块的协同集成，是系统级设计必须考虑的问题。

动态热负荷与环境适应性：柔性可穿戴设备在使用过程中面临复杂多变的环境条件（如人体运动产生的动态热负荷、环境温度变化、汗液蒸发冷却等），要求热管理系统具备自适应调节能力。传统被动式散热方案难以满足这种动态热管理需求。

1.2 传统散热技术在柔性电子中的局限性

在传统刚性电子设备中，已经发展出多种成熟的散热技术，包括自然对流散热、强制风冷、液冷板、热管、均温板、热电制冷等。然而，这些技术在直接应用于柔性电子时均表现出不同程度的局限性。

自然对流与强制风冷：自然对流散热依赖空气流动带走热量，其散热能力受限于空气的导热系数（约0.026 W/m·K）和对流换热系数（通常为5-25 W/m²·K）。对于柔性电子中常见的数十瓦每平方厘米的热流密度，单纯依靠自然对流散热远远不够。强制风冷虽然可以提高散热能力，但风扇等主动部件体积较大、存在噪声、能耗较高，且机械可靠性难以满足柔性设备的反复变形要求。

导热垫片与导热凝胶：这类界面导热材料虽然具有一定的柔性和可压缩性，能够适应一定的变形和公差，但其等效导热系数通常限制在3-10 W/m·K范围内，难以满足高功率柔性器件的散热需求。此外，在反复压缩-回弹循环中，这类材料容易出现泵出、干涸等可靠性问题。

石墨散热膜：人工石墨膜和石墨烯膜因其面内导热系数高（可达1000-1500 W/m·K）、厚度薄、柔性好等优点，已成为当前柔性电子散热的主流方案之一。然而，石墨膜在厚度方向的导热系数很低（通常小于15 W/m·K），导致热点与散热器之间的纵向热阻较大。更为关键的是，石墨膜的导热性能具有显著的各向异性，在折痕处容易发生结构损伤导致导热性能急剧退化。对于需要反复弯折的应用场景，石墨膜的长期可靠性存在隐忧。

微通道液冷：微通道液冷技术通过在基板内加工微米尺度的通道并强制循环冷却液，可以获得很高的散热能力（热流密度可达数百W/cm²）。然而，传统的微通道冷却系统需要配备泵、储液器等辅助设备，系统复杂度和体积均较大。虽然近年来出现了柔性微通道冷却的概念，但柔性泵阀技术尚不成熟，且冷却液泄漏风险在柔性系统中被放大。

传统热管与均温板：刚性热管和均温板利用工质相变传热，等效导热系数可达数千至数万W/m·K，是解决高热流密度散热问题的有效手段。然而，传统热管通常采用铜管壳和烧结铜粉吸液芯，整体呈现刚性特征，弯曲半径大、折弯角度受限，无法适应柔性电子的可变形需求。即使经过折弯成型的异形热管，也只能在固定形状下工作，不具备动态柔性。

综上所述，现有散热技术在直接应用于柔性电子时，要么散热能力不足，要么无法满足机械柔性要求，要么在动态变形条件下性能退化严重。因此，发展兼具高导热性能和优异机械柔性的新型热管理技术势在必行。柔性热管正是在这一背景下应运而生的关键技术。

1.3 柔性热管的研究意义与发展概况

柔性热管是一种在保持传统热管高效相变传热特性的同时，能够承受一定程度的机械变形（折弯、扭转、拉伸等）的新型热管理器件。它通过巧妙的结构设计和材料选择，将两相流动与相变传热机理与柔性结构相结合，为解决柔性电子的散热难题提供了全新的技术路径。

从基础研究的角度看，柔性热管涉及传热学、流体力学、材料科学、微纳制造等多个学科的交叉融合。其核心科学问题包括：柔性变形条件下毛细驱动两相流动的稳定性与传热强化机制；柔性微结构吸液芯的制备方法与输运特性；柔性封装材料的阻隔性能与长期可靠性；以及力-热-流多物理场耦合下的器件行为预测。对这些问题的深入研究，不仅有助于推动柔性热管技术的发展，也将丰富两相流传热学在非经典边界条件下的理论体系。

从工程应用的角度看，柔性热管具有不可替代的技术价值。首先，它可以实现热点与冷端之间的高效热传递，将局部高温点的热量迅速输运至更大的散热面积上，有效降低器件工作温度。其次，柔性热管具有良好的均温性能，可以消除柔性电子系统中的温度不均匀性，这对于温度敏感型器件（如柔性传感器、OLED显示器）的稳定运行至关重要。再者，柔性热管的无运动部件、无噪声、免维护等特点，使其特别适合于可穿戴设备和便携式电子产品。最后，通过合理的结构设计，柔性热管可以与柔性电路、柔性电池等功能模块实现一体化集成，为系统级热管理提供更灵活的解决方案。

柔性热管的研究可追溯至20世纪90年代，当时研究者开始尝试采用聚合物材料替代金属管壳制备柔性热管。然而受限于聚合物材料的低导热系数和高透气性，早期聚合物热管的传热性能远低于预期。进入21世纪后，随着微纳加工技术的进步和新型材料的涌现，柔性热管研究迎来了快速发展期。研究者开发出多种创新结构，包括金属波纹管式柔性热管、聚合物微通道热管、液态金属芯吸结构、以及基于3D打印的复合结构热管等。与此同时，对柔性热管在弯曲、扭转、拉伸等变形条件下的热性能表征方法也逐渐规范化，相关理论模型不断完善。

近年来，随着柔性电子产业的蓬勃发展，柔性热管的研究正从实验室探索阶段向工程化应用阶段过渡。一方面，学术界持续探索更高性能的柔性热管设计方案；另一方面，产业界开始关注柔性热管的可制造性、成本控制和可靠性验证。可以预见，在未来五到十年内，柔性热管有望成为柔性电子热管理的标准解决方案之一。

1.4 本文的主要内容和结构安排

本文旨在对柔性热管技术进行系统、全面的综述，涵盖其工作原理、结构设计、材料选择、制造工艺、性能表征及应用前景等各个方面。全文共分为八章，各章主要内容安排如下：

第一章为绪论，阐述柔性电子发展对热管理技术的需求背景，分析传统散热技术的局限性，明确柔性热管的研究意义，并概述全文结构。

第二章介绍热管的基本工作原理与柔性化设计思路，包括毛细驱动两相传热的理论基础、传统热管的结构与性能特征，以及从刚性向柔性转变的设计策略。

第三章详细讨论柔性热管的关键材料与工质选择，包括管壳材料的力学与阻隔性能要求、吸液芯微结构的设计准则与制备方法、以及工质的物性匹配与相容性问题。

第四章系统分类介绍柔性热管的结构设计，包括金属波纹管式、聚合物封装式、复合结构柔性热管以及新型液态金属芯吸结构，分析各类结构的优缺点与适用场景。

第五章阐述柔性热管的制造工艺，涵盖吸液芯制备技术、管壳成型与封装方法、以及3D打印等新兴制造技术在柔性热管中的应用。

第六章分析柔性热管在变形条件下的热性能，包括弯曲、扭转、拉伸等单一变形模式下的热输运特性，以及循环变形对性能退化的影响规律。

第七章探讨柔性热管在典型柔性电子系统中的应用，包括可穿戴设备、柔性显示、软体机器人、柔性电池热管理等具体场景。

第八章总结全文，分析柔性热管技术面临的挑战与未来发展趋势，为后续研究提供方向性建议。

第二章 柔性热管的工作原理与设计基础

2.1 热管的基本工作原理

2.1.1 两相传热与毛细驱动机制

热管是一种利用工质蒸发-冷凝相变循环实现高效热量传递的被动式传热装置。其工作原理可以概括为“蒸发吸热、冷凝放热、毛细回流”的闭环循环过程。这一机制使得热管能够在很小的温差下传输极大的热流，等效导热系数可达到铜、铝等良导体的数百甚至数千倍。

具体而言，热管工作时包含以下几个基本过程：当热量施加于热管的蒸发段时，该区域的工质吸收潜热发生汽化，产生饱和蒸汽。蒸汽在压差驱动下沿着管腔流向温度较低、压力较小的冷凝段。在冷凝段，蒸汽与冷壁面接触后释放潜热凝结为液体。冷凝后的液体在毛细力的作用下，通过吸液芯结构从冷凝段回流至蒸发段，从而完成一个完整的热力学循环。只要蒸发段持续供热、冷凝段持续冷却，这一循环就能自发维持，实现热量的连续传输。

这一循环的驱动力来源于两个方面：其一是蒸汽流动的压差，其二是吸液芯提供的毛细抽吸力。毛细力是热管能够抵抗重力工作（甚至能够在逆重力条件下运行）的关键所在。根据Young-Laplace方程，吸液芯结构中弯曲液面所产生的毛细压差ΔP_c与有效毛细半径r_e成反比：

ΔP_c = 2σ cosθ / r_e

其中σ为工质的表面张力系数，θ为接触角，r_e为吸液芯的有效毛细半径。该式表明，更小的毛细半径可以产生更大的毛细驱动力。然而，过小的孔径同时会增加液体流动阻力，因此吸液芯的设计需要在毛细力与渗透率之间取得平衡。

热管正常工作需要满足毛细极限条件，即吸液芯产生的最大毛细压差必须能够克服循环过程中所有的压力损失，包括蒸汽流动压降ΔP_v、液体流动压降ΔP_l以及重力压头ΔP_g（如果存在）：

ΔP_c,max ≥ ΔP_v + ΔP_l + ΔP_g

当实际热负荷超过某一临界值时，吸液芯将无法提供足够的毛细力来维持液体回流，蒸发段出现“干涸”现象，热管的传热能力急剧下降。这一临界热负荷被称为毛细极限，是热管最重要的性能指标之一。

2.1.2 传统热管的结构与性能特征

传统热管通常由管壳、吸液芯和工质三部分组成，采用金属（以铜最为常见）作为管壳材料。根据使用温度范围的不同，工质可选用水、氨、丙酮、甲醇等。吸液芯结构则有多种形式，包括丝网芯、烧结粉末芯、沟槽芯以及复合结构芯等。

传统刚性热管的典型性能参数如下：工作温度范围通常为-50℃至300℃（取决于工质）；传热能力从几瓦到数千瓦不等；有效导热系数可达5000-100000 W/m·K；启动时间从数秒到数分钟；使用寿命可达数万甚至数十万小时。

刚性热管在电子散热领域已有广泛应用，如CPU散热器、笔记本电脑热模块、服务器液冷系统等。然而，其刚性特征限制了在柔性电子产品中的直接应用。首先，传统热管的铜管壳虽然可以弯曲成形，但一旦成型后就固定为特定形状，无法在使用过程中动态变形。其次，反复弯曲会导致管壁疲劳开裂和吸液芯结构损伤，严重缩短使用寿命。此外，传统热管的最小弯曲半径通常大于管径的3-5倍，难以适应小曲率半径的折叠需求。

2.2 柔性热管的设计理念与实现路径2.2.1 柔性化的核心设计思想

柔性热管的设计核心是在不牺牲两相传热效率的前提下，赋予热管承受机械变形的能力。这需要从管壳材料、吸液芯结构、封装方式等多个层面进行创新设计。总体而言，柔性热管的设计遵循以下核心思想：

弹性变形优先于塑性变形：传统金属热管的弯曲属于塑性变形，会导致永久形状改变和累积损伤。柔性热管则应设计为在正常工作范围内发生弹性变形，变形后可恢复原状，且循环变形不应造成性能退化。

变形协调与应力分散：柔性热管应通过合理的结构设计（如波纹管、螺旋结构、铰链连接等）将集中应力分散到整个结构上，避免局部应力过大导致失效。

功能层与结构层的分离与协同：将承担传热功能的吸液芯和工质与承担结构支撑功能的管壳适当分离，使得管壳的柔性化改造不影响吸液芯的完整性，或者设计吸液芯本身具有柔性特征。

材料本征柔性与结构柔性的结合：一方面可以采用本征柔性的聚合物材料替代金属管壳，另一方面即使采用金属材料，也可以通过结构设计（如波纹、编织、弹簧状）赋予其宏观柔性。

2.2.2 柔性化实现的主要技术路径

根据实现柔性的技术路径不同，现有的柔性热管可以分为以下三大类：

结构柔性型：这类热管仍采用金属管壳，但通过特殊的结构设计赋予其柔性。最具代表性的是波纹管式柔性热管，其管壁加工有环形或螺旋形波纹，类似于金属软管的结构。波纹的存在使得管体可以在轴向拉伸、压缩和弯曲方向上产生弹性变形，同时保持良好的密封性。这类热管的优点是继承了金属材料的高强度、低渗透率和良好的导热性能，缺点是波纹结构增大了流阻，且制造工艺相对复杂。

材料柔性型：这类热管采用聚合物材料（如聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、液晶聚合物等）作为管壳和/或吸液芯的基体材料。聚合物材料的弹性模量通常比金属低2-3个数量级，本征上具有良好的柔韧性。此外，聚合物加工性好，可以通过注塑、热压、激光加工等方法制备复杂的微通道结构。然而，聚合物材料普遍存在透气性较高的问题——氧气和水蒸气可以通过聚合物分子间隙渗透进入管腔，导致真空度下降和不凝性气体积累，严重影响长期可靠性。因此，聚合物热管通常需要复合高阻隔层（如金属薄膜、氧化物涂层）来改善密封性能。

复合结构型：结合上述两种路径的优点，复合结构柔性热管采用“刚柔并济”的设计思路。例如，在刚性蒸发段和冷凝段之间连接柔性波纹管段；或者采用金属-聚合物多层复合管壁；又或者在柔性聚合物基板上嵌入金属微结构作为吸液芯。这类设计试图在热性能、机械性能和可靠性之间找到最优平衡。

2.3 柔性热管的性能评价体系2.3.1 热性能评价指标

柔性热管的热性能评价需要采用与传统热管相似但又有特殊考虑的指标体系。主要包括：

等效导热系数：这是衡量热管传热效率最直观的指标。对于长度为L、截面积为A的热管，当蒸发段和冷凝段的温差为ΔT时，传输的热量Q与等效导热系数k_eff的关系为：

k_eff = (Q · L) / (A · ΔT)

需要注意的是，对于柔性热管，由于管截面可能不是均匀的（如波纹管），A的取值需要谨慎定义，通常采用名义截面积（最大外径对应的面积）或内腔截面积。

最大传热能力：指热管在毛细极限、沸腾极限、携带极限等约束条件下能够传输的最大热负荷。对于柔性热管，最大传热能力通常与变形状态密切相关，需要在不同变形条件下分别测试。

热阻：定义为蒸发段与冷凝段之间的温差与传输热量的比值，即R = ΔT/Q。热阻是一个更加工程化的指标，直接反映了热管的冷却效果。柔性热管的总热阻通常包括蒸发段热阻、蒸汽输运热阻、冷凝段热阻以及管壁导热热阻等分量。

启动特性：指热管从冷态开始工作达到稳态所需的时间，以及启动过程中的温度过冲现象。对于聚合物柔性热管，由于管壁热容较小，启动通常较快；但聚合物与工质的润湿性可能较差，启动时可能存在迟滞现象。

均温性能：评价热管使温度分布均匀化的能力，通常用蒸发段与冷凝段的温差、或者整个热管表面温度的标准差来衡量。良好的均温性能是热管区别于普通热导体的重要特征。

2.3.2 机械性能评价指标

柔性热管的机械性能评价需要根据目标应用场景的变形模式来设计测试方法。主要指标包括：

最小弯曲半径：热管能够承受而不发生性能显著退化（如传热能力下降不超过20%）或结构破坏的最小弯曲半径，通常用弯曲半径与管径的比值表示。先进柔性热管的最小弯曲半径可达到管径的1-2倍，甚至可以实现对折。

弯曲刚度：表征热管抵抗弯曲变形的能力，对于需要嵌入可穿戴设备的热管而言，过高的弯曲刚度会影响佩戴舒适性。弯曲刚度可以通过三点弯曲或悬臂弯曲试验测定。

循环寿命：在规定的变形模式（如反复弯曲90°、扭转±180°等）和循环次数下，热管保持其热性能的能力。通常要求经过数万次甚至数十万次循环后，最大传热能力下降不超过初始值的20%。

拉伸性能：对于需要承受轴向拉伸的应用（如可拉伸电子），还需评价热管的拉伸率和拉伸循环下的性能稳定性。可拉伸柔性热管通常采用螺旋或蛇形结构设计。

抗泄漏能力：柔性热管在变形条件下必须保持气密性，防止工质泄漏和不凝性气体侵入。通常采用氦质谱检漏或压力衰减法测试泄漏率，要求泄漏率低于10^-6 Pa·m³/s量级。

2.3.3 可靠性评价与寿命预测

柔性热管的可靠性是决定其能否实际应用的关键。与传统刚性热管相比，柔性热管面临更多的失效模式：

工质泄漏：反复变形会导致管壳材料疲劳，尤其在焊缝、波纹根部等应力集中区域容易产生微裂纹，造成工质缓慢泄漏。泄漏率的累积效应会导致管内工质不足，最终使热管失效。

不凝性气体积累：对于聚合物封装的热管，即使宏观上没有泄漏，氧气和水蒸气也可能通过分子扩散进入管内，与工质反应生成不凝性气体。这些气体积聚在冷凝段，会逐步侵占有效冷凝面积，导致热性能缓慢退化。

吸液芯结构损伤：反复弯曲可能导致烧结粉末层开裂、丝网错位或沟槽变形，破坏毛细结构的完整性和连续性，增加液体回流阻力。

工质分解与材料腐蚀：高温运行条件下，工质可能与管壳或吸液芯材料发生化学反应，生成不凝性气体或腐蚀产物。柔性热管中可能采用异种材料连接，电化学腐蚀风险更高。

可靠性评价通常采用加速寿命试验的方法，即在高于正常使用温度的条件下进行长期运行测试，根据阿伦尼乌斯模型外推常温下的预期寿命。对于可穿戴设备应用，通常要求热管寿命达到3-5年；对于消费电子产品，要求达到5-10年。

第三章 柔性热管的关键材料与工质

3.1 管壳材料的选择与优化

管壳材料的选择直接影响柔性热管的机械性能、热性能、密封性能以及制造成本。理想的管壳材料应具备以下特性：良好的柔韧性和抗疲劳性能；足够低的渗透率以防止气体扩散；与工质和吸液芯材料的化学相容性；较高的导热系数以减小壁面温差；以及可加工性和成本可控性。

3.1.1 金属材料

金属材料因其优异的力学性能、极低的气体渗透率和良好的导热性能，仍然是柔性热管管壳的重要选择。然而，传统铜管的塑性变形特性限制了其柔性应用，需要通过结构创新或材料改性来实现柔性化。

铜及铜合金：铜是热管最常用的管壳材料，其导热系数高达约400 W/m·K，与水的相容性良好，且易于加工和焊接。对于柔性热管，通常采用磷脱氧铜或无氧铜，以避免氢脆问题。铜的弹性模量约为110 GPa，在弹性变形范围内允许的应变量有限。因此，铜基柔性热管必须依赖波纹管等结构设计来提供柔性，而非依靠材料本身的弹性。铜波纹管热管可以实现数万次的弯曲循环而不泄漏，但波纹的加工成本较高。

不锈钢：不锈钢的强度高于铜，抗疲劳性能更好，特别适用于需要频繁变形的场合。304和316不锈钢是常用牌号，其导热系数约为15 W/m·K，显著低于铜。这意味着不锈钢管壁会产生较大的温差，对热性能有一定负面影响。然而，在热管中主要的传热阻力在于蒸发和冷凝过程，壁面导热的影响相对较小，因此在很多应用中可以接受。不锈钢与大多数工质（除水外）相容性良好，特别适用于高温热管或特殊工质体系。

钛及钛合金：钛具有极高的比强度、优异的抗腐蚀性能和良好的生物相容性，适用于医疗可穿戴设备等特殊应用。钛的导热系数约为17 W/m·K，与不锈钢相近。然而，钛的成本较高，加工难度大（易氧化、焊接要求高），限制了其广泛应用。

金属波纹管的特殊考虑：金属波纹管式柔性热管的管壁厚度通常比普通热管更薄（0.1-0.3 mm），以降低弯曲刚度和减小应力。薄壁化设计对材料的抗疲劳性能和抗腐蚀性能提出了更高要求。此外，波纹管的几何参数（波距、波高、壁厚）需要经过优化设计，以平衡柔性、抗压强度和流阻三者之间的关系。

3.1.2 聚合物材料

聚合物材料因其本征柔韧性、低密度、易加工和低成本等优势，成为柔性热管管壳材料的重要发展方向。然而，聚合物的气体渗透率较高，是其面临的最大挑战。

聚酰亚胺：聚酰亚胺是目前应用最广泛的高性能聚合物薄膜材料之一，具有优异的热稳定性（长期使用温度可达250-300℃）、良好的力学性能和较低的介电常数。聚酰亚胺的弹性模量约为2-3 GPa，远低于金属，因此即使采用平直管壁结构也具有良好的柔韧性。此外，聚酰亚胺可以采用标准光刻和蚀刻工艺进行微加工，便于集成微通道吸液芯结构。然而，聚酰亚胺对水蒸气和氧气的渗透率相对较高（水蒸气透过率约1-10 g/m²/day），需要额外的阻隔层来满足长期密封要求。

聚二甲基硅氧烷：PDMS是一种硅橡胶材料，具有极高的柔顺性（弹性模量仅约1-10 MPa）、良好的透光性和生物相容性。PDMS热管特别适用于需要与人体皮肤紧密贴合的可穿戴设备。PDMS的加工非常方便，可以通过软光刻技术精确复制微结构。然而，PDMS的透气性非常高，且对多种有机溶剂有溶胀倾向，这限制了其工质选择（通常只能使用水或特定的惰性液体）。此外，PDMS的导热系数极低（约0.2 W/m·K），但这对于薄壁管壳影响不大。

液晶聚合物：液晶聚合物是一类高性能热塑性工程塑料，具有极低的吸水率、优异的气体阻隔性能和良好的尺寸稳定性。LCP的水蒸气透过率可比聚酰亚胺低1-2个数量级，是制备聚合物柔性热管的理想候选材料。LCP的弹性模量约为10-20 GPa，介于普通聚合物和金属之间。LCP的主要缺点是加工温度较高（熔融温度约280-350℃），且对剪切敏感，需要专用加工设备。

聚醚醚酮：PEEK是一种半结晶性高性能聚合物，具有优异的耐高温性能（长期使用温度可达250℃）、良好的耐化学腐蚀性能和较高的机械强度。PEEK的气体阻隔性能优于聚酰亚胺但逊于LCP。PEEK的弹性模量约为3-4 GPa。PEEK热管的成本较高，主要用于特殊高端应用。

多层复合薄膜：为解决单一聚合物材料难以兼顾柔性和阻隔性的矛盾，研究者开发了金属-聚合物多层复合薄膜作为管壳材料。典型的复合结构为“聚合物/金属/聚合物”三明治结构，其中中间的金属层（如铝箔、铜箔，厚度数微米至数十微米）提供气体阻隔功能，两侧的聚合物层提供柔韧性和电绝缘性。这种复合薄膜的综合性能优异，但其封装工艺（特别是金属层与聚合物层的结合以及端部密封）较为复杂。

3.1.3 柔性复合管壳

除了上述均质材料外，复合结构管壳也引起了广泛关注。例如，在聚合物基体内部嵌入纤维增强材料（如碳纤维、玻璃纤维）可以在保持柔性的同时提高管壳的抗压强度和尺寸稳定性。又如，在波纹管的内壁涂覆类金刚石薄膜或石墨烯涂层，可以改善壁面与工质的润湿性，增强沸腾传热。

3.2 吸液芯微结构的设计与制备

吸液芯是热管的核心功能部件，负责产生毛细驱动力并为液体回流提供通道。在柔性热管中，吸液芯还必须能够适应管壳的变形而不丧失其功能完整性。

3.2.1 吸液芯的功能要求与性能指标

吸液芯的性能可以通过以下关键指标来表征：

有效毛细半径：决定了最大毛细驱动力。对于给定的工质和接触角，毛细半径越小，毛细力越大。然而，过小的孔径会降低渗透率。

渗透率：表征液体在吸液芯中流动的难易程度，由Kozeny-Carman方程描述。高渗透率意味着低流动阻力，有利于提高毛细极限。

孔隙率：指孔隙体积占总体积的比例，通常在40-80%之间。高孔隙率有利于降低液体流动阻力，但可能牺牲毛细力和机械强度。

有效导热系数：影响蒸发和冷凝过程的效率。具有高导热系数的吸液芯可以更好地将热量从管壳传递到液-汽界面。

柔性适应性：对于柔性热管，吸液芯应能够在弯曲、拉伸等变形条件下保持连续的液体通路，不产生显著的开裂、剥离或阻塞。

3.2.2 金属基吸液芯

烧结粉末芯：将金属粉末（铜、镍、不锈钢等）通过烧结工艺在多孔模具或管壳内壁形成多孔层，是传统热管最常用的吸液芯结构。烧结粉末芯具有毛细力大、抗重力性能好的优点。对于柔性热管，研究者开发了分段烧结或柔性基体复合烧结的方法。分段烧结是指在波纹管的波峰和波谷区域分别控制烧结层的厚度，以适应不同区域的变形要求。柔性基体复合则是将金属粉末烧结在金属网或聚合物纤维骨架上，形成类似“钢筋混凝土”的复合结构，提高抗开裂能力。

丝网芯：由一层或多层金属丝网卷制或贴附在管壳内壁形成。丝网芯结构规整、性能可预测性好，且具有一定的柔韧性——当管壳弯曲时，丝网可以发生相对滑动来适应变形。然而，丝网与管壁之间的接触热阻较大，且长期弯曲后丝网可能产生永久性错位。为提高可靠性，可以将丝网与管壁进行点焊或烧结连接。

沟槽芯：在管壳内壁加工出轴向微沟槽，利用沟槽的尖角产生毛细力。沟槽芯的优点是流动阻力小、抗重力性能好，且与管壳一体，不存在接触热阻问题。对于柔性热管，可以在平直管壳内壁加工沟槽后再进行波纹成型，或者直接在波纹管内壁通过激光加工制备沟槽。沟槽芯的主要缺点是毛细力相对较小，不适合逆重力高度较大的场合。

复合芯：将上述两种或多种结构组合，取长补短。例如，在沟槽芯上覆盖一层细目数丝网（沟槽-丝网复合芯），或采用不同粒径粉末的分层烧结结构（细粉层提供毛细力、粗粉层提供低流阻通道）。复合芯的性能通常优于单一结构，但制造工艺更为复杂。

3.2.3 聚合物基吸液芯

随着聚合物微加工技术的发展，直接在聚合物管壳内壁制备微结构吸液芯成为可能。这类吸液芯与管壳材料相同或相容，不存在界面剥离问题，特别适合于全聚合物柔性热管。

微沟槽结构：通过热压、注塑或激光烧蚀等方法在聚合物薄膜或管材内壁加工出微米尺度的沟槽阵列。例如，在聚酰亚胺薄膜上利用紫外激光加工宽度50-200μm、深度50-100μm的微沟槽，沟槽间距100-300μm。这些微沟槽可以作为液体回流的通道，同时沟槽的尖角区域提供毛细力。研究表明，经过表面亲水化处理（如等离子体处理或涂覆亲水聚合物）的聚酰亚胺微沟槽，对水的毛细上升高度可达数十毫米。

微柱阵列：在聚合物表面制备周期性排列的微柱（直径和高度均在数十至数百微米），微柱之间的间隙形成毛细通道。这种结构类似于仿生“荷叶”的逆结构，通过调整微柱的间距、高度和表面润湿性可以调控毛细性能。微柱阵列可以采用光刻-刻蚀或微模塑技术制备。

纤维网络：将聚合物纳米纤维或微纤维（如静电纺丝制备的聚酰亚胺纳米纤维）沉积在管壳内壁，形成无纺布状的多孔结构。这种结构的孔隙率可以高达90%以上，渗透率极高，同时纳米纤维间的微纳孔隙提供强大的毛细力。然而，纤维网络的机械强度较低，需要与支撑层复合使用。

杂化结构：在聚合物基体中嵌入金属纳米颗粒、碳纳米管或石墨烯等导热填料，制备具有复合功能的吸液芯。这不仅可以提高吸液芯的有效导热系数，还可以通过调整填料的分布来获得梯度润湿性或各向异性毛细性能。

3.2.4 柔性吸液芯的变形适应性

吸液芯的柔性适应性是柔性热管设计的核心难点之一。理想情况下，吸液芯应能够与管壳协同变形，在弯曲时内侧压缩、外侧拉伸，而不会产生开裂或阻塞。

对于金属烧结芯，其本身是脆性多孔结构，拉伸应变能力极低（通常<1%）。因此，金属烧结芯只能应用于弯曲变形很小的场合，或者采用分段不连续的设计——在变形较大的区域不设置烧结芯，仅依靠沟槽或丝网提供毛细力。

丝网芯具有较好的变形适应性，因为丝网的经纬线之间可以相对滑动来吸收应变。研究表明，多层细目数丝网芯可以承受数十度的弯曲而不发生显著性能退化。然而，过度弯曲仍可能导致丝网起皱或与管壁脱离。

聚合物微沟槽芯的变形适应性与聚合物基体的力学性能密切相关。弹性模量较低的聚合物（如PDMS）可以承受较大的弯曲应变而沟槽结构不发生破坏。但过大的压缩应变可能导致沟槽侧壁塌陷，堵塞液体通道。合理的几何设计（如沟槽宽深比、侧壁倾角）可以缓解这一问题。

近年来，研究者提出了一种创新的“可重构吸液芯”概念——采用磁性或电响应智能材料制备吸液芯，通过外部场调控毛细结构和液体输运。虽然这一概念尚处于早期探索阶段，但为下一代自适应柔性热管的发展提供了新思路。

3.3 工质选择与相容性3.3.1 工质的热物理性质要求

工质的选择对热管的性能、工作温度范围和可靠性有着决定性影响。理想的工质应满足以下要求：

合适的饱和温度-压力关系：在工作温度范围内，工质的饱和蒸汽压应适中——既不能过低（否则蒸汽密度太小，限制传热能力），也不能过高（否则管壳需要承受高压，不利于柔性设计）。对于常温柔性热管（20-80℃），水的饱和压力在2.3-47.4 kPa之间，处于合理范围。

高汽化潜热：高潜热意味着单位质量工质可以吸收/释放更多的热量，有利于减小工质充装量和降低携带极限风险。水的潜热（约2257 kJ/kg）在所有常见工质中是最高的。

良好的热物理性质配合：包括高表面张力（提供大毛细力）、低粘度（减小液体流动阻力）、高导热系数（减小沸腾和冷凝热阻）以及适中的密度比（影响携带极限）。

与管壳和吸液芯材料的化学相容性：工质不应与热管内部材料发生化学反应，不产生不凝性气体，不造成腐蚀。

安全性与环境友好性：无毒、不易燃、无环境污染。水是最环保的选择，而部分有机工质（如某些氟利昂替代品）虽然热性能优良，但存在环境或安全问题。

3.3.2 常见工质及其适用温度范围

根据不同的工作温度区间，柔性热管常用的工质包括：

水：水是常温热管最常用的工质，适用温度范围为0-200℃。其优势包括极高的潜热、良好的热物性、低成本、无毒环保以及与铜、不锈钢等常见材料的相容性良好。水的主要缺点是：在低温下（<0℃）会结冰膨胀，可能损坏热管；在高温下（>150℃）饱和压力较高，对管壳强度要求高；与铝、钛等材料存在腐蚀问题。对于聚合物热管，水与聚酰亚胺、PDMS等材料的长期相容性需要仔细评估，因为水的渗透可能导致聚合物水解或界面脱粘。

丙酮：丙酮的适用温度范围为-20-120℃，在低温下性能优于水。丙酮的表面张力较低（约23.5 mN/m at 25℃），产生的毛细力小于水，但丙酮的粘度也更低。丙酮与大多数金属相容，但与某些聚合物可能发生溶胀。丙酮易燃，使用时需注意安全。

氨：氨的适用温度范围为-70-60℃，是低温热管的首选工质。氨具有很高的表面张力（约23.5 mN/m at 20℃）和适中的潜热，且粘度极低，因此毛细性能和流动性能都非常优异。然而，氨具有毒性和腐蚀性，与铜会发生反应（生成铜氨络合物），通常只能与不锈钢、铝等材料配合使用。氨在聚合物中的渗透率较高，不适用于聚合物封装热管。

乙醇和甲醇：醇类工质的适用温度范围介于丙酮和水之间（甲醇-40-100℃，乙醇-30-120℃）。它们的潜热低于水，但低温性能更好。醇类工质与多种材料相容性良好，且相对环保。然而，醇类具有可燃性，且长期使用中可能发生分解。

介电流体：对于需要与电子器件直接接触的应用场景，可以采用全氟化碳（如FC-72、FC-87）或氢氟醚（如HFE-7100）等介电、惰性工质。这类工质不导电、不燃、与大多数材料相容，但其潜热和表面张力远低于水，传热能力有限。此外，这类工质通常具有较高的全球增温潜势，环境友好性较差。

液态金属：对于高温（>300℃）或极高热流密度应用，可以采用液态金属如钠、钾、锂等作为工质。液态金属热管的工作温度高、传热能力极大，但显然不适合柔性电子应用。

3.3.3 工质-材料相容性分析

工质与管壳、吸液芯材料的相容性是决定热管寿命的关键因素。不相容可能导致以下问题：

不凝性气体产生：最常见的失效模式。工质或杂质与管壳材料发生化学反应，生成氢气、氧气、二氧化碳等不凝性气体。这些气体积聚在冷凝段，逐步降低有效冷凝面积，导致热性能缓慢退化。例如，水与不锈钢在高温下反应生成氢气；氨与铜反应生成氢气。解决措施包括：采用相容的材料组合（水-铜、氨-不锈钢）；进行严格的除气处理；添加消气剂（如钯）吸收氢气。

腐蚀与材料损耗：工质对管壳材料的化学或电化学腐蚀会导致管壁减薄、吸液芯结构破坏，严重时造成泄漏。例如，水对铝的腐蚀；碱金属对大多数金属的腐蚀。通过材料选择（如铝合金表面钝化处理）或工质配方优化（添加缓蚀剂）可以缓解腐蚀问题。

工质分解：某些有机工质在高温下可能发生热分解或催化分解，生成低沸点产物或不凝性气体。这要求工作温度严格控制在工质的热稳定极限以下。

聚合物溶胀与渗透：有机工质与聚合物管壳的相互作用更为复杂。某些工质（如丙酮）会导致PDMS显著溶胀，改变管腔尺寸和力学性能。即使不发生宏观溶胀，工质分子也可能通过聚合物基体的自由体积扩散渗透，造成工质损失和外部气体侵入。

在柔性热管设计中，材料选择必须遵循“相容性优先”的原则。对于水为工质的金属波纹管柔性热管，铜管壳+铜烧结芯是最可靠的选择。对于聚合物热管，通常采用去离子水作为工质，并选择与水相容性较好的聚酰亚胺、LCP等材料，同时在聚合物表面沉积亲水涂层以改善润湿性。

第四章 柔性热管的结构分类与设计

4.1 金属波纹管式柔性热管

金属波纹管式柔性热管是最早发展且技术最为成熟的柔性热管类型。它通过在金属薄壁管上加工出波纹结构，使原本刚性的管体获得轴向伸缩、弯曲和扭转的柔性。

4.1.1 波纹管结构设计

波纹管的几何参数是决定其柔性和力学性能的关键。主要参数包括：

波型：常见的波型有U型、V型、S型以及Ω型。U型波纹的应力分布较均匀，疲劳寿命长，是最常用的波型。V型波纹的柔性更好但应力集中明显，寿命较短。Ω型波纹具有较好的抗压能力，适用于需要承受较高内压的场合。

波距：相邻波峰之间的距离。较小的波距可以增加单位长度的波纹数量，提高柔性，但会增加流阻和制造成本。波距通常为管径的0.5-2倍。

波高：波峰与波谷的径向距离。波高越大，柔性越好，但也会增加径向尺寸和流动阻力。波高通常为管壁厚度的5-20倍。

壁厚：波纹管壁厚直接影响柔性和疲劳寿命。壁厚越小，柔性越好，但抗压能力和抗泄漏能力下降。柔性热管的波纹管壁厚通常为0.1-0.3 mm，比普通热管（0.3-0.5 mm）更薄。

层数：单层波纹管制造简单，但一旦泄漏则整体失效。多层波纹管（通常2-3层）具有冗余密封功能，安全性更高，但成本增加。

波纹管的柔性可以用弯曲刚度、轴向刚度和扭转刚度来表征。对于给定的管径和壁厚，波高越大、波距越小，刚度越低、柔性越好。

4.1.2 波纹管内吸液芯的设计挑战

波纹管内壁的非圆柱形状给吸液芯的设计和制造带来了独特挑战。主要问题包括：

吸液芯的连续性：在波纹的波峰和波谷区域，曲率半径的变化可能导致吸液芯厚度不均匀，甚至出现不连续。对于烧结粉末芯，在波谷区域粉末堆积较厚，波峰区域较薄，可能影响毛细力的均匀性。对于丝网芯，波纹变形可能导致丝网起皱或脱离管壁。

液体聚集效应：在重力作用下，波纹管的波谷区域可能成为液体的“陷阱”，导致部分液体滞留而无法有效参与循环。这会减少有效参与循环的工质量，降低传热能力。

蒸汽流动阻力：波纹的存在使蒸汽通道不再是光滑的直圆管，而是周期性的收缩-扩张结构。这种几何变化会引起额外的压力损失，特别是在高蒸汽流速下可能诱发局部壅塞或流动不稳定。

针对这些挑战，研究者提出了多种优化方案。例如，采用变孔径烧结芯——在波谷区域使用粗颗粒烧结以降低流阻，波峰区域使用细颗粒烧结以增强毛细力。又如，在波纹管内部设置光滑内衬管，将波纹与蒸汽通道隔离开，但这样会增加结构复杂性和热阻。

4.1.3 性能特点与应用

金属波纹管式柔性热管的主要优势包括：优异的密封性能（金属焊接保证了极低的泄漏率）；良好的抗疲劳性能（合理设计的波纹管可承受数十万次弯曲）；较高的传热能力（金属的高导热性和与水的良好相容性）；以及较宽的工作温度范围（-50-200℃取决于工质）。

其局限性在于：波纹结构增加了制造成本；波纹对流体的扰动可能降低携带极限；径向尺寸较大（波高增加了外径）；以及波纹的存在使热管的自振动频率降低，在某些动态环境中可能需要额外支撑。

金属波纹管式柔性热管适用于对可靠性和传热能力要求较高、且成本敏感度适中的应用，如航空航天电子设备、军用可穿戴系统、高端工业设备等。

4.2 聚合物封装柔性热管

聚合物封装柔性热管采用聚合物材料作为管壳，利用材料本身的本征柔性来实现变形能力。这类热管可以设计为超薄、大面积的平板形式，特别适合于柔性电子设备的集成散热。

4.2.1 平板式柔性热管

平板式柔性热管（也称为柔性均温板）是聚合物柔性热管中最常见的形式。它由两片聚合物薄膜通过热封或粘接形成密闭腔体，腔内设置支撑柱以防止大气压作用下塌陷，并填充吸液芯结构。

腔体设计：平板热管的腔体高度通常在0.5-3 mm之间。腔体过小会增加蒸汽流动阻力，过大则使器件变厚且抗压能力下降。对于柔性应用，腔体高度应尽可能小以降低弯曲刚度，但必须保证蒸汽流动通道的畅通。支撑柱的间距和排列方式需要精心设计，既要防止薄膜塌陷，又要尽量减小对蒸汽和液体流动的阻碍。

吸液芯集成：聚合物平板热管的吸液芯可以直接加工在薄膜内表面。常用的方法包括：热压成型微沟槽阵列；激光烧蚀微通道；静电纺丝纳米纤维沉积；或者粘附金属丝网。其中，微沟槽结构因制造简单、性能稳定而应用最广。

边缘密封：边缘密封是聚合物热管制造中最关键的步骤之一。密封必须绝对可靠，因为任何微小泄漏都会导致真空度丧失。常用的密封方法包括：热压密封（适用于热塑性聚合物）；粘接密封（使用环氧树脂或丙烯酸酯胶粘剂）；激光焊接（适用于特定聚合物组合）；以及超声波焊接。热压密封是最常用的方法，通过加热和加压使两片聚合物薄膜在边缘处熔融结合。

柔性评估：平板式柔性热管的弯曲性能可以用最小弯曲半径来表征。对于厚度1 mm、宽度20 mm的聚酰亚胺热管，最小弯曲半径可达10-20 mm（弯曲方向垂直于长度方向）。如果设计为蛇形或螺旋形走线，可以适应更小的弯曲半径。

4.2.2 圆柱形聚合物热管

除了平板形式，圆柱形聚合物热管也有其应用价值，特别是在需要与圆形结构（如线缆、导管）集成的场合。圆柱形聚合物热管的制造可以采用挤出成型、注塑或卷绕成型等方法。

挤出成型：通过挤出机将熔融聚合物通过环形口模挤出，形成中空管材，同时可在内壁通过特殊口模设计形成微沟槽。挤出成型的效率高、成本低，适用于大批量生产。然而，挤出管材的尺寸精度和内表面质量相对有限。

注塑成型：采用精密注塑工艺可以制备具有复杂内表面结构的聚合物管件。注塑的精度高、可重复性好，但模具成本较高，适合中小批量生产。

卷绕成型：将聚合物薄膜卷绕在芯轴上，通过热封或粘接形成管状结构。这种方法可以方便地在内表面预制微结构，且可以采用多层复合薄膜。卷绕成型适用于小批量、多品种的研发生产。

4.2.3 密封与阻隔技术

聚合物热管面临的最大技术挑战是长期密封可靠性。由于聚合物材料固有的气体渗透性，即使没有宏观缺陷，氧气和水蒸气也会通过分子扩散进入管腔，导致不凝性气体积累。为解决这一问题，需要采用多层阻隔技术。

金属薄膜阻隔层：在聚合物表面沉积一层致密的金属薄膜（如铝、铜、或不锈钢，厚度20-200 nm）可以显著降低气体渗透率。金属层的渗透率比聚合物低数个数量级。物理气相沉积（蒸发或溅射）是最常用的金属镀膜方法。为了获得无针孔的致密膜层，通常需要沉积多层金属或采用原子层沉积等高级技术。

氧化物阻隔层：通过化学气相沉积或原子层沉积在聚合物表面生长氧化铝、氧化硅等氧化物薄膜，也可以获得优异的阻隔性能。氧化物薄膜的透明度高（对于需要光传输的应用有利），但脆性较大，在弯曲时可能开裂。采用有机-无机杂化多层膜（如“聚合物/氧化物/聚合物”交替结构）可以在保持柔性的同时获得高阻隔性能。

多层复合薄膜：直接使用商业化的高阻隔复合薄膜（如聚酰亚胺/铝箔/聚酰亚胺三层复合膜）作为热管管壳材料，可以兼顾阻隔性和可加工性。这类复合薄膜通常采用胶粘剂将各层复合，需要注意胶粘剂层与工质的相容性。

端部密封的强化：端部密封区域是气体侵入的薄弱环节。除了采用大宽度的热封区域外，还可以在密封处涂覆低渗透率的密封胶（如环氧树脂），或者采用金属卡套进行机械密封。

4.3 复合结构柔性热管

复合结构柔性热管试图融合金属和聚合物材料的各自优势，同时避免其缺点。典型的复合结构包括“刚性-柔性-刚性”三段式结构和金属-聚合物多层复合管壁结构。

4.3.1 刚性-柔性复合设计

在“刚性-柔性-刚性”三段式设计中，热管的蒸发段和冷凝段采用刚性金属结构（以便与热源和散热器高效耦合），中间连接段采用柔性波纹管或聚合物管。这种设计既保证了与热源/散热器的良好热接触，又提供了整体柔性。

接口设计：刚性段与柔性段的连接是关键。对于金属-金属连接，可以采用焊接（如氩弧焊、钎焊）或机械压接。对于金属-聚合物连接，需要克服材料不相容的难题，通常采用过渡层设计——先在金属表面进行化学处理或涂覆偶联剂，再与聚合物粘接或包覆成型。

热性能优化：刚性段的内部吸液芯可以与柔性段的吸液芯实现无缝对接，例如刚性段的烧结芯延伸至接口处，与柔性段的丝网芯搭接。接口处的液体输运不能出现瓶颈。

应用场景：这种三段式设计特别适用于需要将热量从可穿戴设备的核心芯片传输到手腕带或衣领等远端散热区域的应用。刚性段嵌入设备主体，柔性段跨越活动关节。

4.3.2 刚柔并济的微结构设计

另一种思路是在宏观柔性的管壳内部设计刚性的微结构骨架，以维持蒸汽和液体通道在变形条件下的稳定性。例如，在聚合物管内嵌入螺旋形金属弹簧，既可以防止聚合物管在负压下塌陷，又可以为液体提供辅助回流通道。又如，在聚合物薄膜之间放置点阵式金属支撑柱阵列，在保持平板热管抗压能力的同时允许整体弯曲。

4.4 新型液态金属芯吸结构

近年来，液态金属（如镓基合金）作为一种新型功能材料被引入柔性热管设计，开辟了全新的技术路径。这类热管以液态金属作为工质，同时利用液态金属的高导热性和流动性来实现热量传递。

4.4.1 液态金属热管的工作原理

与传统热管依靠蒸发-冷凝相变传热不同，液态金属热管通常依靠液态金属的流动（自然对流或电驱动对流）来传递热量。由于液态金属的导热系数（镓约为29 W/m·K）远高于水（约0.6 W/m·K），即使不依赖相变，液态金属也能实现较高的传热效率。然而，为了获得更高的传热能力，也可以利用液态金属的沸腾-冷凝相变，但这通常需要更高的温度。

自然对流驱动：在重力场中，加热区域的液态金属密度降低，在浮力作用下向上运动，冷却区域的液态金属密度增加向下运动，形成自然对流循环。这种模式简单可靠，但传热能力受限于重力加速度。

电驱动：利用电磁泵原理，通过施加垂直于电流方向的磁场，在液态金属中产生洛伦兹力驱动其流动。这种方式可以实现主动控制，但需要外部电源和磁体，增加了系统复杂性。

毛细驱动：虽然液态金属的表面张力远大于水（镓约700 mN/m），但液态金属对大多数固体表面呈现非润湿性（接触角>90°），因此很难利用传统毛细结构产生有效的驱动力。通过对表面进行特殊处理（如沉积金属氧化物或采用微纳结构），可以实现液态金属的亲润湿转变，为毛细驱动液态金属热管提供了可能。

4.4.2 液态金属热管的柔性优势

液态金属热管在柔性应用中的独特优势包括：

本征柔性：液态金属在室温下为液态，可以自由流动，因此热管可以任意变形而不影响其内部的传热介质。实际上，可以认为整个热管就是一个“柔性容器”，只要容器不破损，传热功能就不受影响。

高导热性：液态金属的高导热系数使其即使在静止状态下也能有效传导热量，避免了传统热管在启动前或超过极限时的“热二极管”效应。

无相变相关的限制：由于不依赖相变，液态金属热管不存在传统热管的沸腾极限、携带极限、冷冻启动等问题。

然而，液态金属热管也面临挑战：液态金属的密度很大（镓的密度约为水的6倍），重量问题在便携设备中不可忽视；镓基合金对铝有严重的腐蚀性，对铜、不锈钢等材料的腐蚀也需要长期验证；液态金属的成本远高于水。

第五章 柔性热管的制造工艺

5.1 吸液芯的制备技术

吸液芯是决定柔性热管性能的核心部件，其制备工艺直接影响毛细性能、一致性和制造成本。

5.1.1 金属烧结工艺

金属粉末烧结是制备高性能吸液芯的经典方法。对于柔性热管，烧结工艺需要适应柔性变形的特殊要求。

芯棒法烧结：将金属粉末填充在芯棒与管壳之间的环隙中，在高温下烧结形成多孔层，然后抽出芯棒。这种方法可以精确控制烧结层的厚度和均匀性。对于波纹管，可以采用分段填充的方式——在波谷区域填充较粗粉末、波峰区域填充较细粉末，实现梯度毛细结构。

离心烧结：将管壳高速旋转，金属粉末在离心力作用下均匀附着在管壳内壁，同时进行烧结。离心烧结可以获得厚度均匀的烧结层，特别适合长径比较大的热管。对于波纹管，离心烧结同样适用，但需要注意波纹形状对粉末分布的影响。

模板辅助烧结：在烧结过程中使用可去除的模板（如聚合物纤维编织网）来形成孔隙结构，去除模板后得到具有规整孔道结构的烧结芯。这种方法可以制备各向异性渗透率的吸液芯，在轴向具有低流阻、径向具有高导热的特点。

对于柔性热管，烧结温度和时间需要严格控制，以避免金属晶粒过度长大导致脆性增加。铜粉末的典型烧结条件为：温度850-950℃，时间30-60分钟，保护气氛为氢氮混合气或真空气氛。

5.1.2 微加工与微复制技术

对于聚合物基吸液芯，微加工技术是最主要的制备手段。

热压成型：将聚合物薄膜加热至玻璃化转变温度以上，用具有微沟槽图案的金属模具压印，冷却脱模后得到微结构。热压成型的效率高、适合大面积生产，模具可重复使用。关键工艺参数包括温度、压力、保压时间和脱模温度。对于聚酰亚胺，热压温度通常在300-350℃，压力5-10 MPa。

紫外压印光刻：在紫外固化树脂上通过软模具压印微结构，紫外光照射使树脂固化。这种方法可以在室温下进行，避免高温对聚合物薄膜的损伤，但需要使用专用的紫外固化树脂，可能与热管的化学环境不相容。

激光烧蚀：采用紫外激光（如248 nm KrF准分子激光或355 nm固体激光）直接烧蚀聚合物表面形成微沟槽。激光加工灵活、无需模具，可以方便地实现变深度、变间距等复杂图案。然而，激光烧蚀的生产效率较低，且烧蚀表面可能残留碳化物，需要进行后续清洁处理。

等离子体蚀刻：结合光刻掩膜，采用反应离子蚀刻在聚合物表面形成微结构。这种方法可以制备高深宽比的微沟槽（深宽比可达5:1以上），但设备成本高，且蚀刻速率较低。

软光刻与微模塑：以聚二甲基硅氧烷软模具为基础，通过浇铸、固化、脱模的步骤复制微结构。这种方法特别适合于PDMS等弹性体材料的热管制造。

5.1.3 3D打印技术

增材制造（3D打印）为柔性热管吸液芯的制备提供了全新的自由度。通过逐层堆积材料，可以构建传统方法难以实现的复杂三维微结构。

立体光固化：采用光敏树脂作为原料，通过紫外光逐层固化成型。SLA具有极高的打印精度（可达10μm量级），适合制备精细的微柱、微桁架等结构。然而，SLA使用的光敏树脂通常热稳定性较差，难以满足热管的使用温度要求。

选择性激光熔化：用激光束选择性熔化金属粉末，逐层堆积形成三维结构。SLM可以直接打印出具有复杂内流道的金属吸液芯，且打印件的力学性能与锻件相当。SLM的精度通常在50-100μm，能够满足大多数吸液芯的要求。然而，SLM设备昂贵，打印速度较慢，且需要支撑结构，不适合大规模生产。

熔融沉积建模：通过加热融化热塑性丝材并逐层挤出成型。FDM的成本低、操作简单，但精度较差（通常>200μm），且打印件表面粗糙，可能影响毛细性能。

双光子聚合：利用飞秒激光的双光子吸收效应，在光敏树脂中实现亚微米精度的三维打印。TPP可以制备真正的三维纳米结构，如仿生“猪笼草”结构、分层多孔结构等，为高性能吸液芯的设计提供了无限可能。然而，TPP的打印速度极慢（毫米/小时量级），目前仅适用于实验室研究。

5.2 管壳成型与封装技术5.2.1 波纹管成型工艺

金属波纹管的成型方法主要有三种：

液压成型：将薄壁金属管坯置于波纹模具中，管内施加高压液体（通常为水或油），同时轴向压缩管坯，使管壁向外鼓起形成波纹。液压成型适合小批量、多规格生产，模具成本较低，但生产效率不高。

机械滚压成型：通过一系列滚轮在管材外表面滚动挤压，逐步形成波纹。滚压成型效率高，适合大批量生产，但波纹形状受限（通常只能加工螺旋波纹），且可能在工作表面产生加工硬化。

焊接成型：将预成型的波纹片交替焊接形成波纹管。这种方法可以制备极薄壁（<0.1 mm）的波纹管，但焊缝多、成本高，且焊接热影响区可能成为疲劳裂纹的萌生点。

5.2.2 聚合物管壳成型

聚合物管壳的成型方法根据材料和生产批量选择。

挤出成型：通过环形口模连续挤出中空管材，再经过冷却定径。挤出成型适合大批量生产，成本低，但尺寸精度和内表面质量相对有限。对于多层复合管，可以采用共挤出工艺，通过多层口模同时挤出不同材料形成复合管壁。

注塑成型：将熔融聚合物注入具有型芯的模具中，冷却后脱模得到管件。注塑成型可以制备具有复杂内外形状的管件，包括一体化的接口、安装结构等。注塑件的尺寸精度高、表面质量好，但模具成本较高，适合中小批量生产。

薄膜卷绕成型：将聚合物薄膜切割成所需形状，卷绕在芯轴上，通过热封或粘接形成管状。这种方法灵活性高，适合研发阶段和小批量生产，也可以方便地集成多层复合薄膜。

5.2.3 密封与封装工艺

密封质量直接决定柔性热管的寿命。

热压密封：对于热塑性聚合物（如LCP、PEEK），将两片薄膜叠合，在边缘处加热加压使材料熔融结合。热压密封的关键参数包括温度（应高于聚合物的熔融温度）、压力（保证紧密接触但不挤出熔体）和时间（确保充分熔融和分子链缠结）。热压后需要进行冷却保压，以防止密封区域起泡或翘曲。

超声波焊接：利用高频超声波振动在聚合物界面产生摩擦热，使材料局部熔融结合。超声波焊接速度快、热影响区小，特别适用于薄壁器件的密封。然而，对于大面积或复杂形状的密封，超声波焊接的设备限制较大。

激光焊接：将激光束聚焦在聚合物界面，通过吸收激光能量产生热量使材料熔融结合。激光焊接可以实现高精度、高强度的密封，且热影响区小。需要聚合物对激光波长有一定的吸收率，或者添加激光吸收剂。

粘接密封：使用环氧树脂、丙烯酸酯或硅橡胶等胶粘剂将聚合物薄膜粘合。粘接密封的工艺简单、适用于异种材料连接，但胶粘剂的长期可靠性（特别是与工质接触时的化学稳定性）需要仔细验证。

金属端盖封装：对于需要极高密封可靠性的应用，可以在聚合物管端部安装金属端盖，通过机械压接或粘接实现密封。金属端盖可以同时作为与外部热源/散热器连接的接口。

5.3 工质充装与真空处理

工质充装和真空处理是热管制造的最后也是至关重要的步骤。

抽真空：热管内部需要维持高真空（通常要求低于10^-2 Pa）以去除不凝性气体。对于柔性热管，抽真空时需要注意防止管壳在大气压下塌陷。对于平板热管，支撑柱的作用就是抵抗大气压；对于圆柱形波纹管，波纹结构本身具有一定的抗压能力，但仍需控制抽真空速率，避免压差过大导致波纹管塑性变形。

工质充装：在抽真空后，将精确计量的工质注入管腔。工质充装量需要精确控制——过少会导致蒸发段干涸，过多则可能淹没吸液芯或降低冷凝效率。充装量的计算基于吸液芯孔隙容积和蒸汽腔容积。对于水为工质的热管，充装量通常为吸液芯孔隙容积的30-50%。

除气：工质本身可能溶解有气体，充装前需要进行除气处理（如加热煮沸、超声波脱气或冷冻-抽气循环）。充装后的热管通常还要进行“老化”处理——在额定功率下运行一段时间，使残留的不凝性气体积聚在冷凝段末端，然后通过二次抽真空去除。

冷焊或封口：对于金属热管，充装后通过冷焊或氩弧焊将充装管封死。对于聚合物热管，充装孔通常采用热封或粘接密封。

第六章 柔性热管的热性能表征

6.1 稳态热性能测试

稳态热性能测试是评价柔性热管传热能力的基本方法。测试系统通常包括热源（如加热块或加热薄膜）、冷源（水冷板或强制风冷散热器）、温度传感器（热电偶或热电阻）以及数据采集系统。

6.1.1 最大传热能力测试

最大传热能力（Q_max）是指热管在特定工作条件和方向下能够传输的最大热负荷。测试方法：逐步增加加热功率，每次增加后等待热管达到稳态，记录蒸发段和冷凝段的温度。当加热功率超过某一临界值后，蒸发段温度出现急剧上升（通常定义为温差超过某阈值，如25℃），表明发生了干涸，此时的加热功率即为Q_max。

对于柔性热管，Q_max需要在不同变形状态下分别测试。例如，在平直状态、不同弯曲角度（30°、60°、90°等）、不同弯曲半径、以及不同扭转角度下测试。测试结果表明，随着弯曲程度的增加，Q_max通常会下降，下降幅度取决于吸液芯的设计和波纹管的几何参数。优秀的柔性热管设计能够在90°弯曲（弯曲半径2倍管径）条件下保持平直状态Q_max的80%以上。

6.1.2 热阻测量

热阻R = (T_e - T_c) / Q，其中T_e为蒸发段平均温度，T_c为冷凝段平均温度。为了获得更详细的内部信息，可以在热管表面布置多个热电偶，绘制沿管长方向的温度分布曲线。

典型的热阻曲线呈现三个阶段：在低热负荷时，热阻较高（可能由于启动不充分）；随着热负荷增加，热阻下降并趋于稳定；当接近Q_max时，热阻再次上升（预示干涸）。柔性热管的稳定热阻通常在0.1-1.0 K/W范围内，具体数值取决于尺寸、工质和吸液芯结构。

6.1.3 均温性能评估

均温性能通常用蒸发段与冷凝段的温差ΔT或者表面温度的标准差σ_T来表征。良好的均温性能意味着热管能够有效消除热点，使整个器件温度分布均匀。对于柔性显示等应用，温度不均匀性可能导致显示亮度不均或材料热应力开裂，因此均温性能至关重要。

6.2 动态与循环性能测试6.2.1 启动特性

柔性热管的启动特性与传统热管有所不同，特别是聚合物热管由于管壁热容小，启动往往更快。测试方法：在蒸发段施加恒定热负荷，同时记录蒸发段和冷凝段的温度响应。启动时间定义为从施加功率到蒸发段温度达到稳态值90%所需的时间。

一些聚合物热管在启动时可能表现出“温度过冲”现象——蒸发段温度短暂超过稳态值后回落。这种现象通常与聚合物管壁的低热导率和不凝性气体的存在有关。通过优化工质充装量和除气工艺可以减轻过冲。

6.2.2 弯曲循环下的性能退化

柔性热管的核心价值在于能够承受反复变形而不失效。循环性能测试通常采用自动化弯曲试验台，将热管固定在可动夹具上，以设定的频率（如10-30次/分钟）和角度（如±90°）反复弯曲。每隔一定循环次数（如1000、5000、10000次）取下热管进行热性能测试，观察Q_max和热阻的变化。

研究结果表明，合理设计的金属波纹管式柔性热管可以承受10^4-10^5次90°弯曲循环而性能下降不超过20%。失效模式主要包括：波纹根部疲劳开裂（导致泄漏）、吸液芯与管壁脱离（导致局部干涸）、以及丝网芯的永久错位（增加液体流阻）。聚合物热管的循环寿命通常更长（因为聚合物的疲劳性能优于金属），但需要关注密封区域的可靠性。

6.2.3 长期运行可靠性

除了机械循环，柔性热管还需要在恒定变形状态下长期运行（例如可折叠手机在展开状态使用数小时）。加速寿命试验通过提高冷凝温度来加速老化过程，根据阿伦尼乌斯模型外推常温寿命。对于水-铜体系，在120℃冷凝温度下运行1000小时，相当于在60℃下运行约5年。试验后需要检查工质中不凝性气体的含量以及吸液芯和管壁的腐蚀情况。

6.3 变形对热性能的影响机理

理解变形导致热性能退化的机理，对于优化柔性热管设计至关重要。

弯曲对蒸汽流动的影响：当热管弯曲时，蒸汽通道不再是直线，弯曲内侧和外侧的流动路径长度不同，可能导致蒸汽速度分布不均匀。在曲率较大的弯曲处，可能产生二次流或局部回流，增加蒸汽压降。理论分析和数值模拟表明，当弯曲半径与管径之比大于3时，弯曲附加压降可以忽略；当比值小于2时，附加压降显著增加。

弯曲对液体回流的影响：对于丝网芯，弯曲时内侧压缩、外侧拉伸可能导致丝网孔隙率不均匀，影响局部毛细力。对于沟槽芯，弯曲内侧的沟槽可能被压缩变窄甚至闭合，而外侧沟槽被拉宽，毛细性能下降。对于烧结芯，弯曲产生的拉伸应力可能导致烧结颈断裂，形成微裂纹，严重破坏毛细连续性。

重力方向的影响：柔性热管在使用中可能处于任意方向，重力的影响不可忽视。当蒸发段高于冷凝段时（逆重力工作），需要吸液芯提供额外的毛细力来克服重力。弯曲变形会改变蒸发段和冷凝段的相对高度，从而改变重力头。对于需要任意方向工作的应用，应选择毛细力强的吸液芯（如细粉末烧结芯）。

变形诱导的界面热阻变化：在平板柔性热管中，弯曲可能导致吸液芯与管壁之间的界面出现微间隙，增加接触热阻。这种效应在多层复合结构中尤为明显。通过在吸液芯和管壁之间添加导热胶或采用一体化成型工艺可以缓解这一问题。

第七章 柔性热管的应用

7.1 可穿戴设备热管理

可穿戴设备是柔性热管最具潜力的应用领域之一。智能手表、健康监测手环、增强现实眼镜等设备在狭小空间内集成了多种高功耗芯片，同时需要与人体皮肤接触，对表面温度有严格限制（通常<42℃）。

智能手表：现代智能手表集成了应用处理器、GPS、蜂窝通信、心率传感器等多个发热元件，峰值功耗可达2-3 W。在如此小的体积内，传统散热方式难以将热量有效扩散。柔性热管可以将芯片产生的热量从表体传导至表带（表带与手臂接触面积大，散热条件较好），从而避免表壳局部过热。研究表明，集成柔性热管的智能手表原型机，芯片温度可降低8-12℃，表壳表面温度均匀性显著改善。

增强现实眼镜：AR眼镜在镜腿处集成了微显示器、光引擎、处理器等组件，功耗密度极高。由于镜腿紧贴太阳穴区域，对温度极为敏感。超薄柔性热管（厚度<0.5 mm）可以嵌入镜腿内部，将热量传导至镜腿末端或镜框前部，避免局部热点。聚合物柔性热管因重量轻、可任意塑形，在这一应用中具有独特优势。

电子皮肤：电子皮肤是贴在人体表面的超薄柔性传感器阵列，用于监测生理信号。虽然单个传感器的功耗很低，但大面积阵列的总功耗可能达到数百毫瓦，且电子皮肤通常被衣物覆盖，散热条件差。柔性热管可以作为电子皮肤的背衬层，实现面内均温和热量疏导。

7.2 柔性显示与可折叠设备

可折叠智能手机和可卷曲电视是柔性显示的标志性产品。这些设备在折叠状态下的紧凑性和展开状态下的平整性对热管理提出了严苛要求。

铰链区域的热桥接：可折叠手机的折叠铰链区域空间极为有限，且需要承受反复弯折。传统刚性热管无法穿过铰链。柔性热管则可以作为“热桥”，连接主板区域（热源）和副板区域（散热器），在折叠和展开状态下都能有效传输热量。铰链区域通常采用金属波纹管式柔性热管，因其抗疲劳性能优异。

显示面板的均温：OLED显示面板对温度敏感，局部温度过高会加速有机材料老化和亮度衰减。大面积柔性均温板可以贴合在显示面板背面，消除驱动IC产生的热点，使整个面板温度均匀。均温板的厚度需要控制在0.3 mm以下，以不影响设备的整体厚度。

7.3 软体机器人热管理

软体机器人由柔性材料制成，能够完成传统刚性机器人无法实现的复杂运动（如蠕动、扭转、抓取易碎物体）。然而，软体机器人的驱动单元（如气动网络、形状记忆合金、介电弹性体）往往产生大量热量，影响机器人的性能和寿命。

气动软体机器人：气动软体机器人通过周期性充放气实现运动，压缩空气的膨胀冷却效应可以带走部分热量，但在高频工作时仍可能过热。嵌入气动通道壁的柔性热管可以辅助散热，同时不增加机器人的刚性。

形状记忆合金驱动：SMA通过焦耳热加热使其发生相变而产生驱动，冷却过程是速度限制步骤。柔性热管可以加速SMA的冷却，提高驱动频率。将柔性热管与SMA丝紧密贴合，可以将冷却时间缩短50%以上。

7.4 其他潜在应用

柔性电池热管理：锂离子电池在充放电过程中会产生热量，在快速充电或高倍率放电时温升显著。柔性热管可以贴合在软包电池表面，均匀化电池内部的温度分布，延长循环寿命并提高安全性。

医疗植入设备：某些医疗植入设备（如神经刺激器、人工心脏）需要将热量安全地传导至远离敏感组织的区域。采用生物相容性材料（如钛、聚酰亚胺）封装的柔性热管是理想的热管理方案。

航空航天柔性结构：在航天器的可展开结构、充气式舱段等柔性部件中，柔性热管可以用于温度控制和热防护。

第八章 挑战与展望

8.1 当前面临的主要技术挑战

尽管柔性热管技术取得了长足进步，但要实现大规模工程应用，仍面临若干关键挑战：

传热能力与柔性的权衡：目前柔性热管的最大传热能力（典型值5-20 W）远低于同等尺寸的刚性热管（20-100 W）。提升传热能力往往需要更厚的管壁、更致密的吸液芯，这又会降低柔性。如何突破这一权衡关系，是柔性热管研究的核心难题。

聚合物热管的长期可靠性：聚合物材料的气体渗透问题尚未根本解决。即使采用多层阻隔膜，长期（5年以上）的密封可靠性仍缺乏充分验证。新型高阻隔聚合物材料的开发以及原位气体吸收技术是潜在解决方案。

制造成本与一致性：柔性热管，特别是金属波纹管式，制造工艺复杂、工序多，导致成品率低、成本高。开发连续化、自动化的生产线是降低成本的关键。对于聚合物热管，卷对卷制造工艺具有较大潜力。

标准化与测试方法：目前柔性热管的性能测试方法尚未统一，不同研究的结果难以直接比较。建立行业公认的标准测试方法和性能评价指标体系，对于推动技术成熟和应用推广具有重要意义。

8.2 未来发展趋势

高性能吸液芯的柔性化设计：受生物启发（如植物茎秆的输水结构、人体的血管网络），设计具有分级孔隙、各向异性渗透率和自修复功能的智能吸液芯，将是提升柔性热管性能的重要方向。

多物理场耦合仿真方法：开发能够同时考虑流动、传热、结构力学和材料损伤的耦合仿真模型，可以在虚拟环境中快速优化柔性热管设计，减少试错成本。机器学习方法在吸液芯拓扑优化中也显示出巨大潜力。

集成化热管理方案：未来的柔性电子系统将采用“热-电-力”多功能一体化设计，将热管理、能量采集、结构支撑等功能集成在同一组件中。例如，柔性热管可以同时作为电池的集流体和散热器；或者利用热管内部工质的流动来为微传感器供能。

主动与自适应热管理：在被动柔性热管的基础上，引入主动控制元件（如微阀、电润湿结构）实现对热输运能力的动态调节，以适应变化的功率和环境条件。例如，在低温环境下可以“关闭”热管以保持器件温度，在高温环境下“开启”增强散热。

新工质与新材料的探索：离子液体、纳米流体、磁流体等新型工质可能赋予柔性热管特殊功能（如电场/磁场可调热输运）。二维材料（如石墨烯、MXene）涂层可以显著改善聚合物管壳的阻隔性能和壁面润湿性。

8.3 结论

柔性热管作为柔性电子热管理的关键技术，融合了高效两相传热和机械柔性的优势，在可穿戴设备、柔性显示、软体机器人等领域展现出广阔的应用前景。本文系统阐述了柔性热管的工作原理、材料选择、结构设计、制造工艺和性能表征方法，分析了金属波纹管式、聚合物封装式和复合结构式三类柔性热管的技术特点与适用场景。

经过十余年的发展，柔性热管技术已经从概念验证阶段走向工程样机阶段，部分产品已开始小批量应用。然而，要在消费电子等成本敏感领域实现大规模普及，仍需在传热能力提升、长期可靠性验证和制造成本控制等方面持续攻关。可以预见，随着材料科学、微纳制造和传热学研究的不断深入，柔性热管将在未来五到十年内成为柔性电子热管理的标准解决方案，为下一代柔性智能设备的性能提升和用户体验改善做出重要贡献。

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