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中国全球首创液态金属散热
[ 编辑:ledadmin | 时间:2013-07-10 11:00:30 | 来源: | 作者: ]

在室温条件下,以镓为主要成分的液态金属可以像水一样流动。(科学报 童岱摄)

中科院理化所全球首创的液态金属热管理技术,突破了传统技术观念,其本身拥有的相关特性,使其有望成为第四代芯片散热技术。而与企业顺利开展产业化合作,也再次证明该所的研究成果并不甘心只停留在实验阶段。

记者童岱 通讯员曾明彬

科幻大片《终结者2》中的大反派T1000是个液态金属机器人,在高温下才会被融化。而现实中,科研人员也找到了一种金属,在室温下就呈现液态,并成功地将其应用在电脑CPU散热系统中。

中国科学院理化技术研究所(以下简称理化所)低温生物与医学实验室主任刘静和他的团队完成了这项工作。他在接受《中国科学报》记者采访时表示:“在CPU热管理领域引入液态金属,突破了传统技术观念,其本身拥有的相关特性,有望成为第四代芯片散热技术的关键。”

两年多来,理化所和北京依米康散热技术有限公司(以下简称依米康)就高性能液态金属CPU散热器展开产业化合作,在中科院理化所产业策划部的指导下,产业化进展顺利。

全球首创新一代散热技术

“目前市面上的主流CPU散热技术经历了三代变革。”刘静说。第一代CPU散热器(翅片风冷)主要依靠铜、铝等金属的导热来实现散热;第二代CPU散热器(热管)则采用相变吸热、毛细回流的热展开方式;第三代CPU散热技术(以水冷为代表)采用水对流传热来实现热展开过程。

刘静谈到,这三代散热技术在面临极端高热流密度散热问题时,都存在不易克服的瓶颈。就拿水冷来说,管道内易发生沸腾相变,会导致严重的系统稳定性问题,且其驱动需要借助机械泵,这会使得硬件设备较大。

“这对新一代散热技术提出更高要求,在确保结构尽量简单、可靠性强的前提下,散热器应提供远优于当前耐极限热流密度的能力。”刘静说,这就需要寻找具备更优异热物理性能的材料。

幸运的是,刘静及其团队研发的液态金属就是此类典型。其导热系数是水的60~70倍,捕获热量的能力比水强悍得多。此外,液态金属的沸点高达2000℃,抗击极端温度的能力异常强,且性质稳定、无毒。

综合其系列优势,液态金属冷却方法有望成为CPU散热领域的第四代高端散热技术。刘静团队这项于十余年前提出的全球首创技术,陆续得到了国际学术界的高度认可,著名刊物《电子封装杂志》将2010~2011年度唯一的最佳论文奖授予该团队。

洞悉学术大家思想寻找突破点

在低温生物与医学实验室,科研人员拿起桌上的一只烧杯向记者展示。杯中有银白色的液态金属,像水一般流动,其主要成分是镓,很难想象金属能以这样的形态出现在CPU的散热器中。

为实现这一目标,刘静团队付出的努力超乎常人想象。

中科院理化所副所长刘新建在接受《中国科学报》记者采访时表示:“理化所对于科研人员的要求就是面向国民经济建设的主战场,研发的技术必须想办法和社会结合起来,转化为实实在在的产品去应用。”

这给刘静团队指明了方向。为找到先进的冷却方法,他们穷尽全球的相关技术和专利方法,深入研究已有的各类型散热材料及结构等。

“早期查询资料不像现在这样方便,常常是几大箱纸质文献均须一一查找及复印。不过,借此可一览和洞悉国际传热学大家们的思想和理念,意义非凡,也对后来开展液态金属的研究有很好的积淀作用。”刘静说。

在以往的研究中,刘静曾了解到在室温下能保持液态的金属,比如镓,但那时并未引起注意。长期的强化传热探索加之后期的积累,一些支离破碎的信息逐渐在刘静脑海里组建起来,量变引起质变的结果就发生了。

“那天我冒出一个念头,如果将镓引入到电脑CPU散热中会怎样?”刘静说,那种兴奋的感觉一下让他的研究思路变得豁然开朗。于是,他带领团队开始进行大量试验,而在那之前并没有人尝试过。

如今,他们研发出利用低熔点金属或其合金作为冷却流动工质的电脑CPU散热器,最大限度地解决了高热流密度的散热难题。

液态金属借助电磁泵驱动

“你看这款散热器中的管道里,流淌的就是液态金属。”依米康运营总监吴海燕向记者展示了一款他们和理化所共同研发的coollion“冰魔方系列”液态金属散热器。其外观小巧,设计风格也挺潮,顶部还布有4个嵌入式LED灯,部件结构紧凑,便于安装使用。

她还谈到,和水冷散热器需要的机械泵不同,这款产品同样靠的是刘静教授团队研发的电磁泵驱动技术,能使液态金属像水一样在管道里循环。

刘静解释说,考虑到液态金属流体的导电特性,他们研发了能与其匹配的电磁泵驱动技术。体积很小,装载在管道上,只须接入电流,电场和磁体相互作用就能驱动液态金属循环流动起来。

“起初,我们也遇到很大挑战。尽管电磁泵的电压不高,但需要10~15安培的大电流。”刘静说,他们为此花了8个多月的时间进行研究和改进,最终达到所需的大电流。第四代电磁泵的驱动电流甚至降到1安培以下。

解决大量技术问题后,散热器成本得以大大下降。起初做出的一台液态金属CPU散热器仅材料成本就有几千元,但当下已实现产品化的散热器包括材料及加工在内的成本只需几百元,这为规模化应用奠定了基础。

“技术授权”实现“高科技辐射源”

“理化所和我们的这个项目合作至今已有两年多时间,主要通过技术授权的方式。起初我们和理化所接触时,就看好液态金属散热技术专利。”吴海燕表示,一方面是信任“科研guo jia队”的实力,另一方面是这项技术的优越性和开创性非常诱人,作为企业应把这项技术开拓到相对应的市场中去,使之被广泛应用。

除了电脑领域,液态金属热管理技术还能应用于医疗激光、军工业、高热能产业等众多领域。

理化所和依米康合作的高性能液态金属CPU散热器项目,在2011年荣获第十三届北京技术市场金桥奖项目一等奖。在中国科学院北京guo jia技术转移中心和理化所产业策划部组织推动下,作为首批在京转化落地的北京市重大科技成果,获北京市重大产业化项目支持,促进了该项目发展。

2012年,中国科学院北京分院与中关村管委会授予项目科研团队“科技成果转化奖二等奖”,肯定了项目团队参与技术转移和成果转化的工作成效。

如今,该项目已发展出面向不同客户群的系列高性能液态金属CPU散热器产品,如凌云者X、BMR波浪A-1、BMR波浪A-3、特种冰等。

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