第一作者：Kai Wu,
Zhengli Dou, Shibo Deng
通讯作者：Kai Wu，Qiang Fu，Guihua Yu
通讯单位：四川大学，美国得克萨斯大学奥斯汀分校
DOI：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01793-0
在高功率水平下运行的电子系统和设备需要复杂的散热解决方案。尽管在理想条件下，具有高热导率的材料在纳米和微米尺度界面上展现出卓越的热传输能力，但在现实世界应用中典型的复杂热界面上，它们的表现往往比预期低几个数量级。本研究引入了由镓铟锡合金和氮化铝组成的机械化学介导的胶体液态金属，以弥合实践与理论之间的差距。这些胶体在实际热界面中的热阻为0.42到0.86 mm² K W⁻¹，其性能比领先的导热材料高出一个数量级以上。这一卓越表现归因于梯度异质界面，该界面能够高效地在液-固界面上进行热传输，并且显著的胶体触变性也起到了关键作用。在实际应用的设备中，实验结果表明，当结合微通道冷却时，它们能够从16 cm²的热源提取2760 W的热量，并可以将泵电消耗减少65%。这项在热界面技术上的进步为千瓦级别设备的高效、可持续冷却提供了有前景的解决方案。1.在21世纪，有效管理电子系统和设备的热条件已成为一个至关重要的挑战，涵盖从冷却高度集成的电子设备到提升雷达和激光系统中的热性能的关键应用。在能源密集型数据中心的散热问题上尤为紧迫，据估计，从2015年到2021年，这些中心每年消耗了惊人的200太瓦时电力。与服务器类似的电子系统冷却基础设施的相关能耗，极大地贡献了全球总体碳排放量。针对这些热挑战，近几十年来，研究界进行了大量努力，专注于推进包括空气强制对流、喷雾冷却、射流冲击和微通道冷却在内的冷却技术。将这些主动技术与微型热源结合，已展示出能够提取超过1 kW cm⁻²的高吞吐量热通量，总功率达到数百瓦（图1a）。这一理论冷却潜力符合尖端功率电子（图1a）的功率密度要求，如宽带隙碳化硅和氮化镓。然而，实际应用受到热源与冷却汇之间串联连接的固有热阻的限制，特别是在扩展到适应具有复杂热界面的大型能源密集型系统时。这种扩展问题需要高泵送功率和精心设计的包装设计，覆盖远超过几平方厘米的界面区域。鉴于这一挑战，迫切需要创新的材料和冷却技术，提供高效且可持续的解决方案。2.本研究揭示了一种具有梯度异质界面和独特的液-固互锁结构（图1b）的胶体液态金属（LM），为解决性能权衡的挑战提供了一种稳健的解决方案。在合成这些胶体液态金属的过程中，将离散的AlN颗粒（图1c）通过剧烈的机械化学过程掺入到Galinstan液态金属基体中。强大的力量推动液态金属渗透进AlN的晶格中，通过协调液态金属中金属原子的未占据轨道与AlN中氮原子的孤对电子，建立了有效的液态金属-AlN相互作用。1.如图1b以及能谱仪（EDS）线扫描（如图2a,b）所示，这种机械化学过程产生了一个梯度的AlN-液态金属界面，而不是一个尖锐的界限。预计这种配置将建立一个与传统尖锐金属-电介质界面不同的液-固相互作用平台，有效地桥接界面空气空隙并增强界面结合强度，从而促进胶体液态金属内的纳米级热传导。此外，离散陶瓷上稳定的液态金属涂层预计会在胶体液态金属被压缩时润滑接触颗粒，减少颗粒运动的摩擦阻力。这些特性似乎保护了胶体液态金属，使其不必在热导率和触变性之间做出妥协。2.先前的研究表明，固-液界面处的热阻随着固体与液体原子之间的界面结合强度的增加而单调减小。在图2c和2d中，利用电子能量损失谱（EELS）原位检测了液态金属（LM）与AlN之间的相互作用。在梯度界面内，能量损失谱中在402 eV处出现了一个显著的峰值，这对应于氮1s核心电子能级向空π和σ反键态的转变。与原始AlN中的氮K边缘能量损失相比，这个峰值明显增强。这表明AlN中的氮原子与液态金属中的金属原子之间形成了非共价配位作用，影响了电子密度和电子跃迁的概率。这一EELS观察结果表明，梯度渗透结构可能允许更多的空间配位相互作用，从而增强液态金属-AlN界面的结合强度，改善异质界面的热传输。3.在图2e和f中，通过分子动力学模拟对纳米尺度的LM/AlN异质结进行了建模，以研究理论界面热传输。在平衡状态下，计算得出AlN-液态金属异质界面与AlN和液态金属块体接触的总热阻为2.28×10−10 m² K W⁻¹。即使假设较大的渗透距离约为50 nm，源自梯度AlN-液态金属界面的界面热阻估计也在10−9 m² K W⁻¹的数量级上。这可能会显著提高胶体液态金属的热导率。1.在实验测试和实际应用中，热界面材料（TIMs）通常位于两个固体基板之间，并在特定的封装压力下工作（图3a）。使用原始液态金属（LMs）面临巨大挑战，因为它们具有很高的表面张力，这使得它们难以粘附和适应固体表面。例如，Galinstan液态金属在镀镍铜基板上的初始接触角为136.0°（图3b）。这种润湿性问题导致相当高的热接触电阻（Rc）为1.53 ± 0.026 mm²K/W（图3c），这与理论上的金属-固体预期值有所偏差。2.通过在胶体液态金属中引入机械化学作用，有效地缓解了这一润湿问题，表现为在乳状状态下表面自由能和接触角显著降低（图3b）。在各种金属、无机物和聚合物基板上的胶体液态金属也观察到了类似的润湿特性提升，显示出该方法在广泛应用中的普适性。因此，在40 psi的夹层压力下，乳状状态的胶体表现出与双铜板优异的适应性（图3d），在界面区域没有明显的气隙，并且导致Rc显著降低了22倍（0.066 ± 0.020 mm²K/W）。1.先前的研究在高吞吐量冷却方面取得了实质性进展，主要集中于管理平方厘米或更小尺度上的热源。然而，热管理系统的扩展将受到各种组件之间更为复杂界面的限制，这阻碍了设备的无缝紧凑化，因为在大规模界面区域处理传统高k材料存在困难，从而限制了界面的热传导。在这里，胶体液态金属被应用于一个大规模的高功率设备，特别解决了界面区域遇到的实际热提取挑战。一个典型的系统（图4a）包括一个由铝/钻石复合材料制成的微通道散热器（图4b,c），一个用于实时监测冷却剂参数和热提取的外壳模块，以及一个配备无氧铜块和八个强力加热棒的加热模块（见图4d）。胶体液态金属和其他比较热界面材料直接应用于热源，覆盖了16平方厘米的表面积，而无需复杂的表面修饰（见图4e）。2.微通道散热器与铜块热源之间的直接接触导致了显著的温度上升，即使在应用的热通量仅为50 W/cm²时（图4f）。热界面材料有效地填充了空气间隙，为热传导路径创建了桥梁并高效地耗散热能，这通过红外相机图像得到了证实。一种最先进的导热硅脂（Noctua NT-H2）将操作中的热通量提升至100 W/m²，同时确保这种可扩展设备在100℃以下稳定运行（图4f）。实验中，在界面区域使用胶体液态金属使热源的功率密度值翻倍至200 W/cm²，同时将平均工作温度降至68℃（图4f）。这一增强也反映在节点温度结果和温度分布剖面（图4g）中，显示出在使用胶体液态金属时条件更为均匀且温度显著较低。本研究引入了一类有前景的胶体液态金属（LMs），这些液态金属经过专门设计，旨在同时解决热界面材料（TIMs）中高热导率和最佳触变性的挑战。这些胶体通过梯度结构的异质界面实现协同效应，在压缩时通过充分的固-液相互作用减少接触填料颗粒之间的摩擦，从而实现高效的界面热传输。它们在不同粘结线厚度（BLTs）下表现出低界面热阻，有效地缩小了现有TIMs与理论预测之间的差距，促进了千瓦级实际设备的冷却。这些材料有望在能源密集型条件下激发灵感并找到应用，涵盖高性能电子产品、数据中心、航空航天、雷达探测和人工智能技术等广泛领域。
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