上交团队解锁TPMS超材料散热密码，为数据中心提供降温新方案

随着人工智能算力需求的持续增长，AI 芯片和数据中心的散热问题正日益突出。

据国际能源署数据显示，全球数据中心在 2022 年的耗电量已达到约 460TWh。如果 AI 算力继续高速增长，到 2050 年相关数据中心的用电量可能达到 100,000TWh。其中，冷却系统预计将占到约 45% 的能源消耗。如何让散热更高效、更节能，已成为推动 AI 基础设施可持续发展的关键问题。

近日，上海交通大学研究团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学、香港城市大学在 Advanced Science 发表研究成果，他们提出了一种基于 TPMS（三周期极小曲面）超材料的新型散热结构。与传统管式、板式或翅片式换热器不同，这类结构内部具有高度连通的三维流道网络，可以在有限体积内同时实现更大的换热面积和更合理的流动路径。

实验结果显示，该结构在液冷条件下的综合换热效率可达到传统结构的 156 倍。这为 AI 芯片、服务器以及高热流密度电子设备提供了一种新的散热解决方案，也为下一代绿色算力基础设施的发展提供了重要思路。

“这项研究能让大家更深刻地理解：为什么这种结构会有如此卓越的性能？以及如何精准建立结构与性能之间的关联模型？如果未来在 AI 数据中心中推广应用这类高效散热结构，每年有望节省约 30,000TWh 电力。”这项研究的第一作者、上海交通大学博士后钟豪章告诉 DeepTech。

藏在数学里的高效散热结构

要理解 TPMS，可以从童年最熟悉的肥皂泡说起。当你将吹泡泡棒浸入肥皂水，金属环上绷起的那层薄薄的膜，就是一张“极小曲面”。在物理张力的牵引下，肥皂液会自发地在有限的边界内收缩，直到它的表面积达到理论上的最小值。

普通的肥皂膜受限于金属环的边界，但数学家们提出了一个更大胆的设想：如果这种“极小曲面”能在三维空间里，沿着 X、Y、Z 三个方向无限周期性地重复下去呢？

这就诞生了 TPMS。这类经 3D 打印的材料的独特之处在于其内部孔道结构光滑、连续且高度贯通，这使得它在换热效率和流体输运方面具备显著优势，也因此成为热管理领域极具前景的技术路径。

图 | TPMS 结构（来源：上述论文）

相比传统的板翅式或微通道换热器，TPMS 材料在“高传热”的同时实现了“低流阻”。“在传统的换热逻辑里，这二者往往是鱼与熊掌不可兼得，但 TPMS 这种连续光滑的数学结构，巧妙地平衡了这对矛盾。”

“目前，全球学术界与工业界已普遍认识到 TPMS 结构在诸多前沿领域潜力巨大，比如散热、过滤、结构材料等。但真正的难点在于，如何将这种卓越的几何设计潜力，有效且充分地转化为实际工程应用中的性能优势。”钟豪章表示。

究其原因，全球范围内的研究都停留在单胞宏观尺度，科学家们只能通过孔隙率、总表面积等整体指标描述 TPMS，却无法捕捉到内部细小通道的粗细均匀度、通道数量、连通方式等关键细节。

面对行业痛点，钟豪章及团队跳出宏观尺度思维，从亚单胞微观尺度入手，为 TPMS 超材料的设计打开了新大门。他形象地解释道，“假如我们把 TPMS 结构比作人体，以往的学者研究其传热性能时，往往只看宏观的‘细胞’或‘器官’层面（即单胞或整体结构）。而我们这次做的工作，相当于深入到了 ‘基因’层面。”

“这其实是一个摸着石头过河的过程。”钟豪章坦言，“我们最初也是从大家普遍采用的尺度去理解 TPMS 材料的传热性能，但在研究过程中发现：始终无法建立一个足够可靠的模型来解释和预测其行为。感觉始终停留在表象，没有触及更本质的机理。”

在向数学家请教后，团队对 TPMS 结构进行更深入的“解剖”，最终找到了将其拆解至最小组成基元的路径。“在这个更小的尺度上重新建模后，我们发现结果既准确又简洁，并且与实验和模拟结果的吻合度非常高。”

在研究过程中，团队在理论和几何层面把 27 种常见的 TPMS 拓扑结构拆成标准化细小通道。

通过全局敏感性分析、主成分分析等多种方法，最终锁定了决定 TPMS 传输效率的两大核心因素：一是通道均匀性，通道粗细不能忽粗忽细，否则会出现流体瓶颈，既增加能耗又降低传输效率；二是通道空间密度，相同体积内的通道数量越多，能参与流体流动和热量传递的区域就越多，效率自然越高。而此前被重点关注的通道表面积、连通方式，仅起次要修饰作用。

此外，团队还发现，Fischer–Koch 这种拓扑结构的通道又均匀、数量又最多，是天生的 “高效选手”。

（来源：上述论文）

翻越产业化两座大山

通过理论分析、模拟验证确定最优设计后，团队使用纯铜绿激光 3D 打印制造出基于 Fischer–Koch 拓扑结构的换热器，并在模拟 AI 数据中心的液冷环境中进行实测。

结果令人振奋，该换热器的核心效率指标达到 15.6，而传统板翅式、微通道换热器的该指标大多不足 0.1，效率实现了 156 倍的跨越式提升。更重要的是，实验实测数据与团队模型的预测数据高度吻合，充分验证了亚单胞导管设计框架的精准性和可靠性。

至于这 156 倍的跨越式提升，究竟有多少功劳归于结构，又有多少归于纯铜材料本身？

钟豪章表示，“材质与结构是深度耦合的，无法简单地拆解开来。纯铜的高导热性确实为性能爆发提供了极佳的物理基础，但如果没有 Fischer-Koch 这种精密的拓扑结构去引导流体、增加换热面积，纯铜的潜力也无法被完全释放。”

他补充道，这种结构与铜的“联手”，未来可以完全迁移到铝合金、甚至其他新型材料上。虽然换成铝合金后，导热性能可能会因为材质属性而有所下降，但它带来的轻量化优势，在航空航天、飞行汽车等领域反而可能成为更核心的竞争力。

但要将其真正应用于 AI 芯片和数据中心散热、航空航天、飞行汽车等领域，钟豪章保持着科研工作者特有的冷静与清醒。

“TPMS 超材料有着极好的商业潜力，但目前全球范围内尚未出现大规模的成熟商业产品。”钟豪章坦言。在他看来，阻碍这项技术从实验室走向流水线的，是两座必须翻越的大山。

第一，成本因素。“以我们曾考虑的新能源汽车应用为例，目前 TPMS 结构的制造成本，包括粉末原材料、3D 打印设备工时、后处理工艺等仍相对较高，尚未达到汽车行业能够大规模承受的价格区间。这限制了其在成本敏感型领域的推广。”

第二，性能验证尚不充分，尤其是动态工况下的可靠性。 “目前，我们和其他研究团队对 TPMS 散热性能的研究，大多是在静态或理想工况下进行的。但在实际应用中，比如飞行汽车、人形机器人等场景，部件往往处于动态运行状态。

这就带来了新的问题：在长期动态工况下，TPMS 结构的耐疲劳性能和机械疲劳寿命如何？反复的热循环和机械振动是否会导致结构失效？这些关键问题目前还缺乏系统的研究和数据支撑，也是我们下一步计划开展的工作方向。”

据钟豪章透露，团队正在推动“集成式多功能散热器”的研究。“它不再仅仅是一个单一的散热组件，而是拥有多流道结构、集成了记忆存储功能的复杂系统，未来甚至有望应用在机器人身上。目前，我们的首要任务是把原型机做出来。从数学模型到实验样品，再到能解决实际问题的工程原型，每一步都是在为未来的产业化铺路。”

1.H.Zhong, Y.He, J.Wang, et al. “Sub-Unit-Cell Logic Governs Transport in TPMS Architectures.” Advanced Science (2026): e23188.https://doi.org/10.1002/advs.202523188

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