陶錦燃，程為錚，張萬里，鄭飛宇，付本威，鄧 濤

(上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

1 前 言

當(dāng)前電子器件向著大功率和高集成度快速發(fā)展，工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，其有效散熱效率已成為影響器件可靠運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。根據(jù)壽命模型進(jìn)行預(yù)測[2]，半導(dǎo)體芯片的壽命會(huì)隨著溫度升高而大幅度降低，每升高10 ℃會(huì)導(dǎo)致器件壽命減少1/2[3]。因此，開發(fā)高效散熱方式、解決大功率、高集成度電子器件的熱控問題變得非常迫切。其中，基于氣液相變的熱管具有高導(dǎo)熱特性，已被認(rèn)為是最有效的傳熱技術(shù)之一[4]。經(jīng)過長期研究和開發(fā)，熱管已成為一種成熟的熱控技術(shù)，與傳統(tǒng)散熱材料(銅、鋁等)相比，熱管具有導(dǎo)熱高、能耗低、傳輸距離長、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、電子電氣等國家重要領(lǐng)域。

在這些領(lǐng)域中，除了要求所使用的器件和設(shè)備能長期服役，其熱控采用的熱管也需要在長周期下高效穩(wěn)定運(yùn)行[6]，而熱管的服役壽命與熱管腐蝕息息相關(guān)。熱管材料與工質(zhì)的相容性問題、熱管內(nèi)氣液相變過程中流體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的破壞等都是造成腐蝕發(fā)生的原因。其中腐蝕的反應(yīng)產(chǎn)物往往會(huì)提高熱管熱阻和降低傳熱效率[7]，腐蝕還會(huì)造成熱管材料表面局部開裂或形成凹坑，導(dǎo)致熱管服役壽命大幅度降低。盡管腐蝕會(huì)影響熱管的壽命，但合適地設(shè)計(jì)腐蝕也可對(duì)傳熱有促進(jìn)作用[8]，比如通過氧化法對(duì)熱管表面進(jìn)行腐蝕處理，可制備潤濕性梯度的表面，提高毛細(xì)芯的驅(qū)動(dòng)力，從而有效提升熱管的傳熱性能[9, 10]；將金屬銅置于大氣環(huán)境中，通過控制溫度梯度制備具有梯度的Cu2O納米結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)潤濕梯度表面，強(qiáng)化冷凝速率[11]；也可采用NaOH溶液對(duì)鋁槽上的毛細(xì)芯進(jìn)行腐蝕，從而提高毛細(xì)芯的潤濕性[12]；還可通過化學(xué)腐蝕法來制備具有潤濕梯度的銅網(wǎng)毛細(xì)芯[13]。因此，在熱管運(yùn)行時(shí)，腐蝕反應(yīng)對(duì)熱管性能的影響具有多重性，需進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)理探索和性能整體評(píng)估。

熱管內(nèi)部存在復(fù)雜的相變傳熱過程，這使得腐蝕產(chǎn)生的原因也錯(cuò)綜復(fù)雜，探究腐蝕機(jī)理對(duì)于制備高性能、長壽命的熱管尤為重要。熱管的運(yùn)行原理如圖1所示：外界熱量由熱管蒸發(fā)端輸入，液態(tài)工質(zhì)吸收熱量，通過相變生成氣態(tài)工質(zhì)，氣態(tài)工質(zhì)在壓力差的驅(qū)動(dòng)下，迅速流動(dòng)至冷凝端，在冷凝端冷凝、對(duì)外放熱，冷凝后的工質(zhì)再經(jīng)由熱管表面的毛細(xì)芯，在毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)下回流到蒸發(fā)端，進(jìn)入下一個(gè)蒸發(fā)-傳遞-冷凝-回流的循環(huán)。從熱管的工作原理中可以發(fā)現(xiàn)，熱管工作時(shí)，既存在流體流動(dòng)的沖刷作用，又存在相變時(shí)氣泡破裂的沖擊作用；同時(shí)還存在溫度、應(yīng)力、工質(zhì)等因素影響熱管材料的腐蝕。

其中，溫度是一個(gè)重要影響因素：溫度的升高與降低會(huì)影響液態(tài)工質(zhì)中溶解氧的濃度、工質(zhì)的粘度、工質(zhì)與管材反應(yīng)活性、反應(yīng)物擴(kuò)散速率、反應(yīng)產(chǎn)物溶解度等[14]，因此管材和工質(zhì)相容性的選擇通常需要考慮溫度的影響。

熱管腐蝕一般分為內(nèi)部腐蝕和外部腐蝕，其中內(nèi)部腐蝕包括流動(dòng)沖擊腐蝕、氣蝕、應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕等，外部腐蝕則因外界的環(huán)境變化而發(fā)生變化。本文詳細(xì)介紹了熱管內(nèi)存在的腐蝕類型及其重要影響因素(工質(zhì)、溫度、氣體等)，探究其相應(yīng)的腐蝕機(jī)理，并闡述了典型的熱管腐蝕實(shí)例。針對(duì)熱管腐蝕研究較少的現(xiàn)狀，提出了研究中存在的問題，并對(duì)該領(lǐng)域以后的發(fā)展方向做出了展望。

2 熱管腐蝕的研究現(xiàn)狀

2.1 工質(zhì)對(duì)熱管腐蝕的影響

工質(zhì)是熱管穩(wěn)定運(yùn)行過程中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)它的選擇應(yīng)進(jìn)行綜合判定，需要考慮與熱管材料的相容性、自身的熱穩(wěn)定性、對(duì)管壁的潤濕性、工作溫度下的熱導(dǎo)率等，其中工質(zhì)與熱管材料的相容性通常是科研人員關(guān)注的要點(diǎn)[15]。對(duì)于銅熱管，Rodbumrung等[6]在對(duì)去離子水和乙醇與銅管的相容性研究中發(fā)現(xiàn)：乙醇比去離子水對(duì)銅的腐蝕更嚴(yán)重，并且水的潛熱與熱導(dǎo)率更好，因此銅熱管適合使用去離子水作為相變工質(zhì)。對(duì)于鋁熱管，由于鋁具有較高的反應(yīng)活性，與水的相容性不好，導(dǎo)致其工質(zhì)的選擇較為困難。一般使用氨等作為鋁管工質(zhì)，但氨的工作溫度范圍相較于水并不理想，因此人們嘗試采用水基流體作為鋁熱管的工質(zhì)[16]。Catton等[17]研制了一種新型的無機(jī)鹽水溶液工質(zhì)用于鋁熱管，其可在-25～200 ℃溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，具有長期的穩(wěn)定性。Stubblebine等[18]發(fā)現(xiàn)在鋁平板熱管中使用無機(jī)鹽水溶液工質(zhì)比水有更好的相容性，且與銅-水熱管的熱阻相差不大，然而該研究采用的最高溫度為100 ℃，因此還需要對(duì)更高溫度下的相容性進(jìn)行研究。不銹鋼熱管一般在高溫環(huán)境下使用，工質(zhì)采用的是鈉和鉀等堿金屬工質(zhì)。盡管鈉與不銹鋼相容性較好，但鈉工質(zhì)都會(huì)包含一定的雜質(zhì)，在制備熱管過程中低含量的氧會(huì)與鈉、鉻反應(yīng)生成三元化合物，導(dǎo)致不銹鋼中Cr的析出，而雜質(zhì)碳也會(huì)導(dǎo)致不銹鋼中碳的選擇性析出[19]，嚴(yán)重影響熱管性能。

常用的工質(zhì)已逐漸滿足不了日益增長的散熱需求，為了使工質(zhì)具有更好的傳熱性能，通常會(huì)向工質(zhì)里添加分散的納米顆粒，形成懸浮液(即納米流體)[20]，從而有效提升熱管的傳熱性能。納米流體會(huì)在彎液面的薄液膜區(qū)形成長程結(jié)構(gòu)，起到分離壓力的作用，分離壓使得納米顆粒在表面沉積，形成多孔涂層，這種涂層既可以增強(qiáng)流體的擴(kuò)散能力，也可以改善表面的潤濕性[21, 22]。同時(shí)，由于納米顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)和微對(duì)流效應(yīng)，納米流體的熱導(dǎo)率也能得到有效的提高[23]。Daghigh等[24]在真空太陽能集熱管中對(duì)CuO、TiO2、碳納米管納米流體的性能進(jìn)行了比較，研究發(fā)現(xiàn)基于碳納米管納米流體的傳熱性能最好。此外，納米流體的顆粒尺寸和體積分?jǐn)?shù)對(duì)其傳熱性能的提高也有影響[23]。Kim等[25]對(duì)氧化石墨烯體積分?jǐn)?shù)為0.01%與0.03%的納米流體在不銹鋼熱管中的性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯含量為0.01%的納米流體的沸騰傳熱效率更高。但目前對(duì)于納米流體的研究多停留在其對(duì)散熱性能的提升，而缺少對(duì)熱管耐蝕性的研究。

2.2 溫度對(duì)熱管腐蝕的影響

溫度是影響材料腐蝕速率的重要因素，其微小的升高就會(huì)促進(jìn)腐蝕速率成倍增加，而熱管的溫度分布存在復(fù)雜變化，因此溫度是影響熱管腐蝕的主要因素之一。根據(jù)應(yīng)用溫度范圍可將熱管分為低溫?zé)峁?-60～100 ℃)、中溫?zé)峁?100～600 ℃)、高溫?zé)峁?>600 ℃)，熱管制備需依據(jù)應(yīng)用溫度選擇合適的材料和工質(zhì)。常用的熱管材料包括銅、鋁、不銹鋼等，其中低、中溫?zé)峁艹Ｊ褂勉~材料，高溫?zé)峁芤话悴捎貌讳P鋼材料，同時(shí)熱管的工質(zhì)則是根據(jù)熱管的工作溫度范圍和熱管材料來進(jìn)行篩選。

高溫下材料腐蝕速率快，因此高溫對(duì)熱管是一種考驗(yàn)，這也一直是高溫?zé)峁苄枰攸c(diǎn)解決的一大難題。熱管通過氣液相變的模式進(jìn)行傳熱，管體會(huì)因流體流動(dòng)而發(fā)生破壞。如圖2所示，流體回流到蒸發(fā)端的過程中，流體沖擊毛細(xì)芯的表面，由于物理作用導(dǎo)致毛細(xì)芯表面發(fā)生破壞，同時(shí)在高溫下非冷凝性氣體(如O2等)進(jìn)入破損處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕加速。Hao等[26]發(fā)現(xiàn)鋁在去離子水的流動(dòng)沖擊下會(huì)發(fā)生腐蝕，并且這種腐蝕在較高溫度下更嚴(yán)重，這表明較高溫度會(huì)導(dǎo)致熱管內(nèi)的流動(dòng)沖擊腐蝕更容易發(fā)生。Toor等[27]研究發(fā)現(xiàn)，API 5L-X65碳鋼表面的流動(dòng)沖刷存在一定的沖擊角時(shí)，金屬表面氧化層的破壞會(huì)更加嚴(yán)重。而熱管兩端的U型幾何形狀會(huì)導(dǎo)致該處流體沖刷情況復(fù)雜，因此在熱管兩端腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重。熱管處于高溫時(shí)，各種類型腐蝕加劇發(fā)生，協(xié)同作用導(dǎo)致腐蝕速率急劇增加。如圖3所示，在蒸發(fā)端由于熱輸入不均勻?qū)е戮植繙囟冗^高，產(chǎn)生熱應(yīng)力，在熱應(yīng)力的作用下，熱管表面出現(xiàn)裂紋，局部材料的氧化膜發(fā)生破裂，氧氣進(jìn)入發(fā)生腐蝕反應(yīng)，生成金屬氧化物，并且基體為不銹鋼或鋁時(shí)，可能會(huì)生成非冷凝性氣體H2。因此，熱管在高溫下可能會(huì)因流動(dòng)沖擊、應(yīng)力等的協(xié)同作用而腐蝕嚴(yán)重，但目前這些方面都缺少研究。

圖2 熱管內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的沖刷腐蝕示意圖

圖3 熱管蒸發(fā)端存在的應(yīng)力腐蝕

當(dāng)熱管熱負(fù)荷增加時(shí)，熱管兩端溫差也會(huì)隨之升高，如圖4所示，大溫差會(huì)導(dǎo)致熱管兩端腐蝕電位差變大，以致發(fā)生電偶腐蝕，嚴(yán)重縮短熱管服役壽命。發(fā)生電偶腐蝕時(shí)，蒸發(fā)端作為腐蝕陽極，冷凝端作為腐蝕陰極，蒸發(fā)端金屬殼體材料失去電子，氧化生成氧化膜；電子從蒸發(fā)端由熱管殼體向冷凝端運(yùn)動(dòng)，在冷凝端氫離子得電子生成氫氣。其次，溫度還會(huì)影響熱管材料的元素在工質(zhì)里的溶解度，研究表明：高溫?zé)峁苤校讳P鋼中的Cr元素在熔融氟化物工質(zhì)中溶解度會(huì)隨溫度的升高而大幅度增加，導(dǎo)致熱管兩端Cr溶解度的差異變大，兩端電位差增加，蒸發(fā)端材料的腐蝕加快[28]。因此，為了克服高溫下工質(zhì)對(duì)熱管材料的腐蝕問題，人們研制出非金屬陶瓷熱管來解決高溫工質(zhì)高腐蝕性和高磨損性的難題[29, 30]。

圖4 熱管蒸發(fā)端和冷凝端的溫度差導(dǎo)致的電偶腐蝕

然而，非金屬陶瓷熱管存在著一些問題，包括陶瓷的焊接、毛細(xì)芯的選擇等，還需要進(jìn)一步研究。

2.3 氣體對(duì)熱管腐蝕的影響

熱管通過氣液相變進(jìn)行高效傳熱，其內(nèi)部存在氣體的對(duì)流，氣體包括可冷凝性氣體與非冷凝性氣體。其中，可冷凝性氣體是液體工質(zhì)由蒸發(fā)端蒸發(fā)而生成，經(jīng)由蒸氣腔流動(dòng)到冷凝端；而非冷凝性氣體一般是在熱管加工、清理、封裝過程中引入的雜質(zhì)氣體，通常是氮?dú)獾?主要來自于空氣)，并且工質(zhì)與熱管材料管壁、毛細(xì)芯材料發(fā)生腐蝕反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生非冷凝性氣體[31]。

如圖5所示，冷凝端的氣泡一般是由非冷凝性氣體形成，而蒸發(fā)端的氣泡是由工質(zhì)吸熱沸騰產(chǎn)生。其中冷凝端氣泡由于蒸發(fā)端流體回流導(dǎo)致的擠壓發(fā)生破裂，而蒸發(fā)端氣泡在生長過程中，觸碰到管壁的薄液面發(fā)生破裂，破裂產(chǎn)生的沖擊力會(huì)作用于材料表面，引起氣蝕。氣蝕嚴(yán)重時(shí)，材料表面會(huì)出現(xiàn)很多小凹坑，造成破碎的小顆粒，長時(shí)間積累會(huì)發(fā)展成大凹坑。氣蝕的影響因素包括流體中的含氣量、材料的粘度、材料表面的性質(zhì)等[32]。氣蝕過程一般是由多種機(jī)制共同作用的，而不是單一機(jī)制控制，主要涉及沖擊波理論、化學(xué)腐蝕理論、電化學(xué)理論、熱作用理論等[33]。Cai等[34]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)徑為1.8 mm的脈動(dòng)熱管持續(xù)工作200余小時(shí)后，在其回收工作液中發(fā)現(xiàn)其中包含一些大小不同的不規(guī)則銅碎屑，并且冷凝端有很多微坑。分析表明：氣液兩相流體在峰值溫差驅(qū)動(dòng)下，導(dǎo)致冷凝端氣泡收縮而形成微射流沖擊，從而破壞熱管表面；通過控制蒸發(fā)端與冷凝端的溫差、工質(zhì)流體的體積分?jǐn)?shù)等可以避免氣蝕。然而，目前對(duì)熱管中的氣蝕現(xiàn)象僅有少數(shù)報(bào)道，缺乏更深入的研究。

圖5 熱管內(nèi)氣蝕：(a)熱管冷凝端的氣蝕示意圖，(b)熱管蒸發(fā)端的氣蝕腐蝕示意圖

非冷凝性氣體也是導(dǎo)致熱管性能下降的重要原因之一。熱管長周期運(yùn)行會(huì)因腐蝕積累一定量的非冷凝性氣體，影響熱管散熱性能[35]。實(shí)驗(yàn)證明：這類氣體會(huì)導(dǎo)致熱管的啟動(dòng)時(shí)間增長，運(yùn)行溫度升高[36]；并且工作熱負(fù)荷越小，運(yùn)行溫度升高越顯著[31]；同時(shí)熱管中吸液芯的毛細(xì)力也會(huì)下降[37]，最終導(dǎo)致熱管傳熱性能降低[38]。探究其機(jī)理發(fā)現(xiàn)：宏觀上，非冷凝氣體會(huì)減小冷凝端的有效長度，減小冷凝面積，提升冷凝熱阻；微觀上，非冷凝性氣體在液體與蒸氣界面上聚集，阻礙了蒸氣擴(kuò)散[39]。因此，對(duì)此類氣體的檢測顯得尤為重要，當(dāng)前采用的檢測手段是沿著熱管冷凝端安裝熱傳感器[40]。

在制備熱管過程中混入少量的非冷凝性氣體也會(huì)對(duì)熱管產(chǎn)生腐蝕。例如，銅熱管充裝甲醇-水混合工質(zhì)時(shí)，銅與純甲醇工質(zhì)不會(huì)發(fā)生反應(yīng)[41]，然而少量的O2會(huì)與工質(zhì)中的水、甲醇結(jié)合形成羧酸，羧酸會(huì)與銅管中的銅離子發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致銅管表面發(fā)生蟻巢腐蝕[42]。

2.4 外部環(huán)境、焊接、新型管材對(duì)熱管腐蝕的影響

熱管從材料制備、熱管封裝到實(shí)際應(yīng)用，整個(gè)過程都會(huì)存在熱管腐蝕，引起腐蝕的因素包括外部環(huán)境、焊接、熱管材料等。

當(dāng)外部環(huán)境處于100～150 ℃的煙氣或腐蝕性較為嚴(yán)峻的情況下，盡管該溫度下銅相較于不銹鋼材質(zhì)傳熱性能更好，但通常仍會(huì)采用耐腐蝕能力更強(qiáng)的不銹鋼熱管[43]。此外，在航天領(lǐng)域中，由于密度相較于散熱性能更加重要，因此常采用質(zhì)量較輕的鋁合金熱管替代銅熱管。

在熱管封裝焊接過程中，熱輸入會(huì)導(dǎo)致材料的組織和相組成發(fā)生改變，而不同的組織或相腐蝕電位有所差異，若不能控制好焊接過程的熱量，使組織或相態(tài)的腐蝕電位差過大，會(huì)產(chǎn)生電偶腐蝕，導(dǎo)致局部區(qū)域嚴(yán)重破壞[44]。同時(shí)環(huán)路熱管由于是不同金屬拼接制備而成，常因金屬之間腐蝕電位差異過大，發(fā)生嚴(yán)重的電偶腐蝕。

隨著電子器件的快速發(fā)展，一些新型的金屬基復(fù)合材料熱管、柔性熱管等也相繼被開發(fā)出來以滿足新的應(yīng)用需求。金屬基復(fù)合材料既具有高熱導(dǎo)、低膨脹等優(yōu)良性能，又具有良好的塑性、易加工等特點(diǎn)，同時(shí)與半導(dǎo)體芯片熱膨脹系數(shù)匹配良好，是當(dāng)前芯片散熱的研究重點(diǎn)[45]。而對(duì)于這種新型金屬基復(fù)合材料熱管，其腐蝕研究還處于萌芽狀態(tài)。賀春林等[46]研究了SiCp/2024Al腐蝕行為發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒會(huì)破壞氧化膜的均勻性與完整性，使得通過陽極氧化法來提高耐蝕性變得困難。而W-Cu合金在水中常因電偶腐蝕造成腐蝕破壞，但腐蝕速率一直沒有明確的報(bào)道[47]。一般金屬柔性熱管是通過在絕熱段使用柔性材料實(shí)現(xiàn)[48]，但彎曲會(huì)導(dǎo)致在絕熱端產(chǎn)生應(yīng)力場，該應(yīng)力場會(huì)與熱管中的其他腐蝕因素產(chǎn)生協(xié)同作用，導(dǎo)致絕熱端易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

除了以上這些，還有很多因素影響熱管腐蝕，包括制備過程中的殘余機(jī)械應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)力腐蝕、工質(zhì)污染導(dǎo)致的微生物腐蝕等，而當(dāng)前對(duì)這些方面的探索較少，因此熱管腐蝕還需進(jìn)一步研究。

3 熱管腐蝕實(shí)例

隨著人們?cè)谔?、極地等極端環(huán)境的探索，對(duì)熱控?zé)峁芊壑芷谝蟾L，因此研究熱管腐蝕已經(jīng)迫在眉睫。熱管腐蝕主要包括管材和毛細(xì)芯的腐蝕等。Rittidech等[49]將銅-水熱管置于運(yùn)行計(jì)算機(jī)內(nèi)分別進(jìn)行500，1000，3000～5000 h的長周期測試，并對(duì)多孔毛細(xì)芯和殼體銅材進(jìn)行SEM和EDX表征(圖6a)，發(fā)現(xiàn)：長時(shí)間運(yùn)行后，多孔結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻腐蝕，工質(zhì)中銅含量提高到6.2×10-8，蒸發(fā)端的銅含量逐漸減小。

Rodbumrung等[6]進(jìn)一步比較研究銅熱管在蒸餾水與乙醇工質(zhì)的腐蝕情況，如圖6b和6c可知，銅-水熱管會(huì)出現(xiàn)腐蝕痕跡，而銅-乙醇熱管產(chǎn)生了腐蝕產(chǎn)物。且通過EDX分析得知，水工質(zhì)中存在銅元素主要是由于水中溶解的氧氣與銅發(fā)生腐蝕反應(yīng)，而乙醇工質(zhì)中的銅是由于乙醇本身與銅發(fā)生腐蝕反應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)乙醇工質(zhì)中含銅量相較于水工質(zhì)中的更高，說明銅熱管在乙醇中的腐蝕比在水中的腐蝕更加嚴(yán)重。

圖6 熱管運(yùn)行時(shí)，銅質(zhì)多孔毛細(xì)芯在去離子水中的腐蝕形貌微觀照片(a)[49]；燒結(jié)銅粉多孔毛細(xì)芯在去離子水和乙醇中運(yùn)行3000 h后的微觀組織照片(b)[6]，在熱管蒸發(fā)端的毛細(xì)芯上的腐蝕反應(yīng)示意圖(c)[6]

Tu等[50]對(duì)比研究了不同合金鋼熱管的腐蝕類型，合金鋼由于成分區(qū)別導(dǎo)致其腐蝕敏感性不同，使得不同合金鋼具有不同的腐蝕類型，如圖7a所示，12CrMoV合金鋼產(chǎn)生的是縫隙腐蝕，裂縫始于缺陷處；15CrMo合金鋼的腐蝕更加均勻、疏松。Cai[34]將毛細(xì)脈動(dòng)銅熱管在除氣蒸餾水中循環(huán)運(yùn)行了4次200余小時(shí)后，將熱管縱向切開，進(jìn)行顯微組織觀察。如圖7b和7c所示，在冷凝端發(fā)現(xiàn)很多直徑為20～300 μm的腐蝕小凹坑，并且回收液中有很多不規(guī)則的金屬碎片，而蒸發(fā)端表面卻很光滑，說明非冷凝性氣體在冷凝端發(fā)生氣蝕，造成了管壁的損傷。

圖7 高溫不銹鋼熱管的均勻腐蝕和縫隙腐蝕(a)[50]；銅熱管回收液中的銅屑(b)[34]，銅熱管蒸發(fā)區(qū)光滑表面和冷凝區(qū)的腐蝕坑(c)[34]

熱管的種類和工質(zhì)繁多，腐蝕類型復(fù)雜。目前，大多是關(guān)于工質(zhì)和材料相容性的研究和報(bào)道，缺少具體服役壽命的預(yù)測。并且當(dāng)前對(duì)于熱管腐蝕的研究僅停留在SEM組織分析上，缺少多途徑的腐蝕表征，腐蝕壽命預(yù)測也是空白，需要投入更多精力，以填補(bǔ)熱控?zé)峁芊蹓勖芯糠矫娴目瞻住?/p>

4 熱管腐蝕防護(hù)

由于熱管工作環(huán)境的多樣性，導(dǎo)致熱管腐蝕的原因錯(cuò)綜復(fù)雜，需根據(jù)其特定的腐蝕類型進(jìn)行防護(hù)。常用的腐蝕防護(hù)措施主要包括：添加緩蝕劑、選用耐蝕材料、表面處理等。對(duì)熱管進(jìn)行腐蝕防護(hù)時(shí)，還需對(duì)其散熱性能進(jìn)行評(píng)估，保證耐腐蝕性能與散熱性能同步提升。

工質(zhì)是影響熱管腐蝕的根本因素，應(yīng)從工質(zhì)本身對(duì)熱管腐蝕進(jìn)行防護(hù)。向工質(zhì)中添加緩蝕劑是從工質(zhì)方向進(jìn)行腐蝕防護(hù)的有效方法，也是腐蝕防護(hù)的第一道防線。緩蝕劑防護(hù)機(jī)理主要為在材料表面成膜(或沉淀)阻礙腐蝕介質(zhì)與材料的接觸，從而達(dá)到延長熱管腐蝕壽命的目的[51]。而在熱管氣液相變的傳熱方式下，緩蝕劑防護(hù)程度可能會(huì)受到影響，同時(shí),緩蝕劑形成的表面層會(huì)改變熱管毛細(xì)芯的潤濕性，從而影響熱管的傳熱性能。因此，向熱管工質(zhì)中添加緩蝕劑的防護(hù)技術(shù)還需進(jìn)一步探索。

熱管常用的材料銅和不銹鋼等在常溫下都是耐蝕性高的材料，但在高溫時(shí)腐蝕速率成倍增加，腐蝕壽命急劇下降，是熱管腐蝕防護(hù)的一大難點(diǎn)。而使用陶瓷材料，例如碳化硅陶瓷，可有效地解決這個(gè)問題。陶瓷材料是一種新型的高溫耐蝕熱管材料，但其仍存在一些問題，包括熱管封裝不便、毛細(xì)芯的選擇等等，因此還需進(jìn)一步探究[52, 53]。

氣蝕是熱管典型的腐蝕類型，采用表面處理技術(shù)可有效解決這個(gè)問題，制備耐腐蝕性和散熱性能優(yōu)良的涂層是研究的關(guān)鍵。Zou等[54]采用等離子體電解氧化和后續(xù)電沉積方法在鋁合金表面制備了具有高附著強(qiáng)度的超疏水Al2O3/ 十六烷酸鈰復(fù)合涂層，同時(shí)提高了其耐腐蝕性能和散熱性能。Hares等[55]使用電泳沉積技術(shù)在銅管表面沉積了氧化石墨烯納米片，提高了銅管的耐蝕性，但缺少散熱性能的表征。除此之外，熱管中的表面涂層也可通過納米流體工質(zhì)的相變而形成。相比于基礎(chǔ)工質(zhì)，納米流體大大提高了比熱，具有優(yōu)良的傳熱性能，并降低了功耗和成本[56-58]，但對(duì)大多數(shù)納米流體研究僅停留在散熱性能上，缺少對(duì)腐蝕防護(hù)性能的表征與探索?？偟膩碚f，表面涂層技術(shù)在熱管中的應(yīng)用還尚未成熟，研發(fā)出滿足熱管工作環(huán)境的涂層可極大地提升熱管耐腐蝕性能，促進(jìn)熱管的發(fā)展。

5 結(jié) 語

本文綜述了熱管腐蝕的形式和主要影響因素(包括氣體、溫度、工質(zhì)等)，探究了相應(yīng)的腐蝕機(jī)理，并闡述了典型的熱管腐蝕實(shí)例。熱管具有熱導(dǎo)率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值。但由于熱管內(nèi)部存在氣體對(duì)流、液體回流、冷熱循環(huán)等過程，多因素協(xié)同作用導(dǎo)致腐蝕速率加快，這是熱管技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵難點(diǎn)，需要進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。目前的熱管腐蝕研究匱乏，腐蝕防護(hù)技術(shù)缺少，在實(shí)際應(yīng)用中面臨著諸多挑戰(zhàn)，未來的研究應(yīng)側(cè)重以下幾個(gè)方面：

(1)熱管腐蝕表征技術(shù)的創(chuàng)新。目前熱管腐蝕研究中，僅通過離子濃度的檢測、表面形貌的SEM觀測、元素的EDS分析等進(jìn)行腐蝕表征，嚴(yán)重缺少對(duì)腐蝕速率和熱管服役周期的預(yù)測手段。因此亟需探索新的熱管腐蝕表征技術(shù)、模型，對(duì)熱管腐蝕速率、服役周期進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，為熱管應(yīng)用提供保障。

(2)加強(qiáng)對(duì)熱管內(nèi)腐蝕機(jī)制的探索。熱管腐蝕并不是由單一機(jī)制決定，而是受多因素共同作用的。但目前熱管腐蝕研究大多停留在表面腐蝕形貌的描述，缺少深入的探究。因此亟需對(duì)熱管腐蝕機(jī)制作進(jìn)一步探討，才能找出有效的防腐方法，延長熱管的服役壽命。

(3)嚴(yán)格控制熱管內(nèi)的非冷凝性氣體。熱管中非冷凝性氣體的存在不僅阻礙了氣液界面中的蒸氣擴(kuò)散，還可能會(huì)形成氣泡，引起氣泡破裂造成的氣蝕，嚴(yán)重影響著熱管性能與壽命。因此，熱管內(nèi)部非冷凝性氣體的含量及溫度等條件對(duì)于熱管性能的影響還需進(jìn)一步探索。

(4)探究熱管溫度及溫差對(duì)腐蝕性能的影響。溫度是影響腐蝕速率的主要因素之一，熱管工作溫度升高會(huì)導(dǎo)致腐蝕速率成倍增加，并且溫度會(huì)與其他影響因素協(xié)同作用，加劇腐蝕的進(jìn)行。同時(shí)，熱管兩端溫差過大，造成各區(qū)域腐蝕傾向不同，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電偶腐蝕。因此，探索熱管溫度及溫度梯度對(duì)熱管腐蝕的影響極其重要，并對(duì)高溫?zé)峁芊蹓勖奶岣呔哂兄卮笥绊憽?/p>

(5)發(fā)展新型工質(zhì)。工質(zhì)的選擇常常需要考慮其自身的穩(wěn)定性、熱導(dǎo)率、與熱管材料的相容性等，其中相容性尤為重要。而導(dǎo)致相容性不好的原因大部分都是腐蝕，腐蝕會(huì)導(dǎo)致熱管性能的下降。提升熱管綜合性能需要尋找新型工質(zhì)，新型工質(zhì)往往是在性能良好工質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良。因此，亟需探索可以延長熱管服役壽命、提高熱管性能的新型工質(zhì)；或利用工質(zhì)腐蝕改善毛細(xì)芯表面潤濕性能，從而促進(jìn)熱管液體回流，在保證相容性情況下提高熱管性能。

(6)探究外部環(huán)境、焊接、新型管材引起的熱管腐蝕問題。外部環(huán)境會(huì)影響熱管材料的選擇，焊接工藝及組織引起的腐蝕問題會(huì)對(duì)熱管壽命產(chǎn)生影響，而對(duì)新型管材的研發(fā)常忽視了腐蝕的問題。因此，熱管腐蝕問題需在制備和實(shí)際應(yīng)用過程中得到考慮。

(7)開發(fā)熱管腐蝕防護(hù)新技術(shù)。腐蝕防護(hù)是腐蝕研究的一大重點(diǎn)，而熱管腐蝕防護(hù)技術(shù)缺少，需借鑒常用的腐蝕防護(hù)技術(shù)進(jìn)行改良，以及探索納米流體新技術(shù)。發(fā)展熱管緩蝕劑技術(shù)、表面處理技術(shù)等是一大趨勢，并且需要注意的是，對(duì)熱管進(jìn)行腐蝕防護(hù)時(shí)，還要保證熱管傳熱性能的穩(wěn)定。