来源 | Joule

链接 | https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101975

01

背景介绍

1、能耗与热流密度挑战

数据中心冷却能耗占总能耗 40%，2030 年将超 1000 TWh，占全球电力消耗 3%-4%；

高功率芯片热流密度飙升：NVIDIA Hopper GPU 达 86 W/cm²，1 nm 节点芯片预计达 200 W/cm² 以上，传统空冷（散热上限 < 50 W/cm²）、微通道沸腾（CHF<100 W/cm²）无法满足需求。

2、现有薄液膜蒸发技术的局限

孤立孔膜（如 AAO 膜、Si 纳米孔膜）：CHF 仅 45-502 W/cm²，且易因堵塞导致局部热点，寿命短（高热流下仅 20 秒）；

3D 多孔结构（如铜反蛋白石、烧结铜网）：依赖沸腾传热，气泡易干扰流型，大加热面积下 CHF 显著下降（如 5.5 mm² 加热区 CHF>1000 W/cm²，25 mm² 时降至 < 200 W/cm²）。

采用先进冷却策略对遏制这一趋势、降低运营成本及支撑碳减排目标具有关键意义。在新兴冷却技术中，基于多孔膜毛细作用驱动的薄膜蒸发技术展现出解决高热通量散热问题的潜力，但如何在芯片级尺度实现高性能与长期稳定性仍是重大挑战。

02

成果掠影

近日，加州大学圣地亚哥分校Renkun Chen 教授、Shengqiang Cai 教授和 Abhishek Saha 团队展示了一种采用三维连通孔道纤维膜的被动式蒸发器，兼具大比表面积、强毛细泵送与快速液体铺展能力。在约0.5 cm²的加热面积上，以水为工质时实现了最高 816 W/cm² 的临界热流密度（CHF） （平均 CHF 达 643.4 W/cm²），刷新了同类毛细驱动蒸发器的性能纪录；该纤维膜的互联孔结构可避免传统孤立孔膜（如 AAO 膜）的堵塞问题，实现连续 2 小时以上的稳定蒸发（最长达 4 小时，受限于水箱水量），且具备成本低、可规模化制造的优势，为高功率电子器件（如 AI 芯片、GPU）的热管理提供了高效解决方案。这项成果为下一代电子冷却技术开辟了一条可扩展的低能耗路径。研究成果“High-flux and stable thin-film evaporation from fiber membranes with interconnected pores”为题发表在《Joule》。

它使用一种廉价的纤维膜运行，该膜由无数相互连接的微孔组成，通过毛细管作用将冷却液吸入其表面。当液体蒸发时，它会从底层电子设备中去除热量，而无需额外的能量。膜放置在供应液体的微通道上方，使热量能够有效地从下面的组件中散发。

纤维膜通过毛细管作用将液体从微通道吸入其孔隙，并在液体蒸发时冷却热源的图示。

使用纤维膜进行蒸发测试装置。

03

图文导读

图1.不同类型膜的蒸发（A）液体弯月面剖面图，显示高通量薄膜蒸发仅发生在过渡区。(B)具有隔离孔的膜（例如AAO），其中特定孔中的缺陷和堵塞可能会限制流动并导致局部热点。(C)具有由纤维形成的3D互连孔的纤维膜，即使在存在局部堵塞的情况下也能实现有效的液体输送。（D和E）平均水力孔径为6.1 μm的纤维膜的SEM图像。

图2.纤维膜中水传输和毛细管压力的表征（A）渗透率作为平均水力孔径的函数。平均水力孔径使用公式1从测量的渗透率数据计算，假设孔径均匀。黑色符号表示测量的渗透率值，而实线表示基于等式1计算的值。(B)测量的毛细管压力作为平均水力孔径的函数。黑色符号表示实验数据，阴影区域对应于使用公式2的计算，假设接触角（θ）范围为40 °至60 °。（A）和（B）中的符号结果和相关误差条表示至少三次单独测试的平均结果。

图3.蒸发实验装置和结果的总结（A）蒸发测试装置。两个Cu电极连接到外部电路。插图：用于蒸发测试的制备的纤维膜。(B)五种纤维膜的测量热通量作为CHF的函数，平均水力孔径（dh;m）范围为3.2至11.4 μm。箭头和箭头上方的数字代表每种膜的最大和最小CHF。每条曲线和相关的误差条代表至少五个测试样品的平均结果。(C)对应的HTC作为每种膜类型的热通量的函数。HTC被定义为热通量除以膜厚度。图S23中显示了该图。(D)在不同孔径的纤维膜上测得的水蒸发CHF值以及来自文献25、30、32、42和本研究的纳米多孔膜上的水蒸发数据的总结。

图4.高热通量水平下的长期稳定性试验总结（A）纤维膜的长期稳定性试验（样品D），平均水力孔径为6.1 μm，在两个不同的热通量水平下进行。随时间归一化的电阻，其中R（t）是沿操作时间（t）沿着的电阻，阴影区域表示文献中报道的纳米多孔膜装置的典型操作时间。31（B）长时间保持后纤维膜的形态SEM图像显示了来自测试样品的加热器区域上的两个不同位置（A中的#3）;左侧和右侧两个图像分别来自位置#1和#2。

图5.水滴在两个方向上对纤维膜的铺展效果（A）沿着厚度方向的垂直铺展。(B)沿着径向横向展开。

04

作者信息

Renkun Chen，加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程系 教授，材料科学与工程项目；加州大学伯克利分校机械工程博士，2008 年，中国清华大学，工程热物理学学士，2004 年；陈仁坤教授于2009年11月加入加州大学圣地亚哥分校。在加入加州大学圣地亚哥分校之前，陈先生于2004年至2008年在加州大学伯克利分校攻读机械工程博士学位，并在劳伦斯伯克利实验室担任博士后研究员，均与Arun Majumdar教授合作。

Shengqiang Cai，加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程 教授；研究重点：软材料力学、固体电化学力学、能源材料力学、仿生设计和生物力学、3D 制造。研究总结：为了响应刺激，水凝胶和弹性体等软材料会急剧变形。这种变形实际上是它们大部分功能的原因。蔡及其同事制定了理论，以更好地理解软材料中力学和其他领域（包括化学、电学和温度）的相互作用。他还研究了几种使用软活性材料以不同形式转换能量的方法。蔡目前正在研究如何设计和优化由软材料制成的结构，以提供多种功能，包括收集能量、调节流体和淡化盐水。他还在研究利用与软材料大变形相关的机械不稳定现象来引导电磁波并提供其他功能。

Abhishek Saha，加州大学圣地亚哥分校机械与航空航天工程副教授；研究方向：燃烧、流体力学、推进、火焰动力学、液滴动力学；Saha 的研究重点是燃烧和流动力学的基础知识，并应用于推进、能源、印刷和材料合成。他研究燃料动力学，以实现汽车/飞机发动机的清洁和高效运行。他还研究液滴动力学以改进喷墨打印和热喷涂。简介：Saha 分别于 2010 年和 2012 年在中佛罗里达大学获得机械工程硕士和博士学位。他因其博士研究的质量、内容和模范性而获得杰出论文奖。在 2018 年 7 月加入加州大学圣地亚哥分校之前，Saha 是普林斯顿大学机械与航空航天工程系的副研究学者。