江雷院士/田野副研究员AM：用于增强相变冷却的液体超扩散助推高性能喷射流沸腾技术！

通过设计微/纳米结构和调控表面润湿性来提高沸腾传热一直是人们普遍关注的话题，因为它在各种工业领域有着巨大的需求。通过利用工作流体（如氟化电子液体）沸腾的液体-蒸汽潜热交换实现的相变冷却，有利于将来大量技术或应用中的高功率密度电子设备的热管理，在包括5G、云计算、大数据、区块链、人工智能等领域具有巨大的潜力。然而，沸腾传热作为一种动态的界面现象，对其包括液体再湿润和蒸汽离开等过程和机制的深入理解仍然具有挑战性。

中国科学院理化技术研究所江雷院士、田野副研究员等人设计了一种含有周期性微槽/金字塔阵列的微/纳米结构铜表面，其上有机冷却剂的超扩散行为（<134.1 ms）极大地促进了液体再湿润过程，从而产生特化的、超快的射流沸腾现象，同时使临界热通量和传热系数分别提高了80%和608%。对喷射流沸腾微气泡的成核、生长和分离行为的原位观察表明，带有纳米皱纹的微型沟槽/金字塔通过超扩散诱导的超快液体再湿润和持续蒸汽膜凝聚促进了潜热交换过程。最后通过对超扩散微/纳米结构的优化，以超低电力使用效率（PUE<1.04）实现了高性能相变冷却在超级计算机中心CPU芯片热管理中的应用。该研究以题为“Liquid Super-Spreading Boosted High-Performance Jet-Flow Boiling for Enhancement of Phase-Change Cooling”的论文发表在《Advanced Materials》上。

【微/纳米结构Cu表面上的射流沸腾现象】

为实现液体的超级扩散，作者利用纳秒脉冲激光制造技术，在Cu表面上构建了一个具有周期性微槽/金字塔阵列以及次级纳米皱纹的微/纳米结构。有机液体C6H5F9O只需134.1 ms就能在该表面上完全扩散。通过加热浸泡在有机液体中的微/纳米结构Cu表面，作者发现了一种特征性的沸腾现象，即大量的相变气泡以高速从微/纳米结构中喷出（称为“喷射流沸腾”）。作者进一步研究了气泡在表面的粘附力，发现原始Cu表面的最大液下气泡附着力超过48.9 μN，而微/纳米结构Cu表面具有超低的附着力~1.3 μN。研究结果表明，由微/纳米结构Cu表面多个液-气界面形成的不连续三相接触线可能在喷射流沸腾过程中对削弱气泡附着力、促进液体润湿和加速气泡离开起到重要作用。

图1 在微/纳米结构Cu表面上由超扩散促进的射流沸腾现象

【射流沸腾换热性能】

为优化设计的微/纳米结构，作者制备了一系列具有不同金字塔高度的铜表面。沸腾传热性能与液体再润湿和蒸汽离开的能力息息相关。与原始Cu表面相比，优化设计的微/纳米结构Cu表面的临界热通量和传热系数分别提高了80%和608%，都高于以往报道的基于微/纳米纹理的Cu表面。沸腾性能增强的原因，一方面，喷射流沸腾的相变气泡被限制在微凹槽中，其相互凝聚被大大抑制，从而获得了高临界热通量。另一方面，微金字塔周围丰富的纳米皱纹提供了很高的成核点密度，促进了蒸发导致的传热系数增强。因此，具有较高金字塔高度的微/纳米结构Cu表面具有更好的沸腾传热性能，如较低的射流沸腾过热度、较大的临界热通量、较高的传热系数和较小的气泡离析直径。

图2 表面上不同金字塔高度的射流沸腾换热性能

图3 超扩散促进的微型射流沸腾气泡成核、生长和分离

【基于射流沸腾表面的相变冷却性能及应用】

基于喷射流沸腾现象，相变冷却是通过对浸在商业氟化电子液体中的CPU芯片的直接热管理来实现的。由于沸腾传热性能的增强，优化的微/纳米结构Cu表面提供了最低的表面温度，使其在超低过热度下保持持续的相变冷却。此外，基于激光微加工技术，作者通过优化的喷射流沸腾微/纳米结构构建了一个实体的喷射流沸腾增强板，其能与CPU芯片紧密结合，在相变冷却过程中扩大传热面积。该产品已被集成到一个商业化的相变冷却系统中，用于CPU芯片的热管理，并在国内的几个超级计算机中心进行了测试，获得了超低电力使用效率（PUE<1.04），远远优于全球数据中心的平均水平（PUE=1.58）。

图4 基于超扩散增压射流沸腾表面的相变冷却性能及应用

总结：作者设计了一种含有周期性微槽/金字塔阵列的微/纳米结构铜表面，其上有机冷却剂的超扩散行为（<134.1 ms）极大地促进了液体再湿润过程，从而产生特化的、超快的射流沸腾现象。最后通过对超扩散微/纳米结构的优化，以超低电力使用效率实现了高性能相变冷却在超级计算机中心CPU芯片热管理中的应用。该工作为研究沸腾传热提供了新的思路，有望推动液体超扩散促进射流沸腾在如增强蒸汽发电、换热器节能、热管道/蒸汽室优化等领域中的应用。

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