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针对处理器这类局部高热流密度热源的散热需求，设计人员可选择多种被动散热方案，包括热管、均热板（与热管原理相近，但存在关键差异）、散热器、导热连接件、均热片以及蒸发冷却技术。

当然，将热量导出只是散热难题的一部分 ——“导出” 仅意味着把热量转移到远离易受损元件的位置，并未从根本上消除热量。被动散热方案的优势在于，能够适配高热流元件周边的狭小空间，且具备极高的可靠性。

如今，加州大学圣地亚哥分校的研究人员研发出一种新型散热材料，有望显著提升被动蒸发冷却技术的能效。

新材料带来更高的蒸发冷却效率

这种冷却技术的原理并不新鲜。它被用于生物体，几千年来一直被直观理解和应用，自19世纪以来在宏观和微观层面上被科学理解和建模;甚至阿尔伯特·爱因斯坦也在该主题上发表了多篇基础性论文（见图1）。它现在被广泛应用于冷却系统中，作为唯一的冷却方式，或作为更大系统的一部分，如空调和冷却器。

1. 蒸发冷却的基本原理在自然界中已被使用，已有数千年历史，热学研究已有150多年。它依赖于物质从液态转变为气相以及反之时热容量的变化（该原理同样适用于固态，但这不属于过渡循环的一部分）。

（请注意，尽管支持者有这样的影响，这种冷却技术并未减少整体冷却需求。相反，它能更好地分散热负荷。）

为什么需要更好的散热？如今以人工智能为中心的处理器运行异常高温，这已不是什么新鲜事。目前先进CPU和GPU芯片的最大热通量远高于50瓦/厘米。例如，NVIDIA 的 Hopper 在 814 毫米2 芯片（86 W/cm 热通量）上，用于 AI 应用，热设计功耗（TDP）为 700 瓦。

人工智能并非唯一需要大幅本地降温的，许多其他散热源的运行功率都超过100瓦/厘米。例如，有高功率LED芯片，功率为100 W/cm，高功率射频器件在芯片级输出超过1 kW/cm，氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），每个栅极区域的电磁率超过1 MW/cm，以及具有10 M/cm面光功率密度的泵浦激光器。

UCSD技术采用了专门设计的纤维膜，通过蒸发被动带走热量。它采用低成本的纤维膜，通过微小且相互连接的孔隙网络，通过毛细作用将冷却液体输送到表面。

液体蒸发时，它能高效地从下方电子元件中带走热量，且无需额外能量。膜位于电子元件上方的微通道上，吸收流经通道的液体，高效散热（见图2）。

2. 研究人员对该原理进行了调整，并在“微”层面进行了升级，以满足热点热传递的需求。

许多应用已经依赖内部或外部蒸发来冷却。一些智能手机，包括三星和苹果的设备，采用了蒸汽室冷却，这是一种密封外壳的蒸发冷却实现。

苹果甚至在一则令人屏息、几乎快节奏的一分钟广告中大力宣传其使用，广告中提到了这一点，并附上文字告诉观众一个简短事实：其17型和17 Pro智能手机采用“蒸气冷却”技术，以实现最高运行速度同时保持降温。

液气相变的巨大潜热使得与单相冷却系统相比高效散热，同时在利用被动毛细流体时，提供更好的稳定性、无滞后现象，以及在利用被动毛细流体时对泵送功率的需求降低甚至可忽略不计。与沸腾不同，蒸发系统在高功率应用中提供了更受控、更高效的热传递机制。

到底发生了什么？

这种薄膜蒸发在三相——固体（加热表面）、液体和蒸汽——汇聚的区域最为有效。该区域厚度通常小于1微米，平衡了液体中的低热阻和足够的粘附力，从而使液体分子能够高效蒸发。

然而，该区域的长度极其短，约为100纳米，仅占整个半月板的一部分。因此，实现高通量蒸发依赖于多孔结构，这些结构提供了显著更大的表面积，以增强整体蒸发面积。

至少有两种机制导致由单个纳米孔孔组成的纳米多孔膜产生的毛细驱动蒸发热通量理论极限：动力极限和毛细极限。动力极限对应于蒸发半月板在孔隙中流出的最大蒸气通量。它主要由液体分子从液-气界面逸出的速度决定，这个速度近似为声速和薄膜蒸发月面的有效面积，这些面积被多孔结构放大。

毛细极限对应于最大液体质量通量，由纳米孔隙内粘性阻力与毛细驱动力之间的平衡决定。它受液体通过多孔结构的运输和蒸发潜热控制。理论临界热通量（CHF）由这两个极限中的下限决定。

以往的理论和数值研究表明，在平均孔径数百纳米范围内的纳米多孔膜中，这些限制可超过5千瓦/厘米。在这些孔径下，毛细压力可超过100 kPa，为高效液体输送和高蒸发速率提供必要的驱动力。

然而，有效将蒸发冷却应用于高功率电子设备存在障碍。此前使用多孔膜的尝试，因其高表面积适合蒸发，但由于孔隙过小容易堵塞或过大导致不必要的沸腾而未能成功。

加州大学圣地亚哥分校的新材料方法

在分析了现有膜性能不理想的原因后，研究人员开发了具有相互连接孔隙的多孔纤维膜。

玻璃纤维膜的平均水压孔径范围为3.2至11.4微米，具有相互连接的孔隙，便于液体和蒸汽向结构内各区域输送。如果某条通路因污染物或缺陷而阻塞，流体可以通过其他途径重新引导，确保少数堵塞通道不会导致使用中的CHF降解。

这种设计实现了高效的蒸发，且没有这些缺点。它展示了使用具有三维互联孔隙的纤维膜的高效蒸发器，旨在解决孤立孔膜固有的堵塞和局部热点问题。

该设计在0.5平方厘米的加热面积内实现了超过800瓦/平方厘米的历史最高振能（见图3），在同尺寸的毛细驱动蒸发器中表现最优。

3. 研究人员评估了其纤维膜及其在0.5平方厘米加热面积内的关键热通量（CHF）性能。

这些膜还展现了长期稳定性，能够在高热通量下持续蒸发薄膜超过两小时。通过高速成像进一步确认了纤维膜优异的液体扩张能力，揭示了横向和垂直液体扩张速度与CHF值之间的明显相关性。

除了令人印象深刻的热性能外，研究人员还认为这些纤维膜具有成本效益、可扩展制造性，并展现出机械的柔韧性和强度，这一点通过机械特性得到了验证。

关键词： 处理器 局部高热 散热 冷却 多孔纤维膜