温度是影响电子元件的关键因素之一。阿累尼乌斯方程中的 10℃（摄氏度）法则指出：电子器件的可靠性与温度密切相关，当电子器件的温度达到 70℃~80℃ 时，温度每上升 10℃，其可靠性便下降 50%。
基于液膜沸腾传热模式，科学家开发了一系列超高热导率和高通量的超薄两相均温板，有效热导率超过 1.6×104W/m·K（瓦/米·度），热通量超过 480 W/cm2（瓦/平方厘米），为新一代高功率电子产品散热提供了有效的技术解决方案。
华为创始人任正非也曾表示：“大数据中面临的最大挑战是发热，硬件工程、电子工艺存在的最大问题是散热。”俨然，散热和发热机理或电子技术已成为制约企业未来发展的关键要素之一。
图 | 电子元件散热（来源：Pixabay）
与此同时，电子产品与数据中心的冷却系统带来的高能耗，也成为业界面临的难题。如何将电子器件产生的热量快速移除，从而保持产品的性能和安全，是当今半导体和电子器件领域的关键问题之一。
为了应对电子产品日益提升的热流密度，研究人员开发了许多新型的主动式散热技术，包括微通道、喷雾冷却和冲击射流等方法，突破了传统冷却技术的散热极限。
遗憾的是，这些新型散热技术过程复杂，需要压力泵带动且稳定性较差，加之精密的材料加工和严苛的流程控制，其成熟度和可靠性尚待验证，可应用的技术领域也相对较窄。
薄液膜蒸发的散热方式十分高效，但受毛细芯结构的制约难以同时提高液膜蒸发的最高传热通量和传热效率，成为了电子元件高效散热长期的挑战和瓶颈。
为了解决以上难题，科学家提出了一种耦合微汽泡和毛细液膜的被动式“液膜沸腾”新策略。他们通过在毛细液膜中引入有效的汽泡核化位点，并利用梯度结构的非对称界面张力驱动汽泡定向移除，实现了稳定的液膜沸腾和高效的传热性能。同时，还突破了目前液膜相变传热的最高传热通量和传热系数。
1 月 28 日，相关论文以《基于液膜沸腾模式开发的具有超高热导率和高热通量的超薄均温板》（Liquid film boiling enabled ultra-high conductance and high flux heat spreaders）为题发表在Cell Reports Physical Science上[1]。
图 | 相关论文（来源：Cell Reports Physical Science）
由华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室杨荣贵教授、大连理工大学化工学院精细化工国家重点实验室温荣福教授担任该论文共同通讯作者。
图 | 温荣福（来源：温荣福团队）
该研究提到的毛细芯原材料是由不同孔结构的微孔铜网制成的，与简易扩展的制备工艺结合，开发出了具有低成本和可批量加工优势的新一代毛细芯制造方案。
图 | “液膜沸腾”实验场景（来源：杨荣贵）
液膜沸腾策略优势显著，可同时实现更高的传热通量和传热系数
该研究所采用的“液膜沸腾”策略，是基于被动式的毛细液膜蒸发思路提出的，相比于主动式的单相和两相散热技术，如微通道流动冷却、喷雾冷却和冲击射流等，具有无需额外流体输送动力，且过程相对稳定、可靠、易控的优势。
与传统的毛细液膜蒸发模式相比，液膜沸腾通过动态微气泡的引入，增加了毛细液膜内有效蒸发面积和对流换热效率。在有效调控微汽泡形成和移除的前提下，可以通过增加毛细芯厚度提高液体的输运能力，突破了高通量毛细液膜蒸发的液膜厚度限制，能够同时实现更高的传热通量和传热系数。
图 | 毛细芯驱动液膜沸腾传热的分层网状芯吸结构（来源：Cell Reports Physical Science）
与传统的池沸腾传热模式相比，液膜沸腾中核化汽泡的移除不受制于液池中浮力和表面张力的竞争，而是以微汽泡的形式在梯度结构非对称界面张力的定向驱动下快速移除，从而提高汽泡从高温表面的移除效率，延缓了表面因汽泡合并积累导致的烧干现象。
此外，液膜沸腾策略通过在毛细液膜中引入大量的动态微气泡，增加毛细液膜内的有效蒸发面积和对流换热效率。其中，调控微汽泡的快速形成和定向加速移除是实现液膜沸腾传热模式的关键。液膜沸腾策略的核心亮点之一，是将单一的液膜表面蒸发拓展到沸腾的液膜内部微汽泡，突破了毛细液膜蒸发中毛细芯的厚度平衡（trade-off）效应。
图 | 基于液膜沸腾模式的超薄两相均温板与其他均温板性能对比（来源：Cell Reports Physical Science）
被动式毛细芯驱动的液膜沸腾在 25mm2的散热面积和小于 8℃ 的表面过热度的条件下，实现了 552W/cm2的传热通量和 732.5 kW/m2·K的传热系数。基于液膜沸腾模式开发的超薄两相均温板，在25mm2的散热面积上传热通量和有效热导率分别超过了 480W/cm2和 1.6×104W/m·K。
制备超高热导率的两相均温板，拓宽了高热流大功率电子器件冷却的应用领域
当前，新型电子产品集合了高性能，微型化和集成化的三大特点，热流密度越来越大。
该项研究涵盖了新策略提出、新材料制备、新器件开发三个层面的成果进展。其中，可规模化加工的新型毛细芯既可以应用于毛细液膜沸腾传热技术，同时也可以用于传统的池沸腾传热强化中。并且，该材料的成型工艺可用于毛细液膜蒸发和毛细液膜冷凝传热等相变传热结构表面的加工制备。
图 | 华中科技大学能源学院的相变传热装置（来源：杨荣贵）
其次，高效的液膜沸腾模式，还可以与喷雾冷却等主动式散热技术结合，进一步拓宽新兴散热技术的传热上限和应用场景。
该团队开发的超薄两相均温板，具有极高的有效热导率、良好的均温性、可变的热流密度、可逆的热流方向以及环境自适应等优点，能满足目前电子器件对散热部件紧凑、可靠、灵活、高散热、无源驱动等要求，是未来高功率电子产品冷却的理想解决方案之一。
该研究为大功率激光器、高性能计算机、电力电子、航空航天等应用领域中高热流电子器件的被动式冷却提供有力的技术支撑。
杨荣贵教授表示：“本研究的基于毛细液膜沸腾传热开发的超薄两相均温板的成果进一步拓宽了该系列散热产品在高热流大功率电子器件冷却方面的应用领域。”
为了面向大规模应用，该研究尝试采用商用的微孔铜网作为基材，初步实现了高效的毛细液膜沸腾传热，并验证了在超薄两相均温板应用中的优势。
求学为学近 30 年，不畏困难潜心科研
据杨荣贵教授回忆，从他接受高等教育算起，求学、为学时间将近 30 年。
杨荣贵表示：“作为一名科研工作者，我深感科学研究是一件严肃的事情，必须精益求精，唯有全身心投入才能学有所获、学有所成。在科研的过程中，失败也在所难免，现在每当回忆起以前遇到的挫折，都可成为磨练我坚强意志不可或缺基石，这些经历是一笔宝贵的财富。”
图 | 杨荣贵（来源：杨荣贵）
参禅有“三重境界”，在杨荣贵教授看来，科学研究也有“三重境界”。第一境界，处在对于现象和过程的观察和描述阶段，通过身体感官了解客观存在的表象世界，即见山是山第二境界，处在认识和理解隐藏在现象背后的机理阶段，透过现象看本质，是为了获得真知的怀疑和探索过程，即见山不是山；第三境界，则处在系统认知、预测或调控过程以及拓展应用的阶段，进而洞察本质看未来，转而茅塞顿开，回归自然，即见山还是山。
在这种层进式的事物认知和发展过程中，求真与热爱是内在永恒和长久的生命力。未来，杨荣贵教授将带领团队在功能表面开发、机理探究、应用拓展等方面进一步探索。
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参考：
1. Li et al.,Cell Reports Physical Science3, 100746（2022）
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386422000108?via%3Dihub=