来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202524703

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背景介绍

随着 AI、自动驾驶技术发展，芯片面积和功率密度持续提升，典型如 NVIDIA 5090D 显卡核心面积 750 mm²，峰值功耗 575 W，热通量达 76.7 W/cm²，接近传统散热器散热极限。传统方案局限：单相冷却传热效率低，无法满足高热通量需求；常规两相冷却易在加热面形成蒸汽膜（热阻大），微通道结构导致高压降、功耗高，气泡脱离困难。

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成果掠影

近日，哈尔滨工业大学帅永教授、王兆龙教授团队开发了一种基于3D 打印（PμSL 技术）的 Janus 微通道散热器，其核心创新是集成不对称润湿性（亲水底面 + 超疏水顶面），通过拉普拉斯压力差实现毫秒级气泡定向传输，有效抑制蒸汽膜形成并保障冷却液持续补给。该散热器的临界热流密度（CHF）达 105 W/cm²，较传统微通道散热器提升 125%，沸腾传热系数（HTC）约 6500 W/(m²・K)，且冷却功耗降低 68%（仅 3.2 W）。应用于商用 CPU 时，可在满负载下维持 3.19 GHz 最高主频无热节流，计算性能和游戏帧率翻倍，为高功率电子设备（数据中心、电动汽车等）提供了可扩展的高效热管理方案。研究成果“Bioinspired Janus Microfluidic Heat Sink for Ultra-Efficient CPU Cooling via Millisecond-Scale Bubble Transport”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1.仿生微通道用于芯片的高效两相沸腾传热，具有优异的散热性能。a）纳米布沙漠甲虫表面的结构使其能够在高温沙漠中生存。b）一种独特类型的活性气体仿生微通道-微通道上方的Janus膜表面具有亲水性，CA为151°。c）仿生微通道散热器与传统散热器散热效果的比较。

图2.高效两相沸腾仿生Janus微通道热沉的制造与表征a）基于3D打印技术的仿生热沉制造工艺流程图 b）利用掩膜法制作化学镀电极示意图沿着电极表面的SEM图像。c）横截面SEM图像和相应的元素映射。d）化学镀镍样品的电阻和电导率的时间依赖性曲线图e）润湿梯度使栅极呈现二极管特性，其中气泡只能从亲水侧单向渗透到超疏水侧。f）高效气体-通过具有Janus特性的微通道实现液体分离。

图3.不同工况下沸腾气泡吸附过程动力学分析a）Janus特性仿生微通道内沸腾气泡生长过程受力分析b）Janus特性微通道内沸腾气泡吸附过程受力分析c）未经超疏水处理的微通道热沉沸腾劣化过程d）吸附气泡在不同微通道高度处的直径和附着时间e）超疏水处理后的热沉沸腾气泡在此过程中吸附在上表面直至脱离f）仿生Janus微通道热沉高效沸腾传热循环过程。

图4.仿生Janus微通道中气泡沸腾过程的模拟a）具有超疏水顶部、亲水侧和网格底部的微通道中沸腾过程的模拟b）具有相同润湿性的微通道中沸腾过程的模拟网格顶部、侧和底部c）具有亲水顶部、超疏水侧、和网格的超疏水底部。d）在具有不同孔径与微通道高度比的微通道中流动沸腾期间气泡生长动力学的模拟。e）在具有不同单元尺寸与间隙比的微通道中流动沸腾期间气泡吸附动力学的模拟。

图5.不同尺寸的微通道对沸腾换热效率的影响a）Janus微通道热沉工作原理示意图b）Janus微通道热沉基本结构c）不同网格形状对Janus微通道热沉散热性能的影响d）矩形网格尺寸对Janus微通道热沉散热性能的影响。e）微通道高度对Janus微通道热沉散热性能的影响。f）Janus微通道热沉的长期稳定性测试。g）仿生Janus微通道热沉与传统热沉沸腾传热性能的比较。

图6.基于仿生Janus微通道热沉的CPU两相沸腾散热设计与测试。a）多通道两相沸腾热沉系统。B）多通道两相沸腾Janus微通道热沉示意图。c）常规两相沸腾传热系统表现出气泡从基板表面的低效分离。d）Janus微通道热沉的两相沸腾传热系统。特征微通道热沉快速捕获铜衬底表面上的气泡并将其聚集在上界面，e）压力测试软件中具有Janus特性的多通道两相沸腾热沉的CPU参数。f）两种类型多通道两相沸腾散热器的CPU频率曲线和沸腾气泡吸附过程g）两种类型散热器在不同生产力软件中的相对性能得分h）两种类型散热器在不同游戏中的帧率性能i）具有仿生Janus微通道散热器的CPU的循环测试。