來源|Materials Horizons，Energy Conversion and Management

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背景介紹

隨著5G和AI技術的飛速發展、芯片制程尺度的減小和計算性能的提升，終端電子設備單位面積產生的熱量迅速上升，如何實現芯片高熱區域的快速散熱與溫度的有效控制，對于確保高性能計算和智能手機的穩定運行具有重要意義。基于相變原理的高效散熱器件，均熱板（Vapor Chamber，VC）能夠將熱點處的熱量快速均勻地傳遞出來，在各個品牌的手機中得到了越來越廣的應用。然而，隨著設備功率密度的提高和手機超薄化帶來的內部空間的不斷減小，業內對高性能超薄均熱板（VC）的需求越來越迫切，而其研發難度也越來越大。

均熱板內部通過工質蒸發、輸運與冷凝的相變循環實現熱量的快速傳遞。針對均熱板內部的毛細蒸發過程，鐘敏霖教授團隊利用激光方法在銅片上制備出具有三級毛細路徑的超吸液復合微納結構表面，克服了薄液膜與低流速之間的固有矛盾，實現了連續可控的大面積3D薄液膜蒸發，大大提高了表面蒸發效率。該蒸發器實現了一個太陽光直射下3.33 kg·m-2·h-1的雙面光熱水蒸發效率，同時展現了優異的電熱蒸發效率和蒸發冷卻性能。該蒸發表面制備過程相對簡單可控、重復性高、可工程化批量制備，能夠集成到多種能源系統上實現多場景蒸發功能，具有廣泛的應用潛力。

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成果掠影

近日，清華大學材料學院鐘敏霖教授課題組利用激光微納制造方法，制備出具有高光熱蒸發效率的高效薄液膜蒸發表面，并進一步提出復合構型超薄吸液芯結構，實現目前國際最薄之一（0.22mm）的智能手機高效散熱超薄均熱板（VC）的全激光制備。隨著5G智能手機厚度的不斷減少，均熱板厚度和內部空間也不斷壓縮。理論計算表明，當均熱板內空腔厚度降低到0.3mm時，氣液傳輸阻力將顯著增加，超薄均熱板（VC）的傳熱性能極度劣化，因此，制備散熱性能良好的0.3mm均熱板面臨很大的技術挑戰。

鐘敏霖教授團隊提出了蒸發區、輸運區與冷凝區的分區微納結構設計與配合方案，研發出全激光制備超薄均熱板的新方法，用激光技術制備出復合構型超薄吸液芯，實現了毛細蒸發性能與氣液輸運效率的同時最優化，在均熱板整體厚度僅0.22mm的情況下實現了12032 W/(m?K)的高等效熱導率，為0.3mm以下極薄均熱板的內部結構設計與大規模工程制備提供了全新思路。該團隊在國際上首次運用全激光方法制備的0.22mm的極薄均熱板也是目前已知最薄的高效散熱均熱板（VC）之一。

相關研究成果以“Boosting water evaporation via continuous formation of 3D thin film through triple-level super-wicking routes”和“Laser microstructuring of extremely-thin vapor chamber with hybrid configuration for excellent heat dissipation”為題分別發表于《Materials Horizons》和《Energy Conversion and Management》。

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圖文導讀

圖1.激光制備三級毛細路徑吸液高效液膜蒸發復合微納結構與多場景蒸發功能

圖2. 激光制備復合構型超薄均熱板

圖3.VC技術的演變和具有三區域混合結構的ETVC的概念化

圖4.ETVC制作的詳細設計和總體視圖

圖5.PMCs中輸水特性的表征

圖6.CMPs蒸發性能的表征

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審核編輯 黃宇