CPU芯片散热方面的应用，随后引起多方关注，国内外普遍围绕液态金属作为冷却液展开研究。2013年华中科技大学

密度 热容 粘度 导热系数 熔点

邓越光对实验热物性

g/cm3 J/(g.K) ×103Pa.s W/(m.K) ℃

的液态金属的

水 1.00 4.18 1.00 0.60 0 原型的关键参

镓铟合金液态金属 6.36 0.37 0.35 39 15.3 了优数进行

化。热传导回路中的电磁泵和翅片散热器是影响冷却系统的表现的关键因素。经过实验比较，尽管液态金属的散热效果在热功率低于100W时仅次于热管，但是，在加热功率在400W或更高时，液态金属有更好的散热性能。图5、6 为电磁泵及其原理示意图。液态金属目前的工作主要包括降低液态金属的熔点，研究液态金属的粘度、导热系数、比热容等热物性和驱动方式及寻找新的液态金属成分以降低成本等方面。2005年，第一家液体金属散热器公司Dynamics成立，2008年，第一代液态金属散热器LM-10问世，后来又有其升级版问世。

图5 典型的电磁泵

图6 泵内流体的路径示意图

表4 镓铟合金液态金属与水的部分热物性

液态金属是熔点特别低的金属如Na、K、Ga、In等形成的合金，其在常温甚至零度以下也保持液体形态，从而能够代替水等常规冷却液。由于金属的导热系数远远高于水，液态金属的流动性能也非常出众，同时熔点也可以降低到零度以下，与水相比其使用范围更广，因此液态金属有很大的潜力。镓铟合金液态金属与水的热物性比较如表4所示。

为进一步提高液态金属的导热性能，马坤全等根据纳米流体理论，以液态金属为基液，添加纳米颗粒，配制成纳米流体。由于大多数固体材料的导热系数均大于液体，因此由颗粒和流体组成的混合物导热系数将高于液体本身的导热系数，而且液态金属的密度大，可以使纳米流体的颗粒含量更高且不易沉降，同时系统也更加稳定，导热性能比其他基液的纳米流体更强，制备以液态金属为基液的纳米流体是目前研制导热性最强的终极冷却剂的技术途径。另外，液态金属还可采用电磁驱动的方式进行驱动，这种驱动方式无运动部件，具有可靠性高、振动噪声小、结构简单紧凑、功耗小、可控性强等优点。液态金属的优势非常突出，同时缺点也很明显，即价格昂贵。而相对低廉的Na、K合金又具有极大的危险性，用Ga、In做成的散热器LM-10的价格是目前最好的风冷散热器的３倍以上，但散热效果却没有明显改善，不具有市场竞争力。 3.3纳米流体

在普通冷却液（水、乙醇等）中添加纳米液滴，可以增强其导热性。2006年马里兰大学帕克学院机械工程系的Yang.b和Han,Z.H.等考察了纳米液滴添加到FC-72（全氟化学品）中对其传热能力的增强效果，其中液滴直径约9.8nm，体积分数为12%，测得的有效热导率增加了52%。由于FC-72常用于浸入式芯片散热的工质，添加纳米液滴到这种介质中可望提高芯片的冷却效果。由于固体颗粒具有比液体高几个数量级的导热性能，因此添加固体纳米颗粒配制成的溶液，其导热系数要比普通的纯液体高出许多。表5是多种纳米材料与水的导热系数的对比。

表5 多种纳米材料与水的导热系数

材料 二氧化钛 二氧化硅 三氧化二铝

铁 水

密度 g/cm3 4.270 2.640 3.965 7.874 1.000

导热系数 W/(m.K) 8.99 10.46 36.48 80.20 0.59

纳米流体是指在液体基液中加入金属、金属氧化物或非金属的纳米颗粒配制而成的较稳定的悬浮液。Eastman等通过气相沉积法制备了Cu－机油、CuO－水、Al3O2－水等几种纳米流体，通过静置实验及电镜观察发现，纳米流体悬浮液中粒子分散性较好、悬浮稳定性较高，纳米流体可稳定悬浮一周左右，且有效导热系数比其固相提高了40-150%。郭守柱等发现在液体中加入磁性纳米颗粒，在磁场的作用下可使液体导热系数提高300%。纳米流体在热力学上是一个不稳定的系统，悬浮着的颗粒终究会因团聚而沉降，因此延长颗粒物的悬浮时间便是一个非常重要的研究方向。杨雪飞通过对SiO2纳米颗粒进行表面改性，使SiO2表面形成“Si-O-Si”的稳定结构，从而制备出悬浮稳定性能优异的纳米流体，系统的稳定时间超过一年。金属单质的导热性能非常好，但纳米级别的金属单质具有危险性，因此应该在它们的氧化物中寻找更加合适的纳米粉体。目前对纳米流体的研究主要集中在系统稳定性和纳米粉体种类的选择上，其中碳纳米管、纳米SiO2、纳米CuO。

４ 结束语

计算机芯片的发热量不断增加，传统的风冷散热方式会被逐渐淘汰，功能更加强大的液体冷却方式将成为主流。散热器件和冷却液的性能直接影响着散热效果的好坏。常用散热循环系统、热管和液体喷射系统三者各有优点，但就目前来看，普通液冷循环系统更占优势；热管系统应该在降低成本和简化工艺上做

进一步的研究，其很有可能成为主流器件；而液体喷射技术则需要在简化结构和理论分析上做进一步的研究。水作为CPU散热的冷却液材料目前还能满足要求，但长远来看，纯水将被纳米流体和液态金属所替代。液态金属虽具有优于纳米流体的导热系数，但其高昂的价格难以让普通消费者接受，且性价比不高，降低成本和提高潜热等热物性将是其主要的研究方向。纳米流体具有很好的导热系数和较大的比热容，将会是未来CPU散热冷却液材料最合适的选择，其下一步的研究重点应放在提高稳定性和导热系数等热物性上。

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