來源：Applied Materials Today
鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102879
01 背景介紹
隨著電子設(shè)備向小型化、高集成度方向快速發(fā)展，高性能電子產(chǎn)品、數(shù)據(jù)中心及超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)等場景的功耗持續(xù)攀升，高效散熱已成為保障設(shè)備可靠性與運(yùn)行穩(wěn)定性的核心挑戰(zhàn)。研究表明，電子芯片工作溫度每升高 1℃，故障率便會(huì)增加 4%，凸顯了 thermal 波動(dòng)對電子設(shè)備的顯著影響。
傳統(tǒng)熱管理方案（如相變材料，PCMs）雖因成本低、操作簡便被廣泛應(yīng)用，但其存在固有缺陷：多數(shù) PCMs的熱導(dǎo)率低于1W/mK，導(dǎo)致熱傳遞效率低下；且僅在相變溫度區(qū)間內(nèi)有效，超出該范圍后散熱能力急劇下降，難以滿足高功率設(shè)備的持續(xù)散熱需求。
磁流體作為一種智能材料，由磁性納米顆粒（如鐵、鎳、鈷）分散于載液中形成，在外部磁場作用下可通過納米顆粒的鏈狀排列調(diào)控?zé)釋?dǎo)率與流體流動(dòng)，具備動(dòng)態(tài)、靶向散熱的潛力，被視為傳統(tǒng)方案的理想替代材料。然而，磁流體的實(shí)際應(yīng)用受限于三大問題：顆粒沉降與團(tuán)聚，導(dǎo)致均勻性下降、磁響應(yīng)性減弱；磁場作用下黏度變化復(fù)雜，限制流體流動(dòng)性；長期穩(wěn)定性不足，影響散熱效果的持續(xù)性。
為此，需開發(fā)兼具磁流體動(dòng)態(tài)調(diào)控優(yōu)勢與長期穩(wěn)定性的新型材料，以突破現(xiàn)有熱管理技術(shù)的瓶頸，滿足下一代高性能電子設(shè)備的散熱需求。
2.1 微膠囊的制備與特性
精準(zhǔn)調(diào)控：利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微膠囊尺寸的精確控制，平均直徑為 406.87 μm，尺寸變異系數(shù)（CV）低于 5%，確保了性能的均一性。
結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：HDDA 殼層有效解決了傳統(tǒng)磁流體的顆粒沉降與團(tuán)聚問題，同時(shí)保留了磁響應(yīng)性。通過調(diào)節(jié)內(nèi)相、中間相和外相的流速，可靈活調(diào)控微膠囊的核殼尺寸與殼層厚度，其中中間相流速是影響殼層厚度的關(guān)鍵因素。
2.2 核心性能表現(xiàn)
熱學(xué)性能：在 300 mT 磁場下，微膠囊的熱導(dǎo)率達(dá)到 1.232 W/mK，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)相變材料；其熱性能受尺寸、溫度和磁場強(qiáng)度影響，較大尺寸的微膠囊因界面熱阻降低而表現(xiàn)更優(yōu)，且在寬溫區(qū)（0–150℃）內(nèi)穩(wěn)定性良好。
實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果顯示，OMF-HDDA 微膠囊在芯片冷卻中較傳統(tǒng)冷卻液（如水）的散熱效率提升 36.86%，且磁場強(qiáng)度越高，冷卻效果越顯著。穩(wěn)定性與可靠性：經(jīng)過 100 次熱循環(huán)后，微膠囊的質(zhì)量損失低于 1%，泄漏率極低；不確定性分析表明各項(xiàng)性能測試的相對誤差均在 5% 以內(nèi)，驗(yàn)證了結(jié)果的可靠性。該研究通過微流控封裝策略，將磁流體的動(dòng)態(tài)熱調(diào)控能力與殼層的穩(wěn)定性結(jié)合，為下一代高性能電子設(shè)備的熱管理提供了環(huán)保、高效的解決方案。其可規(guī)?；苽涞奶匦耘c可定制的性能，有望推動(dòng)智能冷卻技術(shù)在數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用。研究成果以“Needle based droplet microfluidic synthesis of high thermal conductivity Ferrofluid microcapsules for thermal management”為題發(fā)表在《Applied Materials Today》期刊。
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