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[ 來自:不詳  閱讀:   時間:2013.07.10 ]
中國全球首創液態金屬散熱廣泛用於軍工等領域
科幻大片《終結者2》中的大反派T1000是個液態金屬機器人,在高溫下才會被融化。而現實中,科研人員也找到了一種金屬,在室溫下就呈現液態,並成功地將其應用在計算機CPU散熱係統中。

  中國科學院理化技術研究所(以下簡稱理化所)低溫生物與醫學實驗室主任劉靜和他的團隊完成了這項工作。他在接受《中國科學報》記者采訪時表示:“在CPU熱管理領域引入液態金屬,突破了傳統技術觀念,其本身擁有的相關特性,有望成為第四代芯片散熱技術的關鍵。”

  兩年多來,理化所和北京依米康散熱技術有限公司(以下簡稱依米康)就高性能液態金屬CPU散熱器展開產業化合作,在中科院理化所產業策劃部的指導下,產業化進展順利。

  全球首創新一代散熱技術

  “目前市麵上的主流CPU散熱技術經曆了三代變革。”劉靜說。第一代CPU散熱器(翅片風冷)主要依靠銅、鋁等金屬的導熱來實現散熱;第二代CPU散熱器(熱管)則采用相變吸熱、毛細回流的熱展開方式;第三代CPU散熱技術(以水冷為代表)采用水對流傳熱來實現熱展開過程。

  劉靜談到,這三代散熱技術在麵臨極端高熱流密度散熱問題時,都存在不易克服的瓶頸。就拿水冷來說,管道內易發生沸騰相變,會導致嚴重的係統穩定性問題,且其驅動需要借助機械泵,這會使得硬件設備較大。

  “這對新一代散熱技術提出更高要求,在確保結構盡量簡單、可靠性強的前提下,散熱器應提供遠優於當前耐極限熱流密度的能力。”劉靜說,這就需要尋找具備更優異熱物理性能的材料。

  幸運的是,劉靜及其團隊研發的液態金屬就是此類典型。其導熱係數是水的60~70倍,捕獲熱量的能力比水強悍得多。此外,液態金屬的沸點高達2000℃,抗擊極端溫度的能力異常強,且性質穩定、無毒。

  綜合其係列優勢,液態金屬冷卻方法有望成為CPU散熱領域的第四代高端散熱技術。劉靜團隊這項於十餘年前提出的全球首創技術,陸續得到了國際學術界的高度認可,著名刊物《電子封裝雜誌》將2010~2011年度唯一的最佳論文獎授予該團隊。

  洞悉學術大家思想尋找突破點

  在低溫生物與醫學實驗室,科研人員拿起桌上的一隻燒杯向記者展示。杯中有銀白色的液態金屬,像水一般流動,其主要成分是镓,很難想象金屬能以這樣的形態出現在CPU的散熱器中。

  為實現這一目標,劉靜團隊付出的努力超乎常人想象。

  中科院理化所副所長劉新建在接受《中國科學報》記者采訪時表示:“理化所對於科研人員的要求就是麵向國民經濟建設的主戰場,研發的技術必須想辦法和社會結合起來,轉化為實實在在的真人视讯产品去應用。”

  這給劉靜團隊指明了方向。為找到先進的冷卻方法,他們窮盡全球的相關技術和專利方法,深入研究已有的各類型散熱材料及結構等。

  “早期查詢資料不像現在這樣方便,常常是幾大箱紙質文獻均須一一查找及複印。不過,借此可一覽和洞悉國際傳熱學大家們的思想和理念,意義非凡,也對後來開展液態金屬的研究有很好的積澱作用。”劉靜說。

  在以往的研究中,劉靜曾了解到在室溫下能保持液態的金屬,比如镓,但那時並未引起注意。長期的強化傳熱探索加之後期的積累,一些支離破碎的信息逐漸在劉靜腦海裏組建起來,量變引起質變的結果就發生了。

  “那天我冒出一個念頭,如果將镓引入到計算機CPU散熱中會怎樣?”劉靜說,那種興奮的感覺一下讓他的研究思路變得豁然開朗。於是,他帶領團隊開始進行大量試驗,而在那之前並沒有人嚐試過。

  如今,他們研發出利用低熔點金屬或其合金作為冷卻流動工質的計算機CPU散熱器,最大限度地解決了高熱流密度的散熱難題。

  液態金屬借助電磁泵驅動

  “你看這款散熱器中的管道裏,流淌的就是液態金屬。”依米康運營總監吳海燕向記者展示了一款他們和理化所共同研發的coollion“冰魔方係列”液態金屬散熱器。其外觀小巧,設計風格也挺潮,頂部還布有4個嵌入式LED燈,部件結構緊湊,便於安裝使用。

  她還談到,和水冷散熱器需要的機械泵不同,這款真人视讯产品同樣靠的是劉靜教授團隊研發的電磁泵驅動技術,能使液態金屬像水一樣在管道裏循環。

  劉靜解釋說,考慮到液態金屬流體的導電特性,他們研發了能與其匹配的電磁泵驅動技術。體積很小,裝載在管道上,隻須接入電流,電場和磁體相互作用就能驅動液態金屬循環流動起來。

  “起初,真人视讯也遇到很大挑戰。盡管電磁泵的電壓不高,但需要10~15安培的大電流。”劉靜說,他們為此花了8個多月的時間進行研究和改進,最終達到所需的大電流。第四代電磁泵的驅動電流甚至降到1安培以下。

  解決大量技術問題後,散熱器成本得以大大下降。起初做出的一台液態金屬CPU散熱器僅材料成本就有幾千元,但當下已實現真人视讯产品化的散熱器包括材料及加工在內的成本隻需幾百元,這為規模化應用奠定了基礎。

  “技術授權”實現“高科技輻射源”

  “理化所和真人视讯的這個項目合作至今已有兩年多時間,主要通過技術授權的方式。起初真人视讯和理化所接觸時,就看好液態金屬散熱技術專利。”吳海燕表示,一方麵是信任“科研國家隊”的實力,另一方麵是這項技術的優越性和開創性非常誘人,作為企業應把這項技術開拓到相對應的市場中去,使之被廣泛應用。

  除了計算機領域,液態金屬熱管理技術還能應用於醫療激光、軍工

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業、高熱能產業等眾多領域。

  理化所和依米康合作的高性能液態金屬CPU散熱器項目,在2011年榮獲第十三屆北京技術市場金橋獎項目一等獎。在中國科學院北京國家技術轉移中心和理化所產業策劃部組織推動下,作為首批在京轉化落地的北京市重大科技成果,獲北京市重大產業化項目支持,促進了該項目發展。

  2012年,中國科學院北京分院與中關村管委會授予項目科研團隊“科技成果轉化獎二等獎”,肯定了項目團隊參與技術轉移和成果轉化的工作成效。

  如今,該項目已發展出麵向不同客戶群的係列高性能液態金屬CPU散熱器真人视讯产品,如淩雲者X、BMR波浪A-1、BMR波浪A-3、特種冰等。

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