中科院理化所江雷院士、徐哲博士等AFM：硅基液下超疏气界面沸腾气泡动力学调控及其高性能相变冷却应用

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-19 07:50

正文

沸腾传热因其在相变冷却、工业换热和蒸汽发电等诸多领域的应用价值，长期以来都是备受关注的热点课题。研究者已发现固体壁面的微/纳米结构与浸润性质能够提升沸腾传热的临界热流密度（CHF）和热传递系数（HTC），并建立了大量的理论模型或经验公式加以佐证；然而，从微观视角深入理解液下气泡的成核、生长与脱离等沸腾动力学仍存在巨大的挑战。当前主流的可视化手段集中于考察宏观尺度沸腾气泡，而非原生微米级气泡；且往往更加偏重静态参数测量，缺乏对聚并、黏滞等动态相互作用的探究。

为此，中国科学院理化技术研究所江雷团队发展了原位显微高速观测技术用于深度剖析超低表面张力氟化液（HFE7200）在硅基微/纳米表面的沸腾气泡动力学，全面考察了液体浸润铺展、相邻气泡聚并和限域气层黏滞等微观动态过程对沸腾传热性能的调控规律，由此指导固体壁面的结构优化，最终开发出高性能的液体相变冷却散热（LPCC）系统，实现了对商用CPU芯片的原位高效热管理。相关工作以“Manipulating Boiling Bubble Dynamics on Under-Liquid Superaerophobic Silicon Surfaces for High-Performance Phase-Change Cooling”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. 微/纳米结构调控液下气泡动力学的总体研究思路（a）激光消融结合化学刻蚀分别制备微米凹槽/棱台阵列与纳米线结构；（b）调控微米凹槽深度（D）、微米凹槽间距（S）和纳米线长度（L）等关键结构参数；（c）对应液体浸润铺展、相邻气泡聚并和干态气层膨胀等液下气泡动力学行为；（d）协同优化实现沸腾传热过程强化。

【微米凹槽深度调控液体浸润铺展】

采用激光消融方法在单晶硅片表面制备由内部具有丰富纳米褶皱的纵横交错微米凹槽和被其包围的光滑平整微米棱台组成的阵列结构，发现随着微米凹槽深度（D = 0、6.1±0.7、23.1±0.7和52.9±2.0 μm）的增加，氟化液浸润铺展能力增强，其中，深度约为52.9 μm的凹槽结构仅需549.6 ms即可达到0°接触角，致使沸腾传热CHF和HTC大幅提升，分别可达26.0±0.2 W/cm²和1.24±0.01 W/(cm²·K)，表明深微米凹槽及其内部丰富的纳米褶皱形貌有利于促进沸腾过程中的液体再浸润行为，进而提升液-气置换效率。

图2. 微米凹槽深度（D）调控液体浸润铺展（a）激光消融制备纵横交错的硅基微米凹槽/棱台和凹槽内部纳米褶皱形貌；（b）激光功率密度线性调控微米凹槽深度；（c）不同凹槽深度表面氟化液的动态浸润铺展行为；（d）沸腾传热性能测试示意图；（e）不同凹槽深度表面的过热温度-热流密度曲线；（f）不同凹槽深度表面的热流密度-热传递系数曲线。

【微米凹槽间距调控沸腾气泡聚并-脱离】

采用激光消融方法能够制备具有不同间距的双微孔位点，通过对沸腾气泡成核、生长与脱离的原位显微高速观测发现，随着微孔间距（S = 114.8±1.3、362.9±2.2和601.4±2.0 μm）的增加，相邻沸腾气泡分别呈现“聚并-生长”、“聚并-脱离”和“独立生长”三种模式，其中，只有适中间距（S ≈ 362.9 μm）的相邻气泡能够依靠相互聚并的瞬时表面能释放以更小尺寸（525.3±36.6 μm）在更短时间（20.6 ms）内迅速脱离固体壁面，从而获得最大的沸腾传热CHF和与密集间距（S ≈ 114.8 μm）相当的超高HTC。

图3. 微米凹槽间距（S）调控沸腾气泡聚并-脱离（a）双微孔成核位点；（b）线性调控微孔间距；（c）不同间距双微孔表面氟化液沸腾气泡的成核、生长与脱离行为；（d）不同间距的纵横交错微米凹槽/棱台阵列；（e）不同凹槽间距表面的过热温度-热流密度曲线；（f）不同凹槽间距表面的热流密度-热传递系数曲线。

【纳米线长度调控沸腾限域气层黏滞】

结合化学蚀刻，可以在单微孔位点周边或者微米棱台表面选择性均匀生长硅纳米线，而不破坏微孔或微米凹槽内部的纳米褶皱形貌。原位显微高速观测结果表明，随着纳米线长度（L = 1350±35、938±48、501±9和0 nm）的减小，沸腾气泡最终脱离时间（53.8、49.4、43.4和39.0 ms）缩短，液下气泡黏附力（2.1±0.1、1.9±0.1、1.6±0.2和1.1±0.1 μN）逐渐降低；反映了纳米线越短，沸腾气泡脱离越快，长纳米线内部的限域干态气层膨胀反而增加了黏滞阻力，不利于高效液-气相变更新，因此，取消纳米线结构（L ≈ 0 nm）的纵横交错微米凹槽/棱台阵列表面展现出最大的CHF和最高的HTC。

图4. 纳米线长度（L）调控沸腾限域气层黏滞（a）纳米结构内部限域干态气层与液-气相平衡区域示意图；（b）单微孔及其周边可控生长的硅纳米线结构；（c）不同纳米线长度单微孔表面氟化液沸腾气泡的成核、生长与脱离行为，标尺200 μm；（d）纵横交错微米凹槽/棱台阵列表面可控制备的不同长度纳米线；（e）不同纳米线长度表面的过热温度-热流密度曲线；（f）不同纳米线长度表面的热流密度-热传递系数曲线。

【基于沸腾动力学协同优化的高性能相变冷却应用】

综合考虑促进液体浸润铺展、加速气泡聚并-脱离以及抑制限域气层黏滞，提出了崭新的沸腾传热协同优化策略，有别于传统观念更多追求的密集结构，通过构建相对稀疏的微米凹槽（D ≈ 52.9 μm、S ≈ 362.9 μm）/棱台阵列并取消棱台表面的纳米线结构（L ≈ 0 nm），仅保留凹槽内部丰富的纳米褶皱形貌，反而获得了远超当前文献报道水平的CHF和HTC协同增幅，分别高达63.5%和244.4%。基于沸腾传热的协同优化，构建了业内首款针对商用CPU芯片内置硅核原位高效散热的液体相变冷却LPCC系统，提出LPCC氟化液沸点和微/纳米结构的适配原则和优选方案，在长程功耗载荷（80、110和130 W）下展现出优异的可靠性，CPU芯片工作温度仅为64.9±0.9 ℃，远低于同等极端功耗载荷（~130 W）下的风冷、水冷产品散热数据。现已进一步推出产品形态裸硅直冷CPU芯片散热原型机，弥补了领域空白。

图5. 基于沸腾动力学协同优化的高性能相变冷却应用（a）对比当前文献报道的沸腾传热CHF和HTC协同增幅；（b）针对商用CPU芯片内置硅核原位高效散热的液体相变冷却LPCC系统示意图；（c）CPU芯片内置硅核实物图及其表面优化微/纳米结构的3D形貌；（d）LPCC系统中的氟化液沸腾实况；（e）不同沸点氟化液的LPCC性能；（f）光滑平整或微/纳米硅核表面的LPCC性能；（g）与同等极端功耗载荷（~130 W）下风冷（AC）、水冷（WC）散热产品的CPU芯片工作温度对比。

【小结】

该工作基于原位显微高速观测揭示了液体浸润铺展、相邻气泡聚并以及限域气层黏滞对沸腾传热CHF和HTC的协同调控规律，由此指导固体壁面的微/纳米结构参数优化，最终开发出针对CPU芯片内置硅核原位散热的高性能LPCC系统；不仅为剖析沸腾传热的微观动力学机制提供了新方法，为沸腾传热界面的优化设计提供了新见解，同时，所提出的液体相变冷却模式还填补了商用CPU芯片精准散热领域的空白。

论文第一作者为中科院理化所仿生智能界面科学中心在读博士生余创辉同学和特别研究助理徐哲博士，论文通讯作者为徐哲博士和中科院理化所江雷院士，特别感谢中科院理化所田野研究员提供的帮助与指导！该研究还得到国家自然科学基金（21988102、21902006和21972154）和中国科学院战略性先导科技C类专项课题（XDC01010300）资助。

来源：高分子科学前沿

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