超移動微電子設備發汗冷卻的基礎問題和關鍵技術

《超移動微電子設備發汗冷卻的基礎問題和關鍵技術》是依託武漢大學，由胡雪蛟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超移動微電子設備發汗冷卻的基礎問題和關鍵技術
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡雪蛟
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

超大容量快閃記憶體，3G網路和可摺疊顯示屏的出現使手機可能替代移動計算機成為最具潛力的下一代通用個人計算通訊設備。其計算能力提高的一個瓶頸在於如何不使用風扇，不顯著消耗電池儲能，而有效控制溫度。本項目提出以空氣中的微量水分為工質，以生物體發汗冷卻的機理為基礎，研究下一代高性能掌上計算通訊設備無風扇仿生冷卻的基礎科學問題和關鍵技術。研究內容包括空氣中微量水分的冷卻凝結相變和吸收、水分在常溫常壓下的固態貯存和控制、水分在非飽和含濕毛細通道里的輸運分配以及水分在毛細孔洞中的蒸發散熱和質傳遞。本項目的研究成果可能突破當前由自然對流和黑體輻射理論限定的電子設備無風扇散熱的極限，開闢電子冷卻研究的新方向，為實現以桌面作業系統掌上流暢運行為標誌的下一代超移動個人計算通訊設備奠定基礎。

結題摘要

微電子信息技術的發展使得智慧型手機等超移動電子設備具有越來越強大的功能，形成全面替代電子計算機的趨勢，然而由於手機不能使用風扇，被動散熱能力低下與手機功能提升之間的矛盾逐漸成為了下一代信息產業發展的一個重要瓶頸。本項目提出和發展了一套提升智慧型手機無風扇散熱能力的新型仿生髮汗冷卻技術，並圍繞該技術利用智慧型高分子材料和微納米功能材料進行蒸發、冷凝和製冷等關鍵技術環節，開展了深入細緻的基礎研究。主要在以下三個方面的科學問題取得了突破。一、溫度敏感高分子材料和納米孔隙中的蒸發特性：模擬和測量了溫度敏感智慧型高分子材料在LCST轉變溫度下的釋水特性、蒸發特性和傳熱傳質特性；揭示和總結了高分子材料LCST轉變溫度、微電子設備表面溫度、環境溫度濕度等內部和外部條件對智慧型高分子材料仿生髮汗冷卻散熱能力的影響和規律；特別在是表面覆蓋有納米多孔保護膜之後，由於納米孔隙尺度對微觀蒸發和凝結過程的非對稱影響，我們首次發現了納米孔口附近水蒸汽的過飽和亞穩態以及超出經典擴散極限限制的反常蒸發強化現象。二、功能納米結構表面的凝結特性：通過控制氧化法首次直接在銅表面合成了兩類特殊納米結構表面，潤濕性梯度表面和仿玫瑰表面，使空氣中凝水效率分別提高了30%和80%，揭示了特殊納米結構對凝結過程的影響機理和規律。三、納米顆粒床的傳熱特性和熱電特性：由於納米顆粒接觸界面的影響，我們發現不僅僅導熱係數變得很低，而且傳熱過程變得很慢，不能簡單的用經典的傅立葉導熱定律描述，而且熱鬆弛時間非常大，比傳統多孔介質中觀測到的鬆弛時間還要高一個數量級。針對這種變慢了的熱傳導過程，我們提出了在時間尺度上減少漏熱、提高熱電轉換和製冷效率的新的理論和方法。本項目已撰寫和發表論文十餘篇（其中SCI收錄5篇，EI收錄2篇，），另有多篇論文在審稿中；申請發明和實用新型專利十餘項（其中已授權發明專利4項，實用新型專利1項）。本項目研究，拓展了對蒸發、凝結以及瞬態導熱等基本傳熱傳質過程的認識，揭示了這些基本傳熱傳質過程在智慧型高分子材料和特殊納米結構影響下新的物理機理和規律，豐富和發展了微納米傳熱傳質的理論和實踐；相關研究成果的進一步工業化開發，還有望為智慧型手機的性能提升提供一種新型高效的無風扇散熱技術，為推動信息產業從以個人計算機為中心向以智慧型手機為中心的轉變貢獻一項不可或缺的關鍵技術。