超移动微电子设备发汗冷却的基础问题和关键技术

超大容量闪存，3G网络和可折叠显示屏的出现使手机可能替代移动计算机成为最具潜力的下一代通用个人计算通讯设备。其计算能力提高的一个瓶颈在于如何不使用风扇，不显著消耗电池储能，而有效控制温度。本项目提出以空气中的微量水分为工质，以生物体发汗冷却的机理为基础，研究下一代高性能掌上计算通讯设备无风扇仿生冷却的基础科学问题和关键技术。研究内容包括空气中微量水分的冷却凝结相变和吸收、水分在常温常压下的固态贮存和控制、水分在非饱和含湿毛细通道里的输运分配以及水分在毛细孔洞中的蒸发散热和质传递。本项目的研究成果可能突破当前由自然对流和黑体辐射理论限定的电子设备无风扇散热的极限，开辟电子冷却研究的新方向，为实现以"桌面操作系统掌上流畅运行"为标志的下一代超移动个人计算通讯设备奠定基础。

微电子信息技术的发展使得智能手机等超移动电子设备具有越来越强大的功能，形成全面替代电子计算机的趋势，然而由于手机不能使用风扇，被动散热能力低下与手机功能提升之间的矛盾逐渐成为了下一代信息产业发展的一个重要瓶颈。本项目提出和发展了一套提升智能手机无风扇散热能力的新型仿生发汗冷却技术，并围绕该技术利用智能高分子材料和微纳米功能材料进行蒸发、冷凝和制冷等关键技术环节，开展了深入细致的基础研究。主要在以下三个方面的科学问题取得了突破。一、温度敏感高分子材料和纳米孔隙中的蒸发特性：模拟和测量了温度敏感智能高分子材料在LCST转变温度下的释水特性、蒸发特性和传热传质特性；揭示和总结了高分子材料LCST转变温度、微电子设备表面温度、环境温度湿度等内部和外部条件对智能高分子材料仿生发汗冷却散热能力的影响和规律；特别在是表面覆盖有纳米多孔保护膜之后，由于纳米孔隙尺度对微观蒸发和凝结过程的非对称影响，我们首次发现了纳米孔口附近水蒸汽的过饱和亚稳态以及超出经典扩散极限限制的反常蒸发强化现象。二、功能纳米结构表面的凝结特性：通过控制氧化法首次直接在铜表面合成了两类特殊纳米结构表面，润湿性梯度表面和仿玫瑰表面，使空气中凝水效率分别提高了30%和80%，揭示了特殊纳米结构对凝结过程的影响机理和规律。三、纳米颗粒床的传热特性和热电特性：由于纳米颗粒接触界面的影响，我们发现不仅仅导热系数变得很低，而且传热过程变得很慢，不能简单的用经典的傅里叶导热定律描述，而且热松弛时间非常大，比传统多孔介质中观测到的松弛时间还要高一个数量级。针对这种变慢了的热传导过程，我们提出了在时间尺度上减少漏热、提高热电转换和制冷效率的新的理论和方法。本项目已撰写和发表论文十余篇（其中SCI收录5篇，EI收录2篇，），另有多篇论文在审稿中；申请发明和实用新型专利十余项（其中已授权发明专利4项，实用新型专利1项）。本项目研究，拓展了对蒸发、凝结以及瞬态导热等基本传热传质过程的认识，揭示了这些基本传热传质过程在智能高分子材料和特殊纳米结构影响下新的物理机理和规律，丰富和发展了微纳米传热传质的理论和实践；相关研究成果的进一步工业化开发，还有望为智能手机的性能提升提供一种新型高效的无风扇散热技术，为推动信息产业从以个人计算机为中心向以智能手机为中心的转变贡献一项不可或缺的关键技术。