电子设备的微型化、高集成化和高频化对高效散热技术提出了挑战,环路热管作为一种高效被动式相变传热装置在电子冷却领域展现出良好的应用潜力,但目前环路热管的应用还局限于航空航天领域,适用于地面电子设备散热的环路热管装置尚处于进一步完善阶段,小型化、抗重力化、高散热能力以及运行可靠性等都是环路热管所亟待解决的问题。其中,毛细芯作为蒸发/沸腾的场所和循环动力的来源,其结构设计的好坏直接关系到环路热管性能的优劣。本论文提出构建多尺度结构解决相变传热过程的各种冲突,如毛细压力和蒸汽溢出阻力、毛细压力和粘性阻力等,以强化蒸发、提升环路热管的传热性能。从多尺度结构的制备入手,研究了多尺度特征对毛细芯的热物性、润湿性以及毛细性能的影响;结合环路热管的循环特性,设计了新型的多尺度复合毛细芯环路热管,探索了多尺度结构强化传热的机理;进一步地,对毛细结构进行优化,得到了不同结构及外部参数对环路热管传热性能的影响规律,极大提升了环路热管的传热性能。主要研究工作包括以下几个方面:(1)多尺度结构简易制备:采用简单的松装固相烧结技术,探索了纳米和微米多孔结构的制备方法。研究了制备参数,如颗粒形状和尺寸、造孔剂添加量等对烧结结构的影响。由于纳米铜粉松装烧结技术的研究有限,重点对纳米金属粉末的烧结工艺进行了实验研究,在烧结温度600℃、升温速率4.8℃/min、保温时间30 min的烧结工艺下获得了适于环路热管毛细芯的多孔结构。进一步地,为提高毛细压力,利用热氧化和化学氧化技术对烧结多孔结构进行纳米修饰,从而获得了两类多尺度结构:一类是结构体内含有纳米孔隙和微米孔洞,且表面还存在纳米微结构;另一类是结构体内的两种孔穴尺度分别为几个微米和上百微米,表面同样存在纳米微结构。并对多尺度结构的微观形貌以及物性参数等进行了表征,明确了不同尺度特征对各物性参数的影响规律。这种多尺度结构制备方法和思路不仅适用于环路热管毛细芯,也为强化传热表面的设计提供参考。(2)多尺度结构界面现象研究:利用液滴沉积实验研究了液滴在多尺度结构表面的动态润湿过程,发现了两类小液滴发射现象,在多孔表面尚未发现相关报道,并表明扩散、渗透以及毛细波之间的竞争是小液滴发射的主导作用机制。识别了三相接触线的早期惯性移动规律(Dt/D0=C(t/η)α),并得到了不同尺度特征对惯性扩散及渗透的影响规律。实验还表明表面粗糙度能够增强润湿性,强化流体扩散,但多孔结构的润湿性表现在扩散和渗透两个方面。对于纳米孔隙结构,提高表面粗糙度会带来渗透能力的严重下降;而微米孔隙结构,粗糙度对渗透性能的影响不大。这些结论为环路热管毛细芯的设计提供了指导。毛细爬升同样是界面现象的一种,本文利用红外技术研究制备参数对毛细爬升性能的影响,并表明微米孔隙结构具有更好的毛细爬升能力,且颗粒直径与造孔剂之间存在最佳匹配关系。(3)多尺度复合毛细芯在环路热管中的应用:结合环路热管的具体特点和上述研究得到的规律,创新蒸发器和毛细芯结构设计,取消传统平板环路热管中机械加工的微通道,将调制结构毛细芯应用于小型平板式环路热管,整个毛细芯具有多尺度特征:小孔(~μm尺度)、大孔(~100μm尺度)、大蒸汽通道(~mm尺度)。在环路热管的最不利运行角度,即反重力方向下与常规结构环路热管进行了传热性能对比实验,结果表明在同等输入功率下,新型环路热管(MBE)比传统环路热管(MWE)的温度降低20℃以上,且热流密度提高约3倍。并探明了多尺度复合毛细芯强化环路热管传热的机理:大小不同的孔隙尺度有效解决毛细压力与蒸汽溢出阻力、流动阻力之间的冲突;取消机械加工的微通道,蒸发可直接发生于底板表面的毛细芯内,缩短了热传递路径;蒸发主要发生于近壁面侧的首层毛细芯内,而第二层毛细芯主要起流体供应的作用,汽液界面远离补偿腔,有利于热流密度提高和热泄露的拟制;复合结构毛细芯有效解决了强化蒸发和拟制热泄露对毛细芯导热系数需求不同的冲突。(4)多尺度复合毛细芯环路热管的结构及性能优化:系统开展了环路热管的多参数研究工作,采用不同颗粒直径的铜粉烧结制备了多个不同结构尺寸的毛细芯,并研究了结构及外部参数等对环路热管瞬态和稳态传热性能的影响。实验表明,蒸汽槽道的脊背宽度w、槽道宽度p及高度h之间同样存在协同性关系,槽道过宽则使蒸发面积减小,反之则增大蒸汽溢出阻力。本文的研究中,最佳的匹配为h=1.5 mm,p=1.5 mm,w=3 mm。实验还识别了新型环路热管的主导传热机制,即低热流密度下为核态沸腾传热,而高热流密度下为薄液膜蒸发传热。此外,充液率、颗粒直径、运行角度都对环路热管的启动及稳态性能有重要影响。本文的最佳优化工况下,环路热管在反重力方向运行时,热流密度可达40 W/cm2,此时蒸发器壁面中心温度T_c仅为63℃,热阻为0.12 K/W。与近年的相关文献报道相比,传热能力提高了约2-6.7倍。