0. 引　言

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，為提高空間利用率，大功率電子器件尺寸越來(lái)越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊密，載荷功率密度越來(lái)越大，單個(gè)電子設(shè)備能流可以達(dá)到上千瓦，這些特征導(dǎo)致器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)消散，產(chǎn)生的過(guò)高溫度會(huì)影響器件的正常運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致熱失效，因此微電子器件熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及輕質(zhì)高效冷卻部件的應(yīng)用十分關(guān)鍵[1-2]。熱管理技術(shù)是通過(guò)協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各換熱或散熱部件來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)的技術(shù)，這些換熱或散熱部件就是熱管理部件。通過(guò)應(yīng)用熱管理部件可以為系統(tǒng)提供更好的溫度條件，使得整個(gè)系統(tǒng)可以維持平衡，從而安全可靠地長(zhǎng)壽命運(yùn)行。

微電子器件迅速增加的熱流以及對(duì)高效率冷卻性能的需求促進(jìn)了微通道熱管理部件的發(fā)展。1981年，TUCKERMAN與PEASE針對(duì)集成電路散熱問(wèn)題提出了“微通道熱沉”的概念，這也是第一次提出利用微通道解決散熱問(wèn)題的觀點(diǎn)[3]。與常規(guī)散熱器相比，微通道散熱器的表面積/體積比大，單位面積換熱效率高，質(zhì)量輕，在高密度集成微電子器件熱管理方面得到快速發(fā)展[4-5]。為了給相關(guān)人員提供參考，作者在熱管理技術(shù)發(fā)展的背景下，介紹了微通道熱管理部件的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了不同微通道流道結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能的影響，并在對(duì)比了微米級(jí)減材加工工藝和增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了以化學(xué)刻蝕和擴(kuò)散焊接為主要工序的疊層增材制造技術(shù)在加工復(fù)雜微通道熱管理部件方面的應(yīng)用。

1. 應(yīng)用背景

微通道熱管理部件因具有整體尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜等特點(diǎn)，其傳熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)熱管理部件，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、電子芯片等高度專業(yè)化領(lǐng)域。

近年來(lái)軍事電子和微波器件發(fā)展迅速，大功率電子芯片呈現(xiàn)出小型化、高集成度的發(fā)展趨勢(shì)，這導(dǎo)致電子元件的功率增大，熱流密度增加且分布不均勻，局部熱點(diǎn)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，因此高效換熱或散熱部件的研究十分關(guān)鍵。氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管具有寬帶隙和高電子飽和速率的優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)領(lǐng)域備受關(guān)注。但是，在工作過(guò)程中GaN晶體管中會(huì)產(chǎn)生高熱通量，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部熱點(diǎn)，影響晶體管的綜合性能[6]。針對(duì)這一情況，Al-NEAMA等[7-9]采用蛇形水冷微通道散熱器對(duì)GaN晶體管進(jìn)行冷卻，研究發(fā)現(xiàn)蛇形微通道結(jié)構(gòu)在破壞熱邊界層、改善傳熱方面起著至關(guān)重要的作用；通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)比了不同路徑蛇形微通道的流體流動(dòng)特性與傳熱特性，發(fā)現(xiàn)通道的彎曲會(huì)阻止流體流動(dòng)和熱邊界層的發(fā)展，單路徑蛇形微通道的綜合傳熱性能最優(yōu)，多路徑蛇形微通道的傳熱效率很高，但這是以流體的大壓降作為代價(jià)的；在蛇形微通道模型的基礎(chǔ)上，引入翅片創(chuàng)建了蛇形微通道內(nèi)的次通道，主、次通道結(jié)構(gòu)在降低散熱器熱阻和增強(qiáng)對(duì)流換熱上起到顯著作用，壓降和總熱阻分別降低60%和10%。XIA等[10]針對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)主軸在工作過(guò)程中產(chǎn)生較大的熱量而導(dǎo)致熱變形的情況，對(duì)分形樹狀通道和傳統(tǒng)螺旋通道冷卻套管的傳熱和壓降特性進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)螺旋通道相比，分形樹狀通道具有更低的壓降以及更均勻的溫度場(chǎng)。

超高溫反應(yīng)堆是一種燃料利用率高的熱中子譜反應(yīng)堆，反應(yīng)堆核心具有高熱通量，中間換熱器將熱量從超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)中的第一個(gè)回路傳遞到第二個(gè)回路，從而提高了熱量利用率。超高溫反應(yīng)堆系統(tǒng)的效率和成本受中間交換器的影響，傳統(tǒng)管殼式換熱器無(wú)法滿足小空間大面積傳熱的要求，而微通道換熱器的體積小、傳熱效率高，可以滿足超高溫反應(yīng)堆的工作環(huán)境[11]。MA等[12]研究了超高溫反應(yīng)堆工況下鋸齒形微通道換熱器（內(nèi)部冷板和熱板交替排列）的局部傳熱和壓降機(jī)理，發(fā)現(xiàn)鋸齒形通道可以起到擾亂流體流動(dòng)和增強(qiáng)傳熱的作用，傳熱和壓降隨著鋸齒形通道相對(duì)于水平方向的傾斜角度的增加而增大，在實(shí)際應(yīng)用中需考慮質(zhì)量流量與傾斜角的匹配問(wèn)題。CHEN等[13]和FIGLEY等[14]針對(duì)超高溫反應(yīng)堆的典型工作條件，設(shè)計(jì)制造了一款鋸齒形微通道換熱器，研究發(fā)現(xiàn)在溫度802 ℃和壓力2.7 MPa下鋸齒形微通道具有更好的整體傳熱性能，層流狀態(tài)下和過(guò)渡流狀態(tài)下的傳熱系數(shù)分別為直圓管微通道的2～3倍和1.5～3.0倍。

高效能源轉(zhuǎn)換、調(diào)解能源生產(chǎn)是解決能源短缺的重要方式，太陽(yáng)能是發(fā)展所必需的可再生清潔能源之一，關(guān)于提高太陽(yáng)能熱電站效率的研究已經(jīng)十分廣泛。高聚光光伏（high concentrator photovoltaic，HCPV）是一種極具潛力的清潔發(fā)電方式，所采用的太陽(yáng)能電池可以提供高能量通量。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，只有小部分太陽(yáng)輻射會(huì)被高聚光光伏電池吸收，大多數(shù)太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致電池表面溫度過(guò)高，這可能造成表面缺陷，對(duì)電池的性能產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要高效率的冷卻系統(tǒng)來(lái)降低電池溫度、提高溫度分布均勻性[15-16]。TANG等[17]設(shè)計(jì)了一種具有新型歧管超薄微型針翅散熱器的緊湊型高聚光光伏系統(tǒng)，在1 000倍太陽(yáng)光能量密度下該系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的冷卻性能和溫度均勻性，電池平均溫度可降至51 ℃，溫度不均勻性僅為3.4 ℃，相比常規(guī)混合射流微通道和變寬度微通道設(shè)計(jì)，其溫度不均勻性明顯降低；隨著入口冷卻液流量的增加（1.5～12 kg·h−1），電池的平均溫度及其不均勻性進(jìn)一步降低，凈電效率顯著提高，但當(dāng)入口冷卻液流量超過(guò)23.5 kg·h−1時(shí)，壓降急劇增加，導(dǎo)致凈電效率下降。HONG等[18]為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池在散熱的同時(shí)進(jìn)行熱回收，提出了一種結(jié)合沖擊射流和微通道流動(dòng)沸騰的徑向膨脹微通道散熱器，冷卻介質(zhì)通過(guò)中央入口流入散熱器中沸騰，并沿徑向陣列通道流動(dòng)；通過(guò)實(shí)時(shí)太陽(yáng)跟蹤測(cè)試得到，該微通道散熱器在各取向角（微通道散熱器相對(duì)于水平方向的傾斜角度，0°，30°，45°，60°，90°）下工作良好，保持了優(yōu)異的流動(dòng)沸騰性能，電池表面最高溫度保持在110 ℃以下，可以應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中的高聚光光伏光熱混合系統(tǒng)。

2. 微通道結(jié)構(gòu)

微通道的尺寸、幾何結(jié)構(gòu)對(duì)熱管理部件最終的傳熱效率有顯著影響。隨著通道寬度的減小，傳熱路徑縮短，對(duì)流傳熱系數(shù)增大，熱阻呈降低趨勢(shì)，這是微通道熱管理部件可以實(shí)現(xiàn)高效傳熱的原因之一[19]。根據(jù)流體流動(dòng)路徑，微通道可以分為連續(xù)型和非連續(xù)型微通道。連續(xù)型微通道包括直通道、波浪形通道、蛇形通道、鋸齒形通道等，流體在各通道內(nèi)單獨(dú)流動(dòng)。非連續(xù)型微通道由翼型翅片、肋片或鰭片規(guī)律排列組成，不同通道內(nèi)的流體可以匯合，該結(jié)構(gòu)微通道可在保證傳熱的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低的壓降[20]。除了上述常規(guī)微通道結(jié)構(gòu)外，研究人員在自然界中樹干、葉脈、哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)了許多新型仿生拓?fù)湮⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)具有一系列連續(xù)的分支通道，傳熱效率更高，壓降更小，溫度分布更加均勻[21-23]。

直通道是最基本的微通道類型，適合應(yīng)用在要求低壓降的工作環(huán)境中，對(duì)直通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整后可以改善其傳熱性能[13,24]。CHENG等[25]以蒸餾水為工作流體，對(duì)比了不同錐度比的錐形通道和直通道的傳熱系數(shù)和壓降，發(fā)現(xiàn)高錐度比會(huì)導(dǎo)致流體更早過(guò)渡到湍流，在較低的雷諾數(shù)下具有更大的傳熱系數(shù)和更高的壓降。MESHRAM等[26]通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)比發(fā)現(xiàn)：鋸齒形通道在相同熱容量下的體積比直通道顯著減小，但壓降更高，主要是因?yàn)榱鲃?dòng)擾動(dòng)增強(qiáng)帶來(lái)了傳熱強(qiáng)化效應(yīng)；鋸齒形通道的傳熱系數(shù)隨鋸齒彎曲角的增加而增大，隨線性間距的增加而降低，因此較大彎曲角和較小線性間距下鋸齒形通道的傳熱性能更好，但二者均會(huì)導(dǎo)致壓降顯著升高。雖然鋸齒形通道能大幅縮減換熱器體積，但其高壓降可能削弱其循環(huán)效率，因此需權(quán)衡傳熱強(qiáng)化與壓降損失以實(shí)現(xiàn)性能平衡。

非連續(xù)型微通道中的翼型翅片、肋片等結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)微通道熱管理部件的傳熱效率有著顯著作用，這些結(jié)構(gòu)打斷了冷卻介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和熱邊界層，流暢的線型抑制了流體的流動(dòng)分離，促進(jìn)了流體均勻流動(dòng)[27]。CHUNG等[28]將氮?dú)庾鳛楣ぷ髁黧w，對(duì)比了翼型翅片通道和直通道的綜合性能，發(fā)現(xiàn)在給定的入口條件下，翼型翅片通道具有更高的單位體積傳熱速率和單位長(zhǎng)度壓降。SAEED等[29]對(duì)交錯(cuò)排列的正弦鰭片通道進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)正弦鰭片平穩(wěn)地改變了工作流體CO2在通道內(nèi)的流向，避免了出現(xiàn)再循環(huán)和分離區(qū)，與傳統(tǒng)鋸齒形通道相比，鰭片優(yōu)化的通道綜合性能顯著提高。

仿生拓?fù)湮⑼ǖ澜Y(jié)構(gòu)具有周期性的邊界層間斷和強(qiáng)烈的流動(dòng)混合特性，可以改善傳熱和壓降性能。ZHOU等[23]受葉脈結(jié)構(gòu)啟發(fā)提出了一種新型均熱板，系統(tǒng)分析了冷卻水溫度和質(zhì)量流量對(duì)傳熱性能的影響，發(fā)現(xiàn)：葉脈結(jié)構(gòu)能有效促使冷凝水以低水力阻力回流到蒸發(fā)區(qū)，降低冷卻水溫度，同時(shí)提高冷卻水質(zhì)量流量可以降低總熱阻；該均熱板可以承受20～500 W的寬范圍熱負(fù)荷，其傳熱性能未出現(xiàn)明顯下降，最小熱阻為0.029 ℃·W−1。YAN等[30]在Y分形通道換熱器的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬研究了水凝膠嵌入位置對(duì)分形通道熱沉自適應(yīng)冷卻的影響，發(fā)現(xiàn)：水凝膠的嵌入起到調(diào)控流體流速的作用，可幫助分形通道換熱器處理更大范圍密度的熱流；在一級(jí)分支中嵌入的水凝膠不易變形，適合處理高熱通量的情況，在二級(jí)分支嵌入的水凝膠對(duì)芯片局部熱點(diǎn)的探測(cè)更靈敏，也更容易發(fā)生變形，適用于低熱通量的情況。綜上，在整體體積保持不變或整體尺寸更小的情況下，微通道熱管理部件的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)越精準(zhǔn)復(fù)雜，其傳熱性能的改善效果越顯著[5]。

3. 加工技術(shù)

3.1 典型微米級(jí)部件加工技術(shù)

隨著制造業(yè)對(duì)部件加工精度要求的提高，微米級(jí)高效高精度加工技術(shù)的研究與應(yīng)用引起了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)界的高度關(guān)注。表1列舉了典型微米級(jí)部件加工技術(shù)的原理及其優(yōu)勢(shì)和局限性。微米級(jí)減材加工工藝（微機(jī)械加工、微電火花加工、微沖壓、微液壓成形、激光加工、聚焦等離子蝕刻）改善了傳統(tǒng)加工技術(shù)如車削、銑削等直接加工小尺寸工件時(shí)出現(xiàn)的微觀尺度問(wèn)題，如表面質(zhì)量和尺寸精度難以控制、熱量集中、應(yīng)力和變形較大等。雖然表中列舉的微米級(jí)減材加工工藝在微米級(jí)部件制造領(lǐng)域展示出優(yōu)勢(shì)，但若用于加工微通道熱管理部件仍存在一定的局限性。首先，這些工藝會(huì)受到材料厚度和幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，難以加工出深寬比大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的溝槽。其次，為滿足高強(qiáng)度和耐高溫要求，微通道熱管理部件一般選用合金材料，如不銹鋼、高溫合金等，微米級(jí)減材加工工藝對(duì)這些材料的加工難度較大，難以實(shí)現(xiàn)微通道熱管理部件的高精密度和可重復(fù)性，導(dǎo)致流道間距不均勻或結(jié)構(gòu)不完整，進(jìn)而影響換熱器的整體性能和穩(wěn)定性。最后，刀具壽命、材料利用率和制造成本等也是微米級(jí)減材加工工藝應(yīng)用的阻礙。

在微通道熱管理部件制備領(lǐng)域，增材制造技術(shù)的作用日益凸顯。金屬增材制造技術(shù)主要包括粉末床熔化技術(shù)和直接能量沉積技術(shù)。粉末床熔化技術(shù)利用能量源對(duì)粉末床連續(xù)選擇性的逐層熔化或燒結(jié)，基于可控的分層構(gòu)建原理，構(gòu)建具有自由幾何形狀、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件[45]。SYED-KHAJA等[46]將微通道冷卻技術(shù)與粉末床熔化技術(shù)相結(jié)合制備出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的散熱器，證明了該方案作為高度集成電力電子器件熱管理方式的可行性；與傳統(tǒng)空氣冷卻散熱器相比，該方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有更高的自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)三維復(fù)雜流道的精準(zhǔn)制造，同時(shí)散熱器整體尺寸顯著減小；在相同電流條件下，該方案制備的散熱器的冷卻性能優(yōu)于傳統(tǒng)散熱器，芯片溫度最高可降低33%，并且通過(guò)內(nèi)部微通道可直接對(duì)熱點(diǎn)進(jìn)行定向冷卻，有效提升了熱管理效率。

直接能量沉積技術(shù)直接將喂料沉積到能量源產(chǎn)生的熔池中，在基板上以“從無(wú)到有”的形式制造零件或?qū)σ延辛慵M(jìn)行再次加工。在加工過(guò)程中根據(jù)需要可以改變合金成分，即該技術(shù)具有在一個(gè)零件中沉積多種材料的能力。由于喂料沉積在已凝固的前一層，沒(méi)有外部材料支撐，故直接能量沉積技術(shù)無(wú)法制備復(fù)雜程度較高的構(gòu)件[42-47]。在低成本、小批量、個(gè)性化的加工技術(shù)中增材制造技術(shù)具有代表性，利用該技術(shù)制備微通道結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化工藝流程，實(shí)現(xiàn)多尺度、多材料的集成制備，并且能夠具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，滿足熱管理部件對(duì)質(zhì)量、散熱性能、力學(xué)性能等方面的要求[48]。

3.2 疊層增材制造技術(shù)

對(duì)于復(fù)雜微通道熱管理部件的加工制造，增材制造技術(shù)需要具有高的加工精度和表面質(zhì)量、快的加工效率且能夠進(jìn)行封閉孔洞加工；疊層增材制造技術(shù)可以滿足上述需求。疊層增材制造技術(shù)利用分層實(shí)體思想，將三維實(shí)體微分切片成薄板，對(duì)每個(gè)薄板進(jìn)行精密加工，把加工后的薄板按三維實(shí)體結(jié)構(gòu)順序堆疊并加工連接成為一個(gè)整體。其中，在每個(gè)薄板上實(shí)現(xiàn)指定圖案加工的光化學(xué)蝕刻技術(shù)和將薄板連接起來(lái)的擴(kuò)散焊技術(shù)是影響疊層增材制造微通道結(jié)構(gòu)部件加工質(zhì)量的2個(gè)關(guān)鍵工序。

3.2.1 光化學(xué)蝕刻

光化學(xué)蝕刻是通過(guò)化學(xué)方法對(duì)金屬進(jìn)行可控制加工的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜微通道的制備，主要制備流程：根據(jù)所需通道形狀制作掩模板；清洗打磨基板表面并涂上光刻膠；將掩模板與涂有光刻膠的基板表面牢牢貼合以防后續(xù)加工過(guò)程中脫落；在紫外線曝光顯影后，利用化學(xué)蝕刻劑進(jìn)行溶解腐蝕，以達(dá)到最終通道成型的目的[49]。其中，光刻膠是一種光敏化學(xué)品，當(dāng)曝光在紫外線下時(shí)會(huì)發(fā)生降解或固化。在光刻膠的幫助下，通道圖形可以從掩模板復(fù)制到基板表面，為之后的化學(xué)蝕刻流程做準(zhǔn)備[50]。

通過(guò)化學(xué)蝕刻選擇性去除材料的方式得到的零件最終質(zhì)量與材料化學(xué)活性、蝕刻劑濃度、蝕刻時(shí)間及蝕刻溫度等因素有關(guān)。材料中通常會(huì)存在大量位錯(cuò)缺陷，位錯(cuò)處具有相對(duì)較高的能量，穩(wěn)定性較差，當(dāng)受到蝕刻劑侵蝕時(shí)，位錯(cuò)處首先溶解[51-52]。許多材料具有多種結(jié)構(gòu)狀態(tài)，不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的化學(xué)穩(wěn)定性存在差異[53]，需根據(jù)加工材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)合理選擇蝕刻劑。SAY等[54]研究了不同蝕刻劑濃度（1，2，4，8 mol·L−1）和蝕刻時(shí)間（10，60，180 min）下HNO3、H2SO4、HCl、HClO4、NaOH、Na2CO3等6種不同蝕刻劑對(duì)316L不銹鋼的蝕刻效果，發(fā)現(xiàn)在HNO3、H2SO4和HCl蝕刻劑中316L不銹鋼表面未發(fā)生顯著反應(yīng)，而HClO4、NaOH和Na2CO3蝕刻劑對(duì)316L不銹鋼的蝕刻效果明顯，在8 mol·L−1Na2CO3溶液中浸泡10 min后獲得最大的表面粗糙度Ra，為9.57 μm。

材料去除率、工件邊緣偏差、表面粗糙度是評(píng)估蝕刻微通道效果的重要參數(shù)，加工工件時(shí)希望在保證高材料去除率的同時(shí)，邊緣偏差、表面粗糙度保持在較小的范圍內(nèi)。AGRAWAL等[55]在304不銹鋼表面制備蛇形和Y形通道過(guò)程中，以FeCl3作為蝕刻劑進(jìn)行光化學(xué)加工，研究了材料去除率、表面粗糙度與各蝕刻參數(shù)間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)材料去除率隨蝕刻劑質(zhì)量濃度增加、溫度升高或時(shí)間延長(zhǎng)而提高，當(dāng)質(zhì)量濃度超過(guò)650 g·L−1時(shí)表面粗糙度因溶液黏度升高而下降。GANDHI等[56]采用FeCl3蝕刻劑對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行光化學(xué)蝕刻試驗(yàn)，研究了蝕刻劑質(zhì)量濃度（500，600，700 g·L−1）、試驗(yàn)溫度（48，52，56 ℃）和蝕刻時(shí)間（8，12，16 min）對(duì)316L不銹鋼表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蝕刻劑質(zhì)量濃度為500 g·L−1，溫度為52 ℃，蝕刻時(shí)間為12 min時(shí)，表面粗糙度最小。ZHUANG等[57]提出通過(guò)幾何優(yōu)化方法提高散熱器整體性能，即分別在銅基板和鋁基板上蝕刻菱形通道，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的并聯(lián)微通道散熱片相比，在外部尺寸、熱通量和最高溫度相同的條件下，具有菱形分形單元的微通道散熱片可以有效提高散熱效率。ZHANG等[58]采用HCl溶液對(duì)鋁板進(jìn)行液滴蝕刻，蝕刻4 min后鋁板的平均表面粗糙度約為3.5 μm，表面結(jié)構(gòu)均勻，疏水性提高。

光化學(xué)蝕刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)微通道的制備，通過(guò)控制蝕刻劑濃度、蝕刻時(shí)間，可以對(duì)微通道的表面粗糙度進(jìn)行控制。光化學(xué)蝕刻技術(shù)適用范圍廣，在選擇適合蝕刻劑的前提下，可以對(duì)熱管理部件常用不銹鋼、銅合金等材料進(jìn)行加工。利用光化學(xué)蝕刻技術(shù)得到的微通道表面粗糙度小、側(cè)壁光滑，并且該工藝加工效率高，成本相對(duì)低廉，可以用于規(guī)模化生產(chǎn)。

3.2.2 擴(kuò)散焊接

擴(kuò)散焊接是將待焊工件在保護(hù)氣氛或真空中加熱至母材熔點(diǎn)以下溫度，同時(shí)施加壓力使工件接觸面發(fā)生微觀塑性變形，兩側(cè)原子擴(kuò)散而形成牢固冶金結(jié)合的一種固態(tài)連接工藝[59-61]。在疊層增材制造過(guò)程中擴(kuò)散焊接在分層蝕刻微通道和層板三維結(jié)構(gòu)順序裝配堆疊后進(jìn)行，通過(guò)加入填充材料作為助劑促進(jìn)層板界面結(jié)合。填充材料在高溫下熔化后發(fā)生原子擴(kuò)散，在等溫凝固過(guò)程中生成異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接；同時(shí)填充材料的加入還可以防止異種材料焊接時(shí)脆性相的產(chǎn)生[62-63]。

LI等[64]先利用光化學(xué)蝕刻技術(shù)在316L不銹鋼板（尺寸250 mm×67.7 mm×50 mm）上加工出直徑為263.6 μm的直通道，然后將加工好的不銹鋼板按順序堆疊，再通過(guò)擴(kuò)散焊接方法進(jìn)行連接，完成微通道換熱器的制造；經(jīng)過(guò)檢測(cè)該換熱器在最大壓力15 MPa下的密封性良好，未發(fā)生泄露或結(jié)構(gòu)失效；在不平衡和平衡流量2種條件下，冷側(cè)水的質(zhì)量流量變化顯著影響了換熱器的效率和傳熱速率，各側(cè)出口溫度隨冷側(cè)水質(zhì)量流量的增加而降低；此外，通道寬度的減小可顯著提高換熱器的功率質(zhì)量比。CHU等[65]在304不銹鋼板上蝕刻出半徑為1.4 mm、截面為半圓形的微通道，將熱板和冷板按照順序堆疊后進(jìn)行擴(kuò)散焊接；為保證該微通道換熱器在極端條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性，在15 MPa壓力下對(duì)換熱器進(jìn)行水壓測(cè)試，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)24 h測(cè)試后換熱器的壓力仍保持在15 MPa，表明換熱器在制造過(guò)程中未發(fā)生泄漏；通過(guò)金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩板間元素相互擴(kuò)散，焊接接頭成形質(zhì)量好，換熱器的安全性得到了驗(yàn)證。

擴(kuò)散焊接接頭的成形質(zhì)量好，界面裂紋、不完全結(jié)合、孔隙等焊接缺陷少，接頭顯微組織未出現(xiàn)不連續(xù)性，不同區(qū)域的力學(xué)性能和顯微組織與基體差異小，該技術(shù)可以作為高精度和復(fù)雜形狀部件的連接制備工藝。

4. 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)軍用、航空領(lǐng)域的設(shè)備向小型化、多功能集成化方向的不斷發(fā)展，優(yōu)化傳統(tǒng)熱管理方案、制備更加精細(xì)復(fù)雜的熱管理部件顯得尤為重要。微通道熱管理部件因具有緊湊的結(jié)構(gòu)、高傳熱效率以及較高的比表面積，能夠很好地解決高度集成電路等的熱管理問(wèn)題，特別適合于對(duì)換熱或散熱部件結(jié)構(gòu)和尺寸有特殊要求的系統(tǒng)。然而，其復(fù)雜、細(xì)微、封閉的內(nèi)通道結(jié)構(gòu)難以采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工和材料成型技術(shù)制備。與粉末床熔化等增材制造技術(shù)相比，疊層增材制造技術(shù)具有零件結(jié)構(gòu)精度高、強(qiáng)度高以及可實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，適合制備內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，在復(fù)雜微通道熱管理部件制備上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，該技術(shù)仍面臨部分難題，例如：對(duì)于熱管理部件常用的304不銹鋼和6061鋁合金，在光化學(xué)蝕刻過(guò)程中難以對(duì)蝕刻精度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，需根據(jù)具體材料選擇合適的蝕刻劑，并控制蝕刻時(shí)間來(lái)進(jìn)行改善；在擴(kuò)散焊分層實(shí)體制造過(guò)程中，當(dāng)板材厚度只有0.05～1.00 mm時(shí)，界面焊合及變形控制的最核心問(wèn)題是如何保證小變形量下的可靠連接（軸向變形量小于1%），這就需要深入理解和揭示界面形成和結(jié)合機(jī)理，并在此技術(shù)上精確控制焊接溫度和壓力。因此，今后對(duì)于復(fù)雜微通道熱管理部件方面的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）開發(fā)復(fù)雜外形的微通道換熱器制備技術(shù)，以適應(yīng)航空航天領(lǐng)域?qū)?fù)雜結(jié)構(gòu)冷卻的發(fā)展需求；（2）開發(fā)綠色加工技術(shù)，包括提高加工效率、減少加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染等；（3）優(yōu)化微通道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提升傳熱效率。

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