中國科學院理化技術(shù)研究所低溫生物與醫(yī)學實驗室的科研人員于近期首次將低熔點金屬及其合金作為相變材料引入到電子散熱領(lǐng)域，從而使手機等移動電子設(shè)備中日益嚴峻的發(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)測的那樣隨時間呈指數(shù)增長，如今手機的CPU主頻已從過去的MHz提升至當前的GHz，對應(yīng)功耗則從mW到十幾瓦。在手機如此狹小的空間里，大量熱量很難及時排散到外部環(huán)境，這給用戶帶來了很大不適，比如，手機持續(xù)通話、游戲一段時間后，其外殼會很快出現(xiàn)過熱乃至發(fā)燙的現(xiàn)象，嚴重者甚至會對人體皮膚造成低溫燙傷。無疑，出于對超小體積、低功耗、低噪音乃至高品質(zhì)體驗的要求，常規(guī)的風扇、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式計算機，手機散熱更顯棘手，業(yè)已成為制約高端手機發(fā)展的瓶頸。

在此項題為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理，將手機在高負荷運行中產(chǎn)生的熱量迅速吸收掉，手機溫度得以保持在30°C附近10余分鐘，由此確保了無發(fā)熱情況下的通話；一旦當手機處于待機狀態(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備。整個過程僅由嵌于機殼內(nèi)的金屬吸熱薄片承擔，無需額外裝置和能源，因而手機體積并不會因此明顯增大，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時并不立即發(fā)生凝固。研究小組引入了成核劑，還嘗試對液態(tài)金屬輔以震蕩和敲擊作用，結(jié)果證實兩種途徑均可顯著降低材料的過冷度（從30°C降至2°C）。在手機類消費電子設(shè)備的使用過程中，晃動和敲擊是時有發(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。這種因機械力作用而誘發(fā)的相變效應(yīng)，也是熱科學領(lǐng)域饒有興味的新穎問題。

進一步地，研究小組還將上述方法擴展用于冷卻高速數(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)。實驗證實，設(shè)置有金屬相變材料的U盤在運行中由原來的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了U盤的使用壽命。事實上，對于更大功率如數(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)勢更加明顯，系統(tǒng)熱響應(yīng)時間可呈數(shù)量級縮短，而散熱裝置體積則減小數(shù)倍，且加工工藝得以大為簡化。此外，理化所的工作也揭示出，低熔點金屬相變吸熱方法還易于與風冷、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，這在許多計算機超頻應(yīng)用中有獨特價值。除電子設(shè)備外，低熔點金屬相變熱管理方法在更多光電器件，以及太陽能、風能、潮汐能等間歇式能源的高效儲存，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，也有得天獨厚的優(yōu)勢。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，特別適合于手機等移動電子設(shè)備。以往，盡管學術(shù)界也曾嘗試采用相變方法來冷卻手機，但因受限于既定材料的物性而制約了實際應(yīng)用。比如，傳統(tǒng)有機類相變材料如石蠟、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，相變時體積變化率較大從而會使系統(tǒng)體積顯著增加；而無機類相變材料如結(jié)晶水和鹽、熔融鹽等，雖價格便宜，儲熱密度大，但過冷度高，熔化之后會因無機鹽與結(jié)晶水之間的密度差而造成相分離，同時還會因結(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期工作穩(wěn)定性變差。高熔點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：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，遠低于傳統(tǒng)材料，這有利于實現(xiàn)高度緊湊的熱管理系統(tǒng)。

考慮到低熔點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篇評述文章(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)用特點和基本原理，并具體提出了一系列新的發(fā)展方向和實現(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理冷卻后的效果(對應(yīng)曲線B)