清华大学在超薄高效散热和液膜蒸发领域取得重要进展

清华新闻网6月5日电 近日，清华大学材料学院钟敏霖教授课题组利用激光微纳制造方法，制备出具有高光热蒸发效率的高效薄液膜蒸发表面，并进一步提出复合构型超薄吸液芯结构，实现目前国际最薄之一（0.22mm）的智能手机高效散热超薄均热板（VC）的全激光制备。

随着5G和AI技术的飞速发展、芯片制程尺度的减小和计算性能的提升，终端电子设备单位面积产生的热量迅速上升，如何实现芯片高热区域的快速散热与温度的有效控制，对于确保高性能计算和智能手机的稳定运行具有重要意义。基于相变原理的高效散热器件，均热板（Vapor Chamber，VC）能够将热点处的热量快速均匀地传递出来，在各个品牌的手机中得到了越来越广的应用。然而，随着设备功率密度的提高和手机超薄化带来的内部空间的不断减小，业内对高性能超薄均热板（VC）的需求越来越迫切，而其研发难度也越来越大。

均热板内部通过工质蒸发、输运与冷凝的相变循环实现热量的快速传递。针对均热板内部的毛细蒸发过程，钟敏霖教授团队利用激光方法在铜片上制备出具有三级毛细路径的超吸液复合微纳结构表面，克服了薄液膜与低流速之间的固有矛盾，实现了连续可控的大面积3D薄液膜蒸发，大大提高了表面蒸发效率。该蒸发器实现了一个太阳光直射下3.33 kg·m^-2·h^-1的双面光热水蒸发效率，同时展现了优异的电热蒸发效率和蒸发冷却性能。该蒸发表面制备过程相对简单可控、重复性高、可工程化批量制备，能够集成到多种能源系统上实现多场景蒸发功能，具有广泛的应用潜力。

图1.激光制备三级毛细路径吸液高效液膜蒸发复合微纳结构与多场景蒸发功能

随着5G智能手机厚度的不断减少，均热板厚度和内部空间也不断压缩。理论计算表明，当均热板内空腔厚度降低到0.3mm时，气液传输阻力将显著增加，超薄均热板（VC）的传热性能极度劣化，因此，制备散热性能良好的0.3mm均热板面临很大的技术挑战。钟敏霖教授团队提出了蒸发区、输运区与冷凝区的分区微纳结构设计与配合方案，研发出全激光制备超薄均热板的新方法，用激光技术制备出复合构型超薄吸液芯，实现了毛细蒸发性能与气液输运效率的同时最优化，在均热板整体厚度仅0.22mm的情况下实现了12032 W/(m⋅K)的高等效热导率，为0.3mm以下极薄均热板的内部结构设计与大规模工程制备提供了全新思路。该团队在国际上首次运用全激光方法制备的0.22mm的极薄均热板也是目前已知最薄的高效散热均热板（VC）之一。

图2. 激光制备复合构型超薄均热板

相关成果以“通过三级超吸液路径形成连续3D薄膜以促进水分蒸发”（Boosting water evaporation via continuous formation of 3D thin film through triple-level super-wicking routes）和“激光微纳制备复合构型极薄均热板用于高效散热”（Laser microstructuring of extremely-thin vapor chamber with hybrid configuration for excellent heat dissipation）为题，近日分别发表在国际重要期刊《材料视野》（Materials Horizons）和《能源转换与管理》（Energy Conversion and Management）上。

清华大学材料学院2019级博士生江国琛为两篇论文的第一作者，材料学院钟敏霖教授为两篇论文的通讯作者，范培迅助理研究员为发表在《材料视野》上论文的第二通讯作者，论文共同作者还包括张红军高工、博士后田泽，博士研究生陈昶昊、胡昕宇、王立众、彭睿和李代洲等。该工作得到国家重点研发计划项目和清华大学自主科研计划项目的支持。