來源：Applied Materials Today

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102879

01 背景介紹

隨著電子設備向小型化、高集成度方向快速發展，高性能電子產品、數據中心及超級計算系統等場景的功耗持續攀升，高效散熱已成為保障設備可靠性與運行穩定性的核心挑戰。研究表明，電子芯片工作溫度每升高 1℃，故障率便會增加 4%，凸顯了 thermal 波動對電子設備的顯著影響。

傳統熱管理方案（如相變材料，PCMs）雖因成本低、操作簡便被廣泛應用，但其存在固有缺陷：多數 PCMs的熱導率低于1W/mK，導致熱傳遞效率低下；且僅在相變溫度區間內有效，超出該范圍后散熱能力急劇下降，難以滿足高功率設備的持續散熱需求。

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控熱導率與流體流動，具備動態、靶向散熱的潛力，被視為傳統方案的理想替代材料。然而，磁流體的實際應用受限于三大問題：顆粒沉降與團聚，導致均勻性下降、磁響應性減弱；磁場作用下黏度變化復雜，限制流體流動性；長期穩定性不足，影響散熱效果的持續性。

為此，需開發兼具磁流體動態調控優勢與長期穩定性的新型材料，以突破現有熱管理技術的瓶頸，滿足下一代高性能電子設備的散熱需求。

02 成果掠影

近日，寧波諾丁漢大學任勇教授、王靜與中國科學院寧波材料所程昱川研究員等人合作，開發了一種基于針式微流控技術的高導熱鐵磁流體微膠囊（OMF-HDDA）。研究通過基于針頭的雙乳液微流控技術，成功制備了以油基磁流體（OMF）為核心、己二醇二丙烯酸酯（HDDA）為殼層的高導熱磁流體微膠囊（OMF-HDDA），并系統驗證了其在熱管理領域的應用潛力，主要成果如下：

2.1 微膠囊的制備與特性

精準調控：利用微流控技術實現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（CV）低于 5%，確保了性能的均一性。

結構優勢：HDDA 殼層有效解決了傳統磁流體的顆粒沉降與團聚問題，同時保留了磁響應性。通過調節內相、中間相和外相的流速，可靈活調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鍵因素。

2.2 核心性能表現

熱學性能：在 300 mT 磁場下，微膠囊的熱導率達到 1.232 W/mK，顯著優于傳統相變材料；其熱性能受尺寸、溫度和磁場強度影響，較大尺寸的微膠囊因界面熱阻降低而表現更優，且在寬溫區（0–150℃）內穩定性良好。

力學性能：在 300 mT 直流磁場下，微膠囊的剛度提升至約 1 MPa，較無磁場條件提高近 1000 倍，展現出磁控可調的機械特性。

磁響應與能量轉換：微膠囊具有超順磁性，在交變磁場下可通過光熱效應實現能量轉換（溫度升至約 40℃），驗證了其能量調控潛力。

實驗與模擬結果顯示，OMF-HDDA 微膠囊在芯片冷卻中較傳統冷卻液（如水）的散熱效率提升 36.86%，且磁場強度越高，冷卻效果越顯著。穩定性與可靠性：經過 100 次熱循環后，微膠囊的質量損失低于 1%，泄漏率極低；不確定性分析表明各項性能測試的相對誤差均在 5% 以內，驗證了結果的可靠性。該研究通過微流控封裝策略，將磁流體的動態熱調控能力與殼層的穩定性結合，為下一代高性能電子設備的熱管理提供了環保、高效的解決方案。其可規模化制備的特性與可定制的性能，有望推動智能冷卻技術在數據中心、超級計算等領域的應用。研究成果以“Needle based droplet microfluidic synthesis of high thermal conductivity Ferrofluid microcapsules for thermal management”為題發表在《Applied Materials Today》期刊。

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