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摘要

本研究提出一種應用於可撓式電子產品之仿生骨骼結構可撓式熱管設計,適用於折疊式手機、折 疊式平板等新世代高彎曲需求裝置。該熱管在結構上可實現超過 90°之彎折能力,同時維持良好之熱傳效能。為解決彎曲區域毛細力衰減問題,本研究利用微波電漿火炬技術製備石墨烯材料,並調製為石墨烯奈米流體導入熱管系統中。藉由降低工作流體與固體界面之接觸角,有效提升毛細驅動能力與最大熱傳輸容量。此外,本研究導入隨機森林人工智慧模型進行參數最佳化分析,建立結構設計與熱傳性能間之關聯模型,以提升整體散熱效率與彎曲穩定性。實驗與模型分析結果顯示,所提出之仿生可撓式熱管具備高彎曲適應性與優異熱傳表現,具高度應用潛力。

Abstract

Flexible electronics, including foldable smartphones and tablets, demand thermal management systems that can sustain large mechanical deformation without compromising heat transfer performance. Here, we present a biomimetic skeletal-structured flexible heat pipe capable of bending beyond 90° while maintaining efficient thermal transport. To mitigate capillary degradation at bending regions, graphene synthesized via a microwave plasma torch process was formulated into graphene-based nanofluids and integrated as the working medium within the heat pipe. The incorporation of graphene nanofluids reduces the liquid–solid interfacial contact angle, thereby enhancing capillary driving force and increasing the maximum heat transfer capacity. Furthermore, a random forest-based artificial intelligence model was employed to optimize key structural and operational parameters, establishing a data-driven correlation between biomimetic architecture and thermal performance. The combined materials innovation and machine-learning-assisted optimization demonstrate a mechanically resilient and thermally efficient flexible heat pipe, offering a scalable thermal solution for next-generation deformable electronic systems.

前言

隨著柔性顯示技術與先進封裝製程的成熟,可彎曲式與可折疊式電子產品正快速成為消費電子市場的重要發展方向。折疊式智慧型手機、可撓式平板電腦以及穿戴式電子裝置,不僅改變了人機互動模式,也大幅提升產品設計之自由度與便攜性。市場分析顯示,柔性電子與可撓式裝置於未來數年間將持續成長,展現高度產業潛力與商業價值。然而,隨著系統小型化與高整合化,單位體積之熱流密度顯著提升,導致電子元件面臨更嚴峻之熱管理挑戰。傳統剛性散熱元件難以承受反覆彎曲或大角度變形,因此,兼具高熱傳效率與機械順應性的可撓式散熱技術,已成為支撐下一世代柔性電子發展的關鍵基礎。

熱管為電子散熱系統中之重要核心元件,其透過工質相變循環實現高效率被動式熱傳輸,不需額外能量輸入,具有節能與低碳排之優勢。Chen等人[1] 指出,小型化熱管為電子裝置中極具潛力之被動式散熱解決方案。近年來,為因應可撓式裝置之需求,學者開始探討具機械可撓性的熱管設計。Tanmay等人 [2] 提出結合金屬波紋管之熱機設計,使熱管具備彎曲能力。Yang等人[3] 仿效人體血管之柔性特徵,利用聚氨酯軟管連接蒸發端與冷凝端,以降低整體熱阻。Huang等人[4] 則受人體脊椎骨節構造啟發,設計具關節連接機制之熱管結構,在維持低熱阻之條件下成功達成超過 90° 之彎曲角度。

然而,在大角度彎曲條件下,熱管內部的毛細回流能力往往因結構變形而衰減,導致等效熱阻上升與最大熱傳輸能力降低。維持彎曲區域之界面潤濕特性與毛細驅動力,成為提升可撓式熱管性能之關鍵因素。奈米流體因其優異之熱傳增強效應而受到廣泛關注。相關研究指出,奈米粒子之導入可改變流體之導熱特性與沸騰行為。Ho等人[5][6] 發現,在水中添加石墨烯可有效提升流體熱傳能力並改善沸騰性能。並且對於接觸角和表面張力的基礎特性,石墨烯影響非常大[7][8]Wu等人[9] 透過大量實驗數據,應用 Lasso與Ridge回歸模型建立奈米流體於熱管中之預測模型。另一方面,Chi[10] 指出熱管之最大熱傳輸能力與工作流體與管壁間接觸角之餘弦值呈正相關,顯示界面潤濕機制對毛細極限具有決定性影響。然而,目前文獻鮮少針對「彎曲狀態下仿生結構熱管」與「奈米流體潤濕特性」之交互影響進行系統性研究,亦缺乏結合數據驅動方法進行結構與熱傳參數整合優化之探討。

基於上述研究缺口,本研究提出一種仿生骨骼結構可撓式熱管設計,並導入微波電漿火炬技術製備之石墨烯奈米流體作為工作介質,以提升彎曲狀態下之毛細驅動能力與熱傳效率。透過量測石墨烯奈米流體之接觸角特性,分析其對界面潤濕行為與最大熱傳輸能力之影響,並比較不同彎曲角度條件下之熱阻變化。此外,本研究進一步導入隨機森林模型進行關鍵參數之最佳化分析,建立結構幾何、潤濕特性與熱傳性能間之關聯模型。藉由材料創新與人工智慧輔助設計之整合,期望為下一世代可撓式電子裝置提供兼具機械順應性與高效能散熱能力之解決方案。

DOI:10.30256/JIM.202606_(519).0007

 

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