中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科研人員于近期首次將低熔點(diǎn)金屬及其合金作為相變材料引入到電子散熱領(lǐng)域，從而使手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備中日益嚴(yán)峻的發(fā)熱問題得以消除，也為各類瞬態(tài)高功率電力電子設(shè)備的靈巧冷卻開辟了一條全新途徑，相應(yīng)工作發(fā)表于ASME Journal of Heat Transfer、Renewable and Sustainable Energy Reviews等刊物上。

長(zhǎng)期以來，電子芯片的集成度始終朝著著名的摩爾定律預(yù)測(cè)的那樣隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)，如今手機(jī)的CPU主頻已從過去的MHz提升至當(dāng)前的GHz，對(duì)應(yīng)功耗則從mW到十幾瓦。在手機(jī)如此狹小的空間里，大量熱量很難及時(shí)排散到外部環(huán)境，這給用戶帶來了很大不適，比如，手機(jī)持續(xù)通話、游戲一段時(shí)間后，其外殼會(huì)很快出現(xiàn)過熱乃至發(fā)燙的現(xiàn)象，嚴(yán)重者甚至?xí)?duì)人體皮膚造成低溫燙傷。無疑，出于對(duì)超小體積、低功耗、低噪音乃至高品質(zhì)體驗(yàn)的要求，常規(guī)的風(fēng)扇、熱管和水冷散熱并不很適用。可以說，相較于體積大許多的筆記本電腦乃至臺(tái)式計(jì)算機(jī)，手機(jī)散熱更顯棘手，業(yè)已成為制約高端手機(jī)發(fā)展的瓶頸。

在此項(xiàng)題為Keeping smartphones cool with gallium phase change material（Ge and Liu, ASME Journal of Heat Transfer, 135: 054503, 2013）的研究中，科研人員借助于金屬材料的蓄冷及固液相變吸熱機(jī)理，將手機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量迅速吸收掉，手機(jī)溫度得以保持在30°C附近10余分鐘，由此確保了無發(fā)熱情況下的通話；一旦當(dāng)手機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，熔化成液態(tài)的相變材料則可通過向環(huán)境釋放熱量而發(fā)生凝固，從而為下一次吸熱作好準(zhǔn)備。整個(gè)過程僅由嵌于機(jī)殼內(nèi)的金屬吸熱薄片承擔(dān)，無需額外裝置和能源，因而手機(jī)體積并不會(huì)因此明顯增大，且全程無噪音。

研究中，科研人員還發(fā)現(xiàn)了十分有趣的現(xiàn)象。金屬材料因吸熱而變成液態(tài)后，必須及時(shí)將熱量釋放到空氣中并重新返回到固態(tài)，才能滿足后續(xù)的吸熱需要。然而，由于過冷度的存在，液態(tài)金屬材料在其溫度低于熔點(diǎn)時(shí)并不立即發(fā)生凝固。研究小組引入了成核劑，還嘗試對(duì)液態(tài)金屬輔以震蕩和敲擊作用，結(jié)果證實(shí)兩種途徑均可顯著降低材料的過冷度（從30°C降至2°C）。在手機(jī)類消費(fèi)電子設(shè)備的使用過程中，晃動(dòng)和敲擊是時(shí)有發(fā)生的現(xiàn)象，由此易于確保相變吸熱功能的持續(xù)高效發(fā)揮。這種因機(jī)械力作用而誘發(fā)的相變效應(yīng)，也是熱科學(xué)領(lǐng)域饒有興味的新穎問題。

進(jìn)一步地，研究小組還將上述方法擴(kuò)展用于冷卻高速數(shù)據(jù)傳輸中的U盤、閃存及固態(tài)硬盤等(H. Ge, J. Liu, Phase change effect of low melting point metal for an automatic cooling of USB flash memory, Frontiers in Energy, 6: 207–209, 2012)。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，設(shè)置有金屬相變材料的U盤在運(yùn)行中由原來的42°C降到了28°C并能維持1刻鐘以上，顯然，較低的工作溫度一方面保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕惭娱L(zhǎng)了U盤的使用壽命。事實(shí)上，對(duì)于更大功率如數(shù)十瓦的瞬態(tài)發(fā)熱設(shè)備，研究還表明，金屬相變冷卻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更加明顯，系統(tǒng)熱響應(yīng)時(shí)間可呈數(shù)量級(jí)縮短，而散熱裝置體積則減小數(shù)倍，且加工工藝得以大為簡(jiǎn)化。此外，理化所的工作也揭示出，低熔點(diǎn)金屬相變吸熱方法還易于與風(fēng)冷、熱管或水冷方法相結(jié)合，由此提升電子設(shè)備的抗熱沖擊性能，這在許多計(jì)算機(jī)超頻應(yīng)用中有獨(dú)特價(jià)值。除電子設(shè)備外，低熔點(diǎn)金屬相變熱管理方法在更多光電器件，以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等間歇式能源的高效儲(chǔ)存，乃至建筑保溫節(jié)能、人體熱舒適、特殊功率電力電子設(shè)備領(lǐng)域，也有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。理化所已圍繞有關(guān)應(yīng)用形成了技術(shù)專利。

總的說來，借助如冰蓄冷一般的金屬相變材料的交替性蓄冷-熔化過程，可以達(dá)到靈巧的冷卻目的，這種無需額外設(shè)置專用冷卻系統(tǒng)的熱管理方式，特別適合于手機(jī)等移動(dòng)電子設(shè)備。以往，盡管學(xué)術(shù)界也曾嘗試采用相變方法來冷卻手機(jī)，但因受限于既定材料的物性而制約了實(shí)際應(yīng)用。比如，傳統(tǒng)有機(jī)類相變材料如石蠟、烷烴、醇類以及脂肪酸等雖然性能穩(wěn)定、過冷度小、成本低，但熱導(dǎo)率小、熱響應(yīng)慢，相變時(shí)體積變化率較大從而會(huì)使系統(tǒng)體積顯著增加；而無機(jī)類相變材料如結(jié)晶水和鹽、熔融鹽等，雖價(jià)格便宜，儲(chǔ)熱密度大，但過冷度高，熔化之后會(huì)因無機(jī)鹽與結(jié)晶水之間的密度差而造成相分離，同時(shí)還會(huì)因結(jié)晶水蒸發(fā)引起再凝固繼而產(chǎn)生低水化合物，最終使得相變材料的長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性變差。高熔點(diǎn)金屬作為相變材料雖有提出，但因在常溫下無相變行為，無法用于電子設(shè)備熱管理。綜合而言，常溫附近即可熔化的金屬及其合金材料則體現(xiàn)出諸多誘人的優(yōu)勢(shì)：1.熱導(dǎo)率高，是傳統(tǒng)相變材料的數(shù)十甚至上百倍，這有利于吸熱系統(tǒng)的快速響應(yīng)，同時(shí)也減小了熱源與環(huán)境之間的熱阻；2.金屬材料穩(wěn)定性好，在相變過程中不會(huì)出現(xiàn)相分離、相分層現(xiàn)象，經(jīng)無數(shù)次熔化凝固之后依然表現(xiàn)出完好的相變特性；3.低熔點(diǎn)金屬密度大、單位體積相變潛熱高，且相變過程中體積變化率小，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料，這有利于實(shí)現(xiàn)高度緊湊的熱管理系統(tǒng)。

考慮到低熔點(diǎn)金屬相變熱管理方法有著廣泛而重要的應(yīng)用前景，為推動(dòng)這一新興方向的形成與發(fā)展，理化所科研小組于近期發(fā)表了一篇全面綜合的長(zhǎng)篇評(píng)述文章(H. Ge, H. Li, S. Mei, J. Liu, Low melting point liquid metal as a new class of phase change material: An emerging frontier in energy area, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21: 331–346, 2013)，系統(tǒng)闡述了新方法的應(yīng)用特點(diǎn)和基本原理，并具體提出了一系列新的發(fā)展方向和實(shí)現(xiàn)策略，旨在促成相應(yīng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。

典型相變冷卻器受熱溫升曲線(金屬相變效應(yīng)可維持設(shè)備在30°C附近10余分鐘)

U盤數(shù)據(jù)傳輸過程中采用金屬相變機(jī)理冷卻后的效果(對(duì)應(yīng)曲線B)