大家好！在这个科技飞速发展的时代，电子设备越来越小巧，功能却越来越强大。可这也带来了一个大麻烦，它们在运行时会产生大量热量，如果不能及时散出去，性能就会大打折扣，寿命也会缩短。今天，我们就来一起来了解一种自适应两相热循环系统（AHP）——《Adaptative two-phase thermal circulation system for complex-shaped electronic device cooling》发表于《nature communications》，看看它是如何解决复杂形状电子设备散热难题的！
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一、电子设备散热难题大揭秘
电子设备小型化使热通量密度剧增，热管理至关重要。现有热管理技术，如强制风冷、微通道冷却等受空间限制，而被动热管理技术中的柔性热膜长距离传热衰减大，传统相变传热系统设计自由度低，难以满足复杂形状电子设备的散热需求。
二、AHP闪亮登场
为了攻克这些难题，我们研发出了一种超厉害的自适应热管（AHP）！它就像是电子设备的专属“空调”，能适应各种复杂形状，不受空间限制。AHP利用定制逆向工程和数据驱动的三维热键合技术制造而成。它的结构很独特，由热管外壳和自支撑芯体组成。外壳是两层铝塑膜，利用内层聚丙烯的热塑性，在特定温度下施压就能实现热键合。自支撑芯体则是由三维结构的多层铜网制成，通过化学沉积亲水纳米片增强了毛细管力。这两者相互配合，形成了气液共面的两相循环结构。
AHP的设计自由度超高，有四个“超能力”：法向弯曲、径向弯曲、扭转和横向调整。不管电子设备的表面有多复杂，它都能轻松贴合，建立稳定的三维相变路径。从下图就能很直观地看到它的这些设计自由度，是不是很厉害？而且它的导热性超强，最高能达到11363W/m・K，在实际应用中，完全可以把它当成一种超高导热性的材料，它不仅能散热，还能作为电子设备的内部支撑，甚至可以成为设备外壳或其他结构部件的一部分，真正实现了结构和功能的一体化。
三、AHP的制备秘籍
AHP的制备过程也充满了科技感。没有采用传统的选择性激光熔化（SLM）技术，而是利用数字光处理（DLP）3D打印技术来间接制造复杂形状的AHP。
在设计阶段，以目标电子设备的复杂形状为基础，通过逆向设计策略来确定AHP的三维构型。就拿混合现实（MR）耳机来说，先把目标模型转化为空间点云数据，然后沿着目标的边缘和曲率突变区域规划轨迹，提取关键坐标点。再根据这些点生成三角形网格，构建出3D表面，最后通过拓扑等价映射算法得到铝塑膜的2D平面形状。
到了制造阶段，热键合是个关键环节，它直接影响两相循环系统的密封性能。我们用螺栓提供三维法向压力，柔性碳织物作为内部热源产生焦耳热。通过DLP光聚合3D打印技术制作定制树脂模具，把碳织物和热管组件组装在模具里，在压力和热量的共同作用下，完成复杂形状外壳的热边缘密封。最终制造出的AHP能在复杂的三维构型下高效地进行两相热循环，从热成像图中就能看到，在点热源的作用下，它能让整个环形曲面保持相对均匀的温度分布。还为相机、无人机、灯具等典型的3D复杂电子设备定制了AHP，它们都能完美贴合设备的自由曲面，实现出色的三维散热管理。
四、AHP性能大揭秘
（一）3D形状对两相逆流夹带的影响
AHP的运行极限是衡量它性能的重要指标。热管理论告诉我们，热管有五个关键极限，对于AHP来说，在以水为工作流体的典型工作温度范围内，主要受毛细管极限和夹带极限的限制。毛细管极限就像是水管里的水因为压力不够流不动了，当两相循环中的压力降超过芯体提供的毛细管力时，工作流体就没法快速循环回去，蒸发器就会“干渴”。夹带极限则发生在气液界面，当气液逆流速度过快，蒸汽就会把工作液体卷回冷凝器，影响散热效果。
为了研究3D段对AHP性能的影响，进行了理论计算和实验测试。从理论计算结果可以看出，AHP在不同功率下的运行情况。实验中，以热管的法向弯曲状态作为基本的3D构型，通过在不同弯曲角度下测试AHP的性能，发现增加法向弯曲角度能提高AHP的运行极限。比如，当加热功率达到一定程度时，没有3D段的AHP温度会迅速上升，达到运行极限；而引入90°弯曲角度的3D段后，AHP的传热极限明显提高，180°时提升得更多。这表明3D构型能有效缓解夹带极限的发生，不同弯曲角度下AHP的运行性能对比就能看得很清楚。
还通过理论公式进一步探究了3D构型缓解夹带限制的机制。通过计算不同输入功率下的夹带极限，发现随着功率增加，蒸汽的无量纲动量通量变化最为明显，这说明蒸汽速度的变化对夹带效应影响很大。由于在微尺度下直接测量热管内蒸汽流速很困难，通过测量热响应时间来间接评估不同3D构型下的蒸汽速度，并修正了夹带极限标准。结果发现，随着弯曲角度增加，蒸汽通过3D段的热响应时间明显延长，这主要是因为弯曲段改变了蒸汽的流动压力降，而对液体压力降影响较小。此外，在冷凝器段构建3D段能更有效地缓解夹带现象，但如果在冷凝器段构建3D段位置不当，也会对液体回流产生不利影响，降低AHP的最大功率。
（二）AHP对空间状态变化的鲁棒性
在实际应用中，可穿戴和移动电子设备经常会改变空间状态，这对散热组件的性能是个很大的考验。在两相热循环系统里，空间状态变化会影响重力压降，这就好比水往低处流，重力会影响水的流动，在AHP里，重力也会影响工作流体的循环。为了确保AHP在各种空间状态下都能稳定运行，需要尽量减小重力压降的变化。通过理论计算，确定了AHP在不同加热功率下的毛细管驱动力、蒸汽压力降和液体压力降，找到了最大允许的重力压降。
然后，选择了三种不同的热管构型进行对比测试：直平板热管（2D）、完全变形的3DAHP（full3D）和中间部分3D变形其余部分平坦的AHP（partial3D）。从图3b的理论计算结果可以看出，2D直热管在不同空间状态下的重力压降变化最大，而partial3D和full3D构型的AHP重力压降变化明显更小，分别只有2D直热管的34%和37.5%。
在实际运行性能测试中，我们给2D热管和3DAHP都施加8W的加热功率，然后改变它们的空间状态，记录冷热端的温度变化。结果发现，2D直热管在空间状态变化时，冷热端温度波动很大，严重干扰了气液两相循环；而partial3D和full3D构型的AHP则能保持相对稳定的温度，温度差变化很小。这说明3D构型的AHP对空间状态变化的鲁棒性更强，更适合在实际应用中应对各种复杂的空间变化。
（三）AHP的机械强度
AHP不仅散热性能出色，还具备一定的机械强度。它可以像二维热材料一样，以各种形式集成到电子设备的机械组件中，实现结构和功能的一体化应用。为了验证这一点，对AHP进行了拉伸和弯曲测试，并与商业铜散热板进行对比。
在拉伸测试中，我们设计了哑铃形的拉伸试样，AHP的拉伸强度在30-40MPa之间，和环氧树脂等刚性塑料差不多。虽然和铜（>200MPa）相比还有差距，但对于大多数移动和可穿戴设备的外壳来说，已经足够满足机械要求了。而且，AHP内部的两相循环使其作为设备级应用材料时具有极高的导热性。从拉伸应力-应变曲线可以看出AHP在拉伸过程中的性能变化。
在弯曲性能测试中，我们准备了长方形的AHP和铜板试样，在4W加热功率下进行测试。结果发现，AHP的温度梯度更均匀，而铜板则出现了明显的热积累，温度分布不均匀。从压力-位移曲线可以看出，AHP的弯曲性能虽然比铜板稍弱，但也能满足一定的使用要求。
五、AHP的广泛应用
（一）VR头显中的应用
VR头显作为紧凑和复杂形状设备的代表，在使用过程中会产生大量热量，而且由于其特殊的结构，传统的散热组件很难有效集成。AHP的出现完美解决了这个问题，我们为VR头显定制了专属的AHP。
这款定制的AHP不仅是热管理元件，还能作为头戴组件的一部分。它与模拟芯片接触，将热量沿着三条路径分散，通过面垫和控制面板之间的间隙传递到外部，再沿着头带形成闭环结构，最大限度地增加了散热面积。
还将AHP与商业扁平热管和石墨烯薄膜进行了对比测试。在4W加热功率下，商业扁平热管虽然能实现平面内的均匀温度分布，但受2D形式限制，散热面积有限，热端温度超过100°C；石墨烯薄膜虽然能进行三维散热，但受单相热传导特性限制，温度梯度较大，热端温度达到84.7°C。而定制的AHP结合了两者的优点，实现了全面的三维两相循环冷却，能将温度降低到47.8°C。
在不同冷却条件和输入功率下，AHP的优势更加明显。在3W输入功率时，与2D微热管和石墨烯薄膜相比，AHP能使模拟芯片的平均温度分别降低48.59%和38.62%。而且，AHP的3D构型还能提高传热极限，以100°C为限，2D微热管在4W时芯片温度就会超过100°C，石墨烯薄膜在6W时也会超标，而AHP能将芯片加热功率提高到19W，分别是2D微热管和石墨烯薄膜的4.75倍和3.17倍。
此外，AHP还能为用户的头部提供结构支撑，在用户测试中，即使模拟芯片加热功率达到6W，AHP的最高温度也只有43°C，而商业冷却策略的温度则会超过100°C，存在烫伤风险。
（二）可拉伸两相循环系统
在一些极端环境下，电子设备对散热组件的要求更高。比如航天器发射、汽车行驶时会产生强烈振动，对电子设备影响很大；还有航空航天机械臂的跨轴平面之间的传热需求，也给传统热管技术带来了巨大挑战。
利用AHP的自由形式设计特点，开发了一种螺旋三维形状的可拉伸AHP，专门针对减震器中的弹簧组件。这种设计让热管能像弹簧一样伸展，适应传热平面之间的动态空间关系，确保稳定的热交换。
