針對(duì)處理器這類(lèi)局部高熱流密度熱源的散熱需求，設(shè)計(jì)人員可選擇多種被動(dòng)散熱方案，包括熱管、均熱板（與熱管原理相近，但存在關(guān)鍵差異）、散熱器、導(dǎo)熱連接件、均熱片以及蒸發(fā)冷卻技術(shù)。

當(dāng)然，將熱量導(dǎo)出只是散熱難題的一部分 ——“導(dǎo)出” 僅意味著把熱量轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離易受損元件的位置，并未從根本上消除熱量。被動(dòng)散熱方案的優(yōu)勢(shì)在于，能夠適配高熱流元件周邊的狹小空間，且具備極高的可靠性。

如今，加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員研發(fā)出一種新型散熱材料，有望顯著提升被動(dòng)蒸發(fā)冷卻技術(shù)的能效。

新材料帶來(lái)更高的蒸發(fā)冷卻效率

這種冷卻技術(shù)的原理并不新鮮。它被用于生物體，幾千年來(lái)一直被直觀理解和應(yīng)用，自19世紀(jì)以來(lái)在宏觀和微觀層面上被科學(xué)理解和建模;甚至阿爾伯特·愛(ài)因斯坦也在該主題上發(fā)表了多篇基礎(chǔ)性論文（見(jiàn)圖1）。它現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)中，作為唯一的冷卻方式，或作為更大系統(tǒng)的一部分，如空調(diào)和冷卻器。

1. 蒸發(fā)冷卻的基本原理在自然界中已被使用，已有數(shù)千年歷史，熱學(xué)研究已有150多年。它依賴于物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嘁约胺粗畷r(shí)熱容量的變化（該原理同樣適用于固態(tài)，但這不屬于過(guò)渡循環(huán)的一部分）。

（請(qǐng)注意，盡管支持者有這樣的影響，這種冷卻技術(shù)并未減少整體冷卻需求。相反，它能更好地分散熱負(fù)荷。）

為什么需要更好的散熱？如今以人工智能為中心的處理器運(yùn)行異常高溫，這已不是什么新鮮事。目前先進(jìn)CPU和GPU芯片的最大熱通量遠(yuǎn)高于50瓦/厘米。例如，NVIDIA 的 Hopper 在 814 毫米2 芯片（86 W/cm 熱通量）上，用于 AI 應(yīng)用，熱設(shè)計(jì)功耗（TDP）為 700 瓦。

人工智能并非唯一需要大幅本地降溫的，許多其他散熱源的運(yùn)行功率都超過(guò)100瓦/厘米。例如，有高功率LED芯片，功率為100 W/cm，高功率射頻器件在芯片級(jí)輸出超過(guò)1 kW/cm，氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT），每個(gè)柵極區(qū)域的電磁率超過(guò)1 MW/cm，以及具有10 M/cm面光功率密度的泵浦激光器。

UCSD技術(shù)采用了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的纖維膜，通過(guò)蒸發(fā)被動(dòng)帶走熱量。它采用低成本的纖維膜，通過(guò)微小且相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)毛細(xì)作用將冷卻液體輸送到表面。

液體蒸發(fā)時(shí)，它能高效地從下方電子元件中帶走熱量，且無(wú)需額外能量。膜位于電子元件上方的微通道上，吸收流經(jīng)通道的液體，高效散熱（見(jiàn)圖2）。

2. 研究人員對(duì)該原理進(jìn)行了調(diào)整，并在“微”層面進(jìn)行了升級(jí)，以滿足熱點(diǎn)熱傳遞的需求。

許多應(yīng)用已經(jīng)依賴內(nèi)部或外部蒸發(fā)來(lái)冷卻。一些智能手機(jī)，包括三星和蘋(píng)果的設(shè)備，采用了蒸汽室冷卻，這是一種密封外殼的蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)。

蘋(píng)果甚至在一則令人屏息、幾乎快節(jié)奏的一分鐘廣告中大力宣傳其使用，廣告中提到了這一點(diǎn)，并附上文字告訴觀眾一個(gè)簡(jiǎn)短事實(shí)：其17型和17 Pro智能手機(jī)采用“蒸氣冷卻”技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度同時(shí)保持降溫。

液氣相變的巨大潛熱使得與單相冷卻系統(tǒng)相比高效散熱，同時(shí)在利用被動(dòng)毛細(xì)流體時(shí)，提供更好的穩(wěn)定性、無(wú)滯后現(xiàn)象，以及在利用被動(dòng)毛細(xì)流體時(shí)對(duì)泵送功率的需求降低甚至可忽略不計(jì)。與沸騰不同，蒸發(fā)系統(tǒng)在高功率應(yīng)用中提供了更受控、更高效的熱傳遞機(jī)制。

到底發(fā)生了什么？

這種薄膜蒸發(fā)在三相——固體（加熱表面）、液體和蒸汽——匯聚的區(qū)域最為有效。該區(qū)域厚度通常小于1微米，平衡了液體中的低熱阻和足夠的粘附力，從而使液體分子能夠高效蒸發(fā)。

然而，該區(qū)域的長(zhǎng)度極其短，約為100納米，僅占整個(gè)半月板的一部分。因此，實(shí)現(xiàn)高通量蒸發(fā)依賴于多孔結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)提供了顯著更大的表面積，以增強(qiáng)整體蒸發(fā)面積。

至少有兩種機(jī)制導(dǎo)致由單個(gè)納米孔孔組成的納米多孔膜產(chǎn)生的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)熱通量理論極限：動(dòng)力極限和毛細(xì)極限。動(dòng)力極限對(duì)應(yīng)于蒸發(fā)半月板在孔隙中流出的最大蒸氣通量。它主要由液體分子從液-氣界面逸出的速度決定，這個(gè)速度近似為聲速和薄膜蒸發(fā)月面的有效面積，這些面積被多孔結(jié)構(gòu)放大。

毛細(xì)極限對(duì)應(yīng)于最大液體質(zhì)量通量，由納米孔隙內(nèi)粘性阻力與毛細(xì)驅(qū)動(dòng)力之間的平衡決定。它受液體通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸和蒸發(fā)潛熱控制。理論臨界熱通量（CHF）由這兩個(gè)極限中的下限決定。

以往的理論和數(shù)值研究表明，在平均孔徑數(shù)百納米范圍內(nèi)的納米多孔膜中，這些限制可超過(guò)5千瓦/厘米。在這些孔徑下，毛細(xì)壓力可超過(guò)100 kPa，為高效液體輸送和高蒸發(fā)速率提供必要的驅(qū)動(dòng)力。

然而，有效將蒸發(fā)冷卻應(yīng)用于高功率電子設(shè)備存在障礙。此前使用多孔膜的嘗試，因其高表面積適合蒸發(fā)，但由于孔隙過(guò)小容易堵塞或過(guò)大導(dǎo)致不必要的沸騰而未能成功。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的新材料方法

在分析了現(xiàn)有膜性能不理想的原因后，研究人員開(kāi)發(fā)了具有相互連接孔隙的多孔纖維膜。

玻璃纖維膜的平均水壓孔徑范圍為3.2至11.4微米，具有相互連接的孔隙，便于液體和蒸汽向結(jié)構(gòu)內(nèi)各區(qū)域輸送。如果某條通路因污染物或缺陷而阻塞，流體可以通過(guò)其他途徑重新引導(dǎo)，確保少數(shù)堵塞通道不會(huì)導(dǎo)致使用中的CHF降解。

這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效的蒸發(fā)，且沒(méi)有這些缺點(diǎn)。它展示了使用具有三維互聯(lián)孔隙的纖維膜的高效蒸發(fā)器，旨在解決孤立孔膜固有的堵塞和局部熱點(diǎn)問(wèn)題。

該設(shè)計(jì)在0.5平方厘米的加熱面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)800瓦/平方厘米的歷史最高振能（見(jiàn)圖3），在同尺寸的毛細(xì)驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)器中表現(xiàn)最優(yōu)。

3. 研究人員評(píng)估了其纖維膜及其在0.5平方厘米加熱面積內(nèi)的關(guān)鍵熱通量（CHF）性能。

這些膜還展現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定性，能夠在高熱通量下持續(xù)蒸發(fā)薄膜超過(guò)兩小時(shí)。通過(guò)高速成像進(jìn)一步確認(rèn)了纖維膜優(yōu)異的液體擴(kuò)張能力，揭示了橫向和垂直液體擴(kuò)張速度與CHF值之間的明顯相關(guān)性。

除了令人印象深刻的熱性能外，研究人員還認(rèn)為這些纖維膜具有成本效益、可擴(kuò)展制造性，并展現(xiàn)出機(jī)械的柔韌性和強(qiáng)度，這一點(diǎn)通過(guò)機(jī)械特性得到了驗(yàn)證。