中科院理化所田野研究员团队《Adv. Mater.》：液体超铺展助推高性能射流沸腾用于增强相变冷却

通过电子氟化液沸腾时的相变潜热交换实现冷却散热（即“相变冷却”），在高功耗电子设备热管理领域意义重大，直接关联到5G、人工智能、云计算、大数据、区块链等未来信息技术的发展。调控微/纳米结构和界面浸润性强化沸腾一直是备受关注的热点话题，大量研究表明，超亲液（接触角小于10°）界面有利于提高沸腾临界热流。然而，作为一种动态界面现象，针对沸腾传热时液体通过动态超铺展再浸润和气泡的成核、生长、脱离等微观过程与机理的深入研究仍极具挑战。

中国科学院理化技术研究所徐哲博士（第一作者）、田野研究员（通讯作者）、江雷院士等人在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Liquid Super-Spreading Boosted High-Performance Jet-Flow Boiling for Enhancement of Phase-Change Cooling”的文章（DOI: 10.1002/adma.202210557）。该论文构建了一种含有周期性微米凹槽/乳突阵列以及纳米褶皱结构的微/纳复合铜表面，研究发现电子氟化液在该表面的超铺展（用时仅134.1 ms）极大地促进了液体的动态再浸润，进而形成非连续固-液-气三相接触线，降低液下气泡黏附力（仅约1.3 μN）。由此产生一种特殊、超快的射流沸腾现象，相比光滑表面，可显著降低沸腾起始过热温度（仅需约1.5 ℃），同时将临界热流密度和热传递系数分别提升了80%和608%。通过对射流沸腾微气泡成核、生长与脱离行为的原位观测表明，微/纳复合结构依靠超铺展助推的液体重复浸润和气膜连续聚并增强了相变潜热交换。基于优选微/纳复合结构的射流沸腾强化散热器件在超算中心CPU芯片热管理应用中实现了高性能相变冷却，展现出超低系统能耗（能源使用效率PUE<1.04）。

1、液体超铺展助推的特征射流沸腾现象

利用纳秒脉冲激光制造技术在铜表面一体化构建具有周期性微米凹槽/乳突阵列和次级纳米褶皱的微/纳复合结构（图1 a），乙基九氟丁基醚液体（图1 b，电子氟化液代表性组分C6H5F9O）仅134.1 ms就能在该表面上超铺展至接触角为0°（图1 c）。浸没在该液体中的受热微/纳复合铜表面呈现出一种特殊的沸腾现象（图1 d），即气泡以条带状束流形式高速喷射而出，称为“射流沸腾”。通过对50 ℃铜表面的液下膨胀气泡黏附力测试发现，光滑表面最大黏附力超过48.9 μN，而微/纳复合表面具有超低气泡黏附力，仅约1.3 μN（图1 e）。由于超铺展导致液体不断浸润填充微米凹槽内部，微/纳复合表面易形成非连续的固-液-气三相接触线（图1 f），这对加速射流沸腾气泡的快速脱离起到重要作用。

图1 基于微/纳复合铜表面液体超铺展助推的特征射流沸腾现象（a）微/纳复合结构；（b）沸腾液体基本物性；（c）光滑和微/纳复合表面的沸腾液体接触角和铺展时间；（d）不同温度下的特征射流沸腾现象；（e）50 ℃光滑和微/纳复合表面的液下气泡黏附力-膨胀时间曲线；（f）50 ℃光滑和微/纳复合表面固-液-气三相接触状态。

2、不同微米乳突高度的射流沸腾传热性能

制备出一系列具有不同微米乳突高度（0.8、50.8、101.2、134.4 μm）的微/纳复合铜表面，随着微米乳突增高，液体铺展用时（图2 a）减少，液下气泡脱离的滑移速率（图2 b）增快。研究发现，射流沸腾传热性能（图2 c、d）与这种液体重复浸润和气泡快速脱离的能力息息相关。随着乳突高度增加，沸腾临界热流密度（23.7±1.2、32.3±1.9、39.5±3.1、42.6±3.3 W/cm2）和热传递系数（10.3±0.7、30.5±2.7、50.5±3.1、72.9±2.8 kW·m-2·℃-1）增大；与光滑表面相比，优化设计的微/纳复合表面增幅分别达80%和608%，均高于已报道的铜基强化沸腾界面。一方面，乳突表面丰富的纳米褶皱提供了高密度的成核位点，显著降低沸腾起始过热温度（图2 e），有利于增加热传递系数；另一方面，射流沸腾气泡被限制在微米凹槽内部，相互聚并受到约束，尺寸分布缩窄（图2 f），有利于提高临界热流密度。

图2 不同乳突高度对微/纳复合铜表面特征射流沸腾传热性能的影响（a）液滴接触角和动态铺展时间；（b）液下气泡滑移脱离速率；（c）热流密度-过热温度曲线；（d）热传递系数（HTC）-热流密度曲线；（e）射流沸腾的起始过热温度，插图为3.0 ℃过热温差下铜表面光滑区域（左）和微/纳复合区域（右）的沸腾原位对比；（f）光滑表面和微/纳复合表面射流沸腾气泡脱离直径及其分布。

3、射流沸腾微气泡的成核、生长与脱离原位分析

单束射流沸腾气泡在相邻乳突包围的微米凹槽内部（图3 a）产生，具有不同凹槽间距的射流沸腾表面红外热成像显示，凹槽内部比乳突顶部具有更高的过热温差（图3 b），从而提供充足的沸腾成核位点。原位高速成像（图3 c）表明，沸腾微气泡仅用0.2 ms即在微米凹槽内部快速成核，由于微/纳复合铜表面的超低气泡黏附，初始气核进而在0.2~6 ms快速上浮至微米乳突顶部并持续生长，最终于10 ms后受浮力作用脱离。液体重复浸润乳突表面丰富的纳米褶皱结构形成了连续的相变气膜，通过持续聚并促进了沸腾气泡在微米乳突顶部的极速生长（图3 d）。对具有不同微米乳突间距（60.7、78.3、91.1、107.5 μm）微/纳复合铜表面的原位观测显示，乳突间距越窄，沸腾微气泡平均生长速率（10.03、5.88、3.71、0.12 mm3/s）越快（图3 e），且最终脱离直径（205.8、192.8、177.7、136.7 μm）越大（图3 f）。因此，高乳突、窄间距的微/纳复合结构能够通过液体快速再浸润和连续气膜聚并实现超快液-气相变更新，获得更高的射流沸腾传热性能。

图3超铺展助推射流沸腾微气泡成核、生长与脱离行为分析（a）微米凹槽处产生的单束射流沸腾气泡；（b）不同微米凹槽间距射流沸腾表面的红外成像温差；（c）射流沸腾微气泡成核、生长与脱离过程的原位高速成像；（d）射流沸腾微气泡运动行为的机理分析示意图；（e）不同微米乳突间距射流沸腾表面的气泡生长速率；（f）不同微米乳突间距射流沸腾表面的气泡脱离直径。

4、射流沸腾功能界面的相变冷却性能及应用

搭建微型相变冷却实验装置（图4 a），由发热体、沸腾视窗以及冷凝系统三部分组成。该封闭装置内，不同电子氟化液相变冷却的实际稳态平衡温度比各自的理论沸点稍低（图4 b）。随着微米乳突高度的增加，发热铜片的相变冷却温度（78、73、69、68 ℃）逐渐降低（图4 c），且在仅约1 ℃过热温差下实现持续、高效的冷却降温（图4 d）。基于优选的微/纳复合结构，批量制备了适用于CPU芯片热管理的射流沸腾强化散热板（图4 e），并装配至超算中心相变冷却系统中测试（图4 f）。结果表明，射流沸腾强化散热板促进了大面积、微尺度、高密度沸腾气泡更新，且拥有超低能耗（能源使用效率PUE<1.04，理论极限1.00，全球超算中心均值1.58）。

图4基于超铺展助推射流沸腾界面的相变冷却性能及应用（a）相变冷却实验装置示意图；（b）不同商用电子氟化液相变冷却的稳态平衡温度；（c）不同乳突高度射流沸腾表面的相变冷却温度；（d）光滑表面和微/纳复合表面的相变冷却温度及其稳定性曲线；（e）用于CPU芯片热管理的射流沸腾强化散热板装配示意图；（f）超算中心相变冷却系统中射流沸腾强化散热板的实际工况。

该工作依托微尺度沸腾气泡的原位观测及其行为分析指导高性能射流沸腾界面调优，为强化沸腾传热提供了崭新的研究思路。除了增强相变冷却外，超铺展助推的射流沸腾还有望在强化蒸汽发电、工业换热器节能、热管/均温板优化制造等领域展现出巨大的应用价值。

论文第一作者为中科院理化所仿生智能界面科学中心特别研究助理徐哲博士，论文通讯作者为中科院理化所仿生智能界面科学中心田野研究员。特别感谢中科院理化所江雷院士为本研究给予的悉心指导！特别感谢曙光数据基础设施创新技术（北京）股份有限公司张鹏博士等人在超算系统相变冷却性能实测中提供的帮助。

该研究得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中国博士后科学基金和中科院前沿科学重点研究项目资助支持。

作者简介

田野，中国科学院理化技术研究所研究员，2011年7月毕业于中国科学院化学研究所，获物理化学博士学位。2011年7月加入中国科学院化学研究所。2018年7月加入中国科学院理化技术研究所。目前的研究领域是仿生界面动态铺展过程的基础和应用研究。以通讯或第一作者共发表包括Nat. Mater.，Nat. Commun.，Sci. Adv.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater. 等在内的SCI论文50余篇。2016年入选中国科学院青年创新促进会会员，2017年获得基金委优秀青年基金项目资助，2019年获得中国化学会青年化学奖。兼任中国化学会仿生材料化学专业委员会委员，中国感光学会青年理事会理事，Chinese Chemical Letters编委。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210557

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