Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами предложили новый подход по созданию теплопередающих поверхностей материалов, используемых в системах охлаждения микрочипов в современной электронике. Решение, разработанное исследователями, может стать основой для создания высокоэффективных адаптивных систем охлаждения для силовой электроники, высокопроизводительных процессоров. Об этом CNews сообщили представители ТПУ.
Результаты опубликованы в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 5.8). Проект поддержан грантом РНФ (№ 23-73-30004)
Эффективный теплоотвод играет ключевую роль в использовании интегральных схем (микрочипов) – основы современной электроники, так как они применяются почти во всех устройствах (процессорах, смартфонах, компонентах систем искусственного интеллекта и других). Поэтому без создания новых высокоэффективных решений для охлаждения микрочипов невозможно развитие суперкомпьютеров, беспилотных автомобилей, робототехнических систем и других инновационных технологий.
Существующие сейчас решения для поверхностного охлаждения интегральных схем основаны на технологиях, использующих хладагенты в однофазном или двухфазном состоянии. Однако однофазные системы эффективны только при мощности теплового потока до 100 Вт/см?, поэтому наиболее актуальными становятся двухфазные системы на основе фазового перехода. Подобные системы на основе капельного орошения способны эффективно рассеивать высокие тепловые потоки, однако их широкое внедрение требует решения ряда проблем – интенсификации испарения капель, контроля режимов испарения и управления переносом капель в зоны наибольшего перегрева.
Перспективный подход к их решению, по словам ученых, это создание теплопередающих поверхностей с заданной текстурой и смачиваемостью, так как характеристики тепло- и массопереноса сильно зависят от типа текстуры, шероховатости и гидрофильно-гидрофобного контраста. В ходе ранее проведенных исследований установлено, что лазерная модификация металлических поверхностей обладает значительными преимуществами в данном направлении. При этом в большинстве существующих исследований испарения капель воды на модифицированных теплопередающих поверхностях бифильные участки создаются с помощью контрастного текстурирования, что приводит к изменениям как химического состава, так и морфологии в гидрофильных и гидрофобных областях и не позволяет проанализировать эффективность охлаждения поверхности за счет испарения капель.
«В данном исследовании мы предложили новый подход по созданию теплопередающих поверхностей с контролируемой смачиваемостью. Он основан на сочетании лазерного текстурирования, лазерной химической модификации и термолиза (термического разложения веществ – ред.) многокомпонентных углеводородсодержащих жидкостей», – сказал руководитель проекта, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Дмитрий Феоктистов.
Ученые использовали образцы из алюминиево-магниевого сплава – материала, широко применяемого в теплопередающих устройствах и системах охлаждения. В приповерхностном слое образцов с помощью наносекундного лазерного излучения создавали заданные текстуры, а затем определенным участкам поверхности придавали супергидрофобные и супергидрофильные свойства.
Поверхности с супергидрофобными свойствами получали, комбинируя лазерное облучение с последующей активацией приповерхностного слоя для адсорбции гидрофобного агента с помощью обработки в аргоново-кислородной плазме и пришивки алкильных групп из продуктов термолиза моторного масла. Затем на поверхностях с супергидрофобными свойствами с помощью лазерного излучения формировали сверхгидрофильные области. Полученные образцы бифильных материалов нагревали при температуре от 20 до 300 °C в экспериментальной установке для изучения испарения капель.
Ученые изучили конфигурации текстуры и комбинации гидрофильно-гидрофобного контраста в локализованных областях теплопередающих поверхностей, режимы и скорости испарения, конвективные и температурные поля в капле, а также благодаря разработанному подходу смогли впервые оценить эффективность использования заданных смачивающих свойств и текстуры для охлаждения приповерхностного слоя теплопередающей поверхности.
«Для поверхностей теплообмена с пространственно-контролируемым контрастным смачиванием (бифильных поверхностей) скорость испарения не может служить единственным корректным критерием оценки эффективности охлаждения, поскольку традиционный подход, связывающий эффективность охлаждения с интегральной потерей массы капли на поверхности раздела теплоноситель/воздух, является упрощенным и не учитывает специфических механизмов теплообмена на таких поверхностях. Бифильные поверхности с долей супергидрофобной области 30–45% обеспечивают снижение температуры в приповерхностном слое образца в 6 раз больше, чем на контрольных образцах с полированной поверхностью, несмотря на сниженную скорость испарения на 29–74%. Кроме того, оптимальный контраст смачивания сдвигает максимальную эффективность охлаждения в сторону более высоких температур (160 °C против 140 °C для полированной поверхности). Также установлено, что для поверхностей, сочетающих высокую шероховатость с гидрофильными/супергидрофильными областями, эффективность охлаждения при умеренных температурах возрастает до 20 раз», – отметил ученый.
Полученные данные могут лечь в основу нового подхода к созданию теплопередающих поверхностей с заданными функциональными свойствами, спроектированных таким образом, чтобы точно направлять и удерживать капли охлаждающей жидкости в тех областях чипа или силового оборудования, которые испытывают наибольшие тепловые нагрузки. Что, в перспективе, позволит создавать высокоэффективные адаптивные системы охлаждения, например, для силовой электроники, высокопроизводительных процессоров.
В исследовании приняли участие сотрудники Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Инженерной школы энергетики ТПУ и Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН.
Поделиться
