熱管理正成為先進(jìn)電子器件高效運(yùn)行的瓶頸。北京大學(xué)講席教授楊榮貴與其在華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院的團(tuán)隊(duì)制備出一種可大規(guī)模生產(chǎn)的多級(jí)有序穿孔結(jié)構(gòu)銅網(wǎng)，其散熱能力優(yōu)于所有已報(bào)道方案。相關(guān)論文于5月15日刊發(fā)于《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》上。
面對(duì)一個(gè)發(fā)燙物體時(shí)，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(jī)制——毛細(xì)蒸發(fā)和池沸騰。“智能手機(jī)等產(chǎn)品用的是毛細(xì)蒸發(fā)方案，用封裝液體的均溫板進(jìn)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。”5月19日，楊榮貴在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹。
毛細(xì)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(dāng)表面功率過高時(shí)，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(xì)液膜中引入有效的汽泡核化位點(diǎn)。在液膜沸騰過程中，液體通過毛細(xì)抽吸作用自發(fā)輸運(yùn)至需要散熱的高溫表面，氣泡則在毛細(xì)液膜內(nèi)部成核并生長。
此次，團(tuán)隊(duì)又創(chuàng)新性提出了多級(jí)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(shí)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(kuò)散鍵合將多層銅網(wǎng)與銅基板牢固結(jié)合；最后利用化學(xué)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(qiáng)了毛細(xì)輸運(yùn)能力；高密度微孔穴作為氣泡成核位點(diǎn)，促進(jìn)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(shí)驗(yàn)表明，HOP銅網(wǎng)性能超越現(xiàn)有液膜沸騰與毛細(xì)蒸發(fā)文獻(xiàn)中的報(bào)道值，HOP表面在5×5平方毫米的加熱區(qū)域上實(shí)現(xiàn)了高達(dá)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(dòng)式熱管理散熱紀(jì)錄。
“這個(gè)結(jié)構(gòu)聽起來很簡單，但背后是我們對(duì)相變傳熱多年的研究積累。”研究了二十余年熱管理的楊榮貴說。
團(tuán)隊(duì)制備的這種銅網(wǎng)在電商平臺(tái)就能買到，所需工藝也是已經(jīng)大量用于規(guī)模化制造的激光穿孔技術(shù)。“它制備難度低，成本低，具有極大工業(yè)化潛力。”楊榮貴強(qiáng)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。”
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