液态金属有关成果被认为是人类利用金属的第二次革命，在热障问题已成为制约高端应用关键瓶颈的当下，液态金属芯片散热技术的出现无疑给了解决问题的曙光，故此技术已成为热管理领域前沿热点。本书作者是该领域的先行者和开拓者，本书是国内***全面介绍液态金属先进散热技术的专著，学术内容崭新独到，具有十分重要的科学意义和实际参考价值。
【内容简介】
随着微纳电子技术的飞速发展，高集成度芯片、光电器件与系统等引发的热障问题，已成为制约高端应用的关键瓶颈，由此对先进散热提出了前所未有的需求。液态金属芯片散热正是在这样背景下诞生的全新技术，成为近年来热管理领域的国际前沿热点和极具发展前景的新兴产业方向之一，且在更广层面*散热领域的价值还在不断增长。为推动这一新兴学科方向的发展，本书系统阐述液态金属先进散热方法的基本原理与典型应用，涉及液态金属热物性、流动特性、材料相容性、驱动方法、传热特性、微通道散热、相变热控技术及其在CPU与LED等典型器件冷却上的应用等方面。本书可供热科学、物理、电子、机械、器件、材料、化工以及设计等领域科研人员、工程师以及大专院校有关专业师生阅读参考。
【作者简介】
邓中山：中国科学院理化技术研究所研究员、硕士生导师，从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究，承担多项国家自然科学研究基金、中国科学院基金项目，发表几十篇SCI论文，出版多部著作。
刘静：清华大学医学院生物医学工程系教授，中国科学院理化技术研究所研究员。先后入选中国科学院及清华大学百人计划，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事液态金属、生物医学工程与工程热物理等领域交叉科学问题研究并作出系列开创性贡献。成果在世界范围产生广泛影响，为众多国际知名期刊及专业网站广泛专题评介。研发的众多液态金属应用系统、高端肿瘤微创治疗装备及无线移动医学仪器等进入市场。出版《微米/纳米尺度传热学》《手机平台上的生物医学工程学：原理及应用》等9部跨学科前沿著作及20篇应邀著作章节；发表期刊论文480余篇（20余篇英文封面或封底故事）；申报发明专利200余项，已获授权130余项。曾获国际传热界*奖之一“The William Begell Medal”、全国首届创新争先奖、中国制冷学会技术发明一等奖、ASME会刊Journal of Electronic Packaging年度**论文奖、入围及入选“两院院士评选中国十大科技进展新闻”各1次，入选CCTV 2015年度十大科技创新人物等。
【目录】
第1章绪论1
1 1引言1
1 2芯片发展对先进冷却技术的需求1
1 3芯片散热代表性技术及发展趋势5
1 4液态金属芯片散热技术的兴起12
1 5本书内容和框架17
参考文献18
第2章液态金属导热特性21
2 1引言21
2 2液态二元合金导热系数的预测22
2 3液态金属热导率测量28
2 4本章小结45
参考文献45
第3章液态金属固液相变特性47
3 1引言47
3 2纯镓的相变特性48
3 3镓基二元合金相变特性的DSC研究66
3 4镓基多元合金相变特性的DSC研究89
3 5本章小结109
参考文献109
第4章液态金属与基底材料间的相容性111
4 1引言111
4 2液态金属与结构材料的典型腐蚀现象111
4 3液态金属腐蚀机理研究113
4 4液态金属腐蚀现象的量化分析方法116
4 5液态金属与典型散热结构材料的腐蚀实验研究118
4 6本章小结127
参考文献128
第5章液态金属热界面材料130
5 1引言130
5 2热界面材料技术概况及分类131
5 3接触热阻的测试方法133
5 4液态金属热界面材料135
5 5液态金属导热片热阻测试138
5 6液态金属基高导热电绝缘界面及封装材料142
5 7本章小结145
参考文献145
第6章液态金属相变热控技术147
6 1引言147
6 2相变材料的分类148
6 3液态金属相变材料151
6 4液态金属固液相变传热一般规律153
6 5应对*热冲击的液态金属相变热控技术172
6 6本章小结201
参考文献201
第7章液态金属流体驱动方法203
7 1引言203
7 2液态金属流体典型驱动方法203
7 3液态金属电磁泵特性分析209
7 4本章小结220
参考文献220
第8章液态金属流体散热技术222
8 1引言222
8 2液态金属流体散热技术的特点223
8 3圆管内液态金属流体换热理论225
8 4液态金属流体的换热系数229
8 5液态金属流道壁面温度231
8 6液态金属流体散热技术性能的数值评估234
8 7本章小结236
参考文献237
第9章液态金属强化传热方法238
9 1引言238
9 2液态金属两相流强化传热方法238
9 3液态金属微通道强化传热方法248
9 4液态金属强化传热场协同理论分析256
9 5本章小结261
参考文献262
第10章液态金属CPU散热器设计及性能评估264
10 1引言264
10 2液态金属CPU散热器的理论优化研究264
10 3液态金属CPU散热器的工艺优化研究280
10 4液态金属CPU散热器性能测试288
10 5液态金属CPU散热器的技术经济学分析294
10 6本章小结296
参考文献297
第11章液态金属大功率LED散热器设计及性能评估299
11 1引言299
11 2传热模型与优化设计300
11 3结构优化设计302
11 4高功率密度LED高杆灯液态金属散热器热学性能实验研究311
11 5本章小结322
参考文献322
索引324
【前言】
近年来，随着微纳电子技术的飞速发展，高集成度芯片、器件与系统等引发的热障问题，成为制约各种高端应用的世界性难题，突破高密度或超大功率器件与系统的散热瓶颈被提高到前所未有的层面。在这一态势下，本书作者之一刘静于2000—2002年间酝酿并首次在芯片冷却领域引入了具有颠覆性意义的通用型低熔点合金散热技术，有关工作随后在国内外学术界和产业界引发重大反响和大量后续研发，成为近年来热管理领域的国际前沿研究热点和极具发展前景的新兴产业方向之一，且在更广层面*散热领域的价值还在不断增长。在多年持续探索中，笔者实验室团队逐步构建起了液态金属芯片冷却的一系列基础原理与底层核心技术，发表了上百篇研究论文，获得底层专利授权百余项，还应邀在国际传热界权威综述系列《传热学进展》（Advances in Heat Transfer）发表了长达114页的专题评述，相应工作涉及常温液态金属强化传热、相变与流动理论，电磁、热电或虹吸驱动式芯片冷却与热量捕获，微通道液态金属散热，刀片散热，混合流体散热与废热发电，低熔点金属固液相变吸热，以及提出无水换热器工业，发明自然界导热率*的液态物质纳米金属流体及热界面材料等。这类从常温至2300℃均可保持液相且能根据应用场景灵活实现固液转换的全新一代热管理技术，在技术理念上彻底打破了传统模式。此前，工业界数十年来主要沿用空冷、水冷及热管散热，但性能已趋于瓶颈。
液态金属技术除了在高功率密度电子芯片、光电器件以及国防领域*散热上有着重大应用价值外，还被逐步拓展到消费电子、光伏发电、能量储存、智能电网、高性能电池、发动机系统以及热电转换等领域。作为性能卓越的热管理解决方案，液态金属为对流冷却、热界面材料、相变热控等领域带来了观念和技术上的重大变革，突破了传统冷却原理的技术极限，为大量面临“热障”难题的器件和装备的冷却提供了富有前景的解决方案。经过十多年的发展，笔者实验室已初步在常温液态金属冷却领域建立了相应的知识体系，在材料制备与表征、理论分析、数值模拟以及热控系统设计等方面形成了较为成熟的理论和技术储备，一批成果已在工业和商业领域得到规模化应用。有关研究曾获国际电子封装领域旗舰刊物《电子封装杂志》（Journal of Electronic Packaging ASME）2010—2011年度**论文奖，著名学者及该刊主编Sammakia教授（美国纽约州立大学宾汉顿分校副校长）曾致信称赞：“这是一项重要成就，因该奖每年仅颁发一次，且由全部论文公开竞争产生”；成果还另获多个产业奖项，如2008年中国国际工业博览会创新奖、第十三届北京技术市场金桥奖项目一等奖、全国首届创新争先奖等。
国际上，围绕液态金属芯片冷却的研究近年来也呈蓬勃发展态势。2004年，美国Nanocoolers公司获数千万美元资助开展液态金属芯片散热技术研究，并于2005年发布了液态金属CPU散热器样机。2009年，美国Aqwest LLC公司启动激光泵浦二极管的液态金属散热技术研究。2012年，德国成立液态金属研究联盟，斥资2000万欧元，用于研究液态金属技术特别是其中的流动和传热问题。2013年，美国阿贡国家实验室研制出加速器中子散射源液态金属散热原型机，将常温镓基液态金属引入冷却系统，取代传统上使用起来比较危险的钠钾合金。有意思的是，2014年，美国国家航空航天局（NASA）特别将液态金属冷却技术列为未来前沿研究方向。近期，国内外学术界和工业界更有大量研发团队纷纷涌入这一新兴的研究和应用领域。
总的说来，液态金属芯片热控领域取得的一系列基础发现，正成为发展全新一代冷却技术的重大核心引擎，一批市场产品已陆续问世。当前，液态金属散热技术的基础及应用研究已从*初的冷门发展成备受国际广泛瞩目的热门领域，影响范围甚广，正为能源、电子信息、先进制造、国防安全等领域的发展带来颠覆性变革，将催生出一系列战略性新兴产业，相应产业化具有巨大的发展潜力和市场空间。
鉴于液态金属先进散热技术的重要理论学术意义和实际应用价值，同时考虑到国内外比较缺乏相关著作，我们深感有必要将这一领域的基本原理、方法和应用情况及时传递给业界，以期有效引导和集合各方力量，共同促进新兴热管理科学与技术的进步，从而更好地推动社会进步。限于精力，本书不求穷尽液态金属芯片散热技术领域全貌，主要介绍笔者实验室在结合高热流密度散热领域内的关键科学与技术需求为导向开展的工作，简要阐述液态金属先进芯片散热的基本理论与技术体系，以及典型的应用问题。我们期待本书的出版有助于推动液态金属芯片散热这一新兴学科领域的可持续健康发展。需要提及的是，本书作者之一刘静此前已出版全面介绍液态金属芯片与器件冷却的英文著作Advanced Liquid Metal Cooling for Chip, Device and System（上海科学技术出版社，2020），限于时间和精力，未及将其译成中文，本书的出版一定程度上可弥补相关遗憾，可望为中文读者及时了解液态金属芯片散热领域发展概貌提供参考。以后若有机会，我们会进一步更新和补充中文著作。
本书主要反映的是笔者实验室近20年来的工作，同时对国际上涌现出的一些相关典型成果作了必要介绍。其间，实验室许多同志为此作出了大量贡献，包括邓月光、杨小虎、马坤全、肖向阳、张姗姗、高云霞、梅生福、谢开旺、李培培、李腾、李海燕、汤剑波、吕永钢、周一欣、刘明、谭思聪等。实验室有关研究先后得到中国科学院院长基金、中国科学院前沿计划、国家自然科学基金以及北京市科委的资助。本书内容也在笔者于中国科学院大学未来技术学院开设的同名研究生课程中讲解过三届，得到同学们的积极参与，书中内容也融入了一些反馈意见。在此谨一并致谢！
限于时间，加之笔者水平有限，本书不足和挂一漏万之处，恳请读者批评指正。
邓中山刘静
2020.3.30
【免费在线读】
