来源 | Journal of Thermal Analysis and Calorimetry

链接 | https://doi.org/10.1007/s10973-026-15285-

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微通道、仿生结构与纳米流体如何改写热管理格局？

随着微电子技术的飞速迭代，电子设备正朝着 “更小、更密、更强” 的方向突破 —— 芯片集成度不断提升，器件体积持续缩小，随之而来的却是一个棘手的问题：热 flux 密度急剧攀升。根据《国际半导体技术路线图（ITRS）》预测，未来高密度集成电子器件的热 flux 密度最高将达到 1200 W/cm²。这是什么概念？相当于在指甲盖大小的面积上，集中释放着堪比数十个家用白炽灯的热量。

然而，传统的散热方式早已 “力不从心”。无论是风冷、常规散热材料，还是普通液冷，都受限于较低的传热性能和导热系数，难以应对如此极端的散热需求。一旦热量无法及时排出，电子设备不仅会出现性能衰减、卡顿延迟，还可能因长期高温缩短使用寿命，甚至引发烧毁风险。

热管理已然成为制约微电子技术进一步发展的 “瓶颈”。从微型芯片到大型能源系统、航空航天设备，这一问题都至关重要：比如 SCO₂ 冷却微型反应堆的热调控、热管冷却反应堆的安全散热，乃至高超声速飞行中如何抑制 “热障”，都离不开高效的散热技术。

在这样的背景下，第三代冷却方案的研发迫在眉睫。而在众多探索方向中，1981 年由 Tuckerman 和 Pease 提出的微通道散热器（MCHS） 逐渐崭露头角 —— 他们设计的水冷微通道散热器，成功实现了 790 W/cm² 热 flux 下的稳定运行，证明了微通道结构在高热 flux 热管理中的巨大潜力。

更令人期待的是，随着研究的深入，科研人员不再局限于单一的微通道设计：从模仿叶脉、蜂窝、蜘蛛网的仿生结构，到能显著提升导热性能的纳米流体，再到二者与微通道的协同融合，一场围绕 “高效散热” 的技术革新正在悄然发生。这些创新技术如何突破传统散热的局限？

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成果掠影

近日，中国矿业大学齐聪团队围绕 “电子器件高效热管理” 核心需求，科研团队梳理近年研究，在微通道散热器（MCHS）优化、仿生结构创新、纳米流体应用及三者协同融合上取得关键突破，核心成果可概括为 5 点：

（1）微通道结构优化：靠形态创新平衡传热与流阻

几何改造：盾形、W 形、波浪形等非直通道设计，可扩大传热面积并诱导湍流 ——W 形通道温差降低约 10.4K，波浪形通道传热系数最高提升 794%；

内部强化：肋片、凹槽等结构能破坏流体边界层，扇形凸起使努塞尔数（Nu）提升 111.2%，多孔肋片减少 31% 流动损失；多层设计：双层通道或分流歧管结构，解决流量不均问题，温度均匀性提升 44.1% 以上，8W/cm² 热流密度下稳定控温。

（2）仿生结构：向自然 “偷师”，兼顾均匀性与低能耗

分形网络：叶脉形冷却板温度均匀性提升 29%，蜘蛛网通道减少 “流动死区”，整体性能提升 96%；

蜂窝 / 雪花形：蜂窝热虹吸结构热阻随填充率升高显著下降，雪花形通道优化流量均匀性；仿生物表面：鲨鱼皮纹理通道减阻 14.29%，仿比目鱼双鳍结构减少 19% 正向流动摩擦，同时提升临界热流密度。

（3）纳米流体：靠流体升级突破导热瓶颈

含 Al₂O₃、CuO、Fe₃O₄等纳米颗粒的基液，成传统冷却液理想替代方案：

性能优势：0.3% 质量分数的 Fe₃O₄- 水纳米流体，使微通道整体效率提升 8.63%；石墨烯基纳米流体降低冷却温度 10℃，换热系数最高升 80%；

关键特性：TiO₂- 水纳米流体在 pH=2 或 10 时导热最佳，颗粒直径＜30nm 时黏度变化平缓；磁性纳米流体在 40mT 磁场下可主动调控传热。

（4）协同融合：1+1+1＞3 的散热新方案

典型案例：雪花形仿生通道配 Fe₃O₄- 水纳米流体，传热随颗粒浓度提升显著；树状通道加 Al₂O₃- 水纳米流体，散热器基底温度降 39.5%；

核心优势：仿生通道降低纳米流体流阻，纳米流体放大仿生通道传热优势，综合性能系数（PEC）最高升 1.34 倍。

（5）未来方向：从被动散热到智能自适应

智能冷却：温敏水凝胶可在 460W/cm² 热流密度下精准冷却移动热点，应对突发热负荷；

AI + 优化：用遗传算法等实现传热、流阻与温度均匀性平衡，减少试错成本；绿色制造：研发环保纳米颗粒，结合 3D 打印降低仿生结构制造成本，提升纳米流体在复杂环境下的稳定性。

研究成果以“Research progress of the application of microchannels, bionic structures and nanofluids in the thermal management of electronic components” 为题，发表于《Journal of Thermal Analysis and Calorimetry》期刊。

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图文导读

图 1 微通道、仿生结构与纳米流体在电子元件热管理中的应用最新进展
注：展示三大技术方向的核心优势 —— 传统微通道通过结构设计增强传热（如提升努塞尔数 Nu）、仿生结构优化温度均匀性、纳米流体（如 Fe₂O₃-H₂O、Al₂O₃-H₂O、CuO-H₂O、石墨烯基流体等）提升传热效率，以及多结构协同作用机制。

图 2 不同流道布局的微通道模型
注：包含 8 类典型设计：a 五种微通道构型（如盾形、直形等）[32]；b 横纵组合流道（横向梯形 + 纵向三角形）[33]；c W 型微通道 [34]；d 双 P 型微通道 [35]；e 波浪形微通道 [36]；f N 型微通道 [37]；g 双层矩形微通道 [38]；h 带分流歧管的微通道 [39]；图中还标注硅基底、Pt 薄膜加热器、流体流动方向及均匀热流边界条件。

图 3 流道内部的肋片强化结构
注：展示不同类型的内部强化结构，包括多种肋片（如矩形肋、对角肋、扇形凸起）和凹槽（如扇形凹槽、三角形凹槽），标注了各结构对应的文献来源 [41,42,44-48,51,52]，体现边界层扰动与传热面积扩展的设计思路。

图 4 多种结构的协同作用设计
注：呈现微通道的复合优化方案：流道与多孔介质结合、流道与肋片结合、多层复合结构（如双层带倾斜肋片通道），以及螺旋形、正弦形等复杂通道与内部结构的耦合设计，标注了各方案对应的文献来源 [53,54,56,58,61]。

图 5 水凝胶在微通道换热器中的应用
注：展示含温敏水凝胶的分形微通道结构，标注入口、出口、微柱、水凝胶单元，以及水凝胶 “溶胀（Swelling）” 与 “收缩（Deswelling）” 两种状态下的流道控制效果，体现自适应流量调节机制 [63,64]。

图 6 仿生结构的拓扑优化设计
注：呈现 8 类仿生拓扑模型：蜘蛛网型、蕨类叶脉型、蜂窝型、雪花型、肺状网络型、DNA 双螺旋型、螺旋型（蜗牛壳 / 斐波那契螺旋）、树根 / 叶脉分支型，标注冷热流体流向及各结构对应的文献来源 [70,72,77-84]，体现自然结构的流场优化优势。

图 7 鱼鳞结构的性能优化设计
注：展示 6 类仿生物表面设计：a 鲨鱼皮减阻结构 [86]；b 平行 / 交错鱼骨形肋片 [87]；c 鲨鱼皮鳞片微通道 [88]；d 仿生鱼鳞液冷板 [90]；e 不同排列方式的鱼鳞状肋片 [91]；f 仿比目鱼椭圆形双鳍结构 [92]，标注了微结构表面、热泄漏区域等关键部位。

图 8 表面改性的性能优化设计
注：左侧呈现研究现状与挑战（如聚焦几何优化、制造复杂成本高、需深入流热机制），右侧分类展示表面改性方法：粗糙化（机械研磨、喷丸、V 型波纹粗糙化 [96]、化学蚀刻 [99]、电化学蚀刻 [98,99]）、涂层技术（化学气相沉积 CVD [100,101]、离子注入 [102-104]、自组装单分子膜 SAM [105,106]、纳米涂层 [108-110]），体现表面改性对传热与减阻的提升作用。

图 9 纳米流体配置的一步法示意图
注：展示一步法制备流程，包含加热单元（使金属蒸发为蒸汽）、冷却系统（蒸汽冷凝成纳米颗粒）、收集器（收集颗粒并与基液混合）、旋转装置（保证混合均匀），体现纳米颗粒制备与基液分散同步进行的特点 [115]。

图 10 纳米流体制备的两步法示意图
注：展示两步法流程：先制备纳米颗粒，再按比例与基液、分散剂混合，经超声振动处理后形成稳定纳米流体，体现颗粒与基液 “分步制备、后期混合” 的特点，标注了纳米颗粒百分比、分散剂添加量等关键参数。