清華新聞網(wǎng)6月5日電 近日，清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖教授課題組利用激光微納制造方法，制備出具有高光熱蒸發(fā)效率的高效薄液膜蒸發(fā)表面，并進(jìn)一步提出復(fù)合構(gòu)型超薄吸液芯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)目前國(guó)際最薄之一（0.22mm）的智能手機(jī)高效散熱超薄均熱板（VC）的全激光制備。
隨著5G和AI技術(shù)的飛速發(fā)展、芯片制程尺度的減小和計(jì)算性能的提升，終端電子設(shè)備單位面積產(chǎn)生的熱量迅速上升，如何實(shí)現(xiàn)芯片高熱區(qū)域的快速散熱與溫度的有效控制，對(duì)于確保高性能計(jì)算和智能手機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。基于相變?cè)淼母咝崞骷?，均熱板（Vapor Chamber，VC）能夠?qū)狳c(diǎn)處的熱量快速均勻地傳遞出來(lái)，在各個(gè)品牌的手機(jī)中得到了越來(lái)越廣的應(yīng)用。然而，隨著設(shè)備功率密度的提高和手機(jī)超薄化帶來(lái)的內(nèi)部空間的不斷減小，業(yè)內(nèi)對(duì)高性能超薄均熱板（VC）的需求越來(lái)越迫切，而其研發(fā)難度也越來(lái)越大。
均熱板內(nèi)部通過(guò)工質(zhì)蒸發(fā)、輸運(yùn)與冷凝的相變循環(huán)實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞。針對(duì)均熱板內(nèi)部的毛細(xì)蒸發(fā)過(guò)程，鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)利用激光方法在銅片上制備出具有三級(jí)毛細(xì)路徑的超吸液復(fù)合微納結(jié)構(gòu)表面，克服了薄液膜與低流速之間的固有矛盾，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)可控的大面積3D薄液膜蒸發(fā)，大大提高了表面蒸發(fā)效率。該蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)太陽(yáng)光直射下3.33 kg·m-2·h-1的雙面光熱水蒸發(fā)效率，同時(shí)展現(xiàn)了優(yōu)異的電熱蒸發(fā)效率和蒸發(fā)冷卻性能。該蒸發(fā)表面制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單可控、重復(fù)性高、可工程化批量制備，能夠集成到多種能源系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景蒸發(fā)功能，具有廣泛的應(yīng)用潛力。
圖1.激光制備三級(jí)毛細(xì)路徑吸液高效液膜蒸發(fā)復(fù)合微納結(jié)構(gòu)與多場(chǎng)景蒸發(fā)功能
隨著5G智能手機(jī)厚度的不斷減少，均熱板厚度和內(nèi)部空間也不斷壓縮。理論計(jì)算表明，當(dāng)均熱板內(nèi)空腔厚度降低到0.3mm時(shí)，氣液傳輸阻力將顯著增加，超薄均熱板（VC）的傳熱性能極度劣化，因此，制備散熱性能良好的0.3mm均熱板面臨很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)提出了蒸發(fā)區(qū)、輸運(yùn)區(qū)與冷凝區(qū)的分區(qū)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與配合方案，研發(fā)出全激光制備超薄均熱板的新方法，用激光技術(shù)制備出復(fù)合構(gòu)型超薄吸液芯，實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)蒸發(fā)性能與氣液輸運(yùn)效率的同時(shí)最優(yōu)化，在均熱板整體厚度僅0.22mm的情況下實(shí)現(xiàn)了12032 W/(m?K)的高等效熱導(dǎo)率，為0.3mm以下極薄均熱板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與大規(guī)模工程制備提供了全新思路。該團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次運(yùn)用全激光方法制備的0.22mm的極薄均熱板也是目前已知最薄的高效散熱均熱板（VC）之一。
圖2. 激光制備復(fù)合構(gòu)型超薄均熱板
相關(guān)成果以“通過(guò)三級(jí)超吸液路徑形成連續(xù)3D薄膜以促進(jìn)水分蒸發(fā)”（Boosting water evaporation via continuous formation of 3D thin film through triple-level super-wicking routes）和“激光微納制備復(fù)合構(gòu)型極薄均熱板用于高效散熱”（Laser microstructuring of extremely-thin vapor chamber with hybrid configuration for excellent heat dissipation）為題，近日分別發(fā)表在國(guó)際重要期刊《材料視野》（Materials Horizons）和《能源轉(zhuǎn)換與管理》（Energy Conversion and Management）上。
清華大學(xué)材料學(xué)院2019級(jí)博士生江國(guó)琛為兩篇論文的第一作者，材料學(xué)院鐘敏霖教授為兩篇論文的通訊作者，范培迅助理研究員為發(fā)表在《材料視野》上論文的第二通訊作者，論文共同作者還包括張紅軍高工、博士后田澤，博士研究生陳昶昊、胡昕宇、王立眾、彭睿和李代洲等。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D3MH00548H
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117214
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
