田野研究员团队在仿生高效射流沸腾界面的构筑与应用方面取得新进展

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随着5G、人工智能、云计算、大数据等未来信息技术的发展，高功耗电子设备的散热需求与日俱增。在现有技术中，浸没式相变液冷（即将芯片浸没至电子氟化液中利用液体沸腾时的相变潜热交换冷却散热）拥有最高的单位体积传输热量，备受行业青睐。调控微/纳米结构和界面浸润性是强化沸腾传热的重要手段，已有研究表明，仿生超亲液（接触角小于10°）界面更有利于提高沸腾临界热流。然而，作为一种动态界面现象，沸腾时微尺度液体动态再浸润和相变气泡成核、生长、脱离等过程与机理的深入研究仍极具挑战，直接影响强化沸腾功能的设计与调优。
　　近日，中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学中心田野研究员团队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仿生微/纳复合铜表面（图1a），研究发现电子氟化液仅需134.1 ms在该表面超铺展（图1b），这极大地促进了液体动态再浸润过程，进而形成非连续固-液-气三相接触线，将液下气泡黏附力降低至约1.3 μN。由此产生一种特殊、超快的射流沸腾现象（图1c），相比于光滑表面，显著降低了沸腾的起始过热温度（仅约1.5℃），缩减了沸腾气泡脱离直径，同时将临界热流密度和热传递系数分别提升80%和608%（图1d）。通过对沸腾微气泡成核、生长与脱离行为的原位观测发现，射流沸腾气泡在微米凹槽内部成核，并快速上浮至微米乳突顶部并持续生长；在此过程中，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（图1e）。

图1 液体超铺展助推高效射流沸腾（a）铜表面微/纳复合结构；（b）电子氟化液超铺展（接触角CA=0°）时间；（c）微/纳复合表面的超快特征射流沸腾现象；（d）射流沸腾微气泡成核、生长与脱离机制；（e）光滑平整表面和微/纳复合表面的热流密度-过热温度曲线

图2 射流沸腾散热器件及其增强相变液冷性能（a）射流沸腾强化散热器件及其在浸没式液冷系统中的实时工况；（b）浸没式相变液冷系统中CPU芯片平均工作温度曲线

图3 仿生高效射流沸腾散热技术的产业应用（a）装配射流沸腾强化散热产品的超算中心，浮点运算性能达1 EPlops，居当期全球第一；（b）科幻电影《流浪地球2》剧照，“2058年量子计算机550W”原型

　　基于优选微/纳复合结构的射流沸腾强化散热器件促进了大面积、微尺度、高密度沸腾气泡更新（图2a），实现了高性能相变液冷，相比传统强化散热器件，CPU芯片的平均工作温度降低2.7 ℃，波动范围由±4.3 ℃缩窄至±1.0 ℃（图2b）。研究团队开发出一条简单、快速、可控的射流沸腾强化散热器件制造路线，与“中科曙光”公司合作，量产了超过14000片散热产品，现已装配至国内多家超级计算中心或网络信息中心，其中北京、昆山系统算力可达1 EFlops，实测性能均居当期全球第一（图3a）。与传统风冷散热相比，射流沸腾相变液冷获得了优异的能源使用效率（PUE<1.04，理论极限1.00，全球平均1.58），可让单位产值能耗降低30%，使数据中心年节电量达2亿度，减少近1500吨二氧化碳排放。仿生高效射流沸腾产品能够支持CPU芯片稳定超频1.8倍运转，为其进一步升级换代提供空间，产品作为“2058年量子计算机550W”原型，参演2023年科幻电影《流浪地球2》（图3b）。
　　相关研究成果以“Liquid Super-Spreading Boosted High-Performance Jet-Flow Boiling for Enhancement of Phase-Change Cooling”为题发表在Advanced Materials杂志上（DOI: 10.1002/adma.202210557），为强化沸腾传热界面的设计与调优提供了新思路。除浸没式相变液冷外，仿生高效射流沸腾界面还有望在强化蒸汽发电、工业换热节能、热管/均温板优化制造等领域展现出巨大的应用价值。
　　论文的第一作者为理化所仿生中心特别研究助理徐哲博士，通讯作者为理化所仿生中心田野研究员，研究工作得到了理化所江雷院士的悉心指导；得到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浸没式相变液冷性能实测中提供的帮助。该项研究得到国家自然科学基金（21902006、21988102、21972154）、中科院战略性先导科技专项课题（XDC01010300）、中国博士后科学基金（2020M670091）和中科院前沿科学重点研究项目（ZDBS-LY-SLH022）资助支持。
　　原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210557
      


        文章来源：理化所
        田野，中国科学院理化技术研究所研究员。2006年毕业于东北师范大学化学学院，获学士学位。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，师从江雷院士。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。目前的研究领域是具有纳米通道结构的仿生超浸润纳米材料，尤其是超双亲纳米材料的制备及应用研究。共发表SCI论文50余篇，包括Nat. Mater. 1篇，Nat. Commun. 1篇，J. Am. Chem. Soc. 4篇，Angew. Chem. Int. Ed. 3篇，Adv. Mater. 2篇。2016年入选中国科学院青年创新促进会会员，2017年获得国家自然科学基金委优秀青年基金项目资助。