熱管理正成為先進電子器件高效運行的瓶頸。北京大學講席教授楊榮貴與其在華中科技大學能源與動力工程學院的團隊制備出一種可大規(guī)模生產(chǎn)的多級有序穿孔結(jié)構(gòu)銅網(wǎng)，其散熱能力優(yōu)于所有已報道方案。相關(guān)論文于5月15日刊發(fā)于《細胞報告物理科學》上。
面對一個發(fā)燙物體時，我們很容易想到的降溫方式，就是在表面噴灑液體，或干脆將它浸沒在液體中。這就是經(jīng)典的兩相散熱機制——毛細蒸發(fā)和池沸騰。“智能手機等產(chǎn)品用的是毛細蒸發(fā)方案，用封裝液體的均溫板進行散熱；智算中心的高性能芯片，很多用的是池沸騰方案，浸沒在液體中?！?月19日，楊榮貴在接受科技日報記者采訪時介紹。
毛細蒸發(fā)方案中，液膜較薄，容易蒸干，傳熱極限較低。池沸騰方案中，液體在高溫表面產(chǎn)生汽泡，汽泡浮升帶走熱量。但當表面功率過高時，汽泡大量產(chǎn)生后又被液體壓住，形成一層覆蓋發(fā)熱面的氣體膜，從而影響散熱。
楊榮貴此前在世界上首次提出了液膜沸騰的概念。他們利用微結(jié)構(gòu)表面在毛細液膜中引入有效的汽泡核化位點。在液膜沸騰過程中，液體通過毛細抽吸作用自發(fā)輸運至需要散熱的高溫表面，氣泡則在毛細液膜內(nèi)部成核并生長。
此次，團隊又創(chuàng)新性提出了多級有序穿孔（HOP）結(jié)構(gòu)。論文第一作者李鵬堃介紹，他們通過三步簡易工藝實現(xiàn)高效液膜沸騰。先在銅網(wǎng)上制備穿孔陣列；再通過熱擴散鍵合將多層銅網(wǎng)與銅基板牢固結(jié)合；最后利用化學蝕刻在銅網(wǎng)銅絲及基板表面構(gòu)建微孔穴結(jié)構(gòu)。銅網(wǎng)層間形成的間隙構(gòu)成低阻力的液體流道，顯著增強了毛細輸運能力；高密度微孔穴作為氣泡成核位點，促進了沸騰起始；激光穿孔則引導(dǎo)氣泡沿定向脫離，讓其快速離開不滯留。
這樣的結(jié)構(gòu)可以讓氣泡產(chǎn)生得更快、更多，離開得更果斷。實驗表明，HOP銅網(wǎng)性能超越現(xiàn)有液膜沸騰與毛細蒸發(fā)文獻中的報道值，HOP表面在5×5平方毫米的加熱區(qū)域上實現(xiàn)了高達978.8 kW/m2K的傳熱系數(shù)和693.1 W/cm2的臨界熱通量，創(chuàng)造了新的被動式熱管理散熱紀錄。
“這個結(jié)構(gòu)聽起來很簡單，但背后是我們對相變傳熱多年的研究積累?！毖芯苛硕嗄隉峁芾淼臈顦s貴說。
團隊制備的這種銅網(wǎng)在電商平臺就能買到，所需工藝也是已經(jīng)大量用于規(guī)?；圃斓募す獯┛准夹g(shù)。“它制備難度低，成本低，具有極大工業(yè)化潛力?！睏顦s貴強調(diào)，“HOP為開發(fā)新一代革命性散熱技術(shù)提供了重要支持?！?/span>
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