Исследователи Томского политехнического университета совместно с коллегами предложили инновационный подход к созданию теплопередающих поверхностей материалов, используемых в системах охлаждения микрочипов современной электроники. Разработанное решение может стать основой для создания высокоэффективных адаптивных систем охлаждения для силовой электроники и высокопроизводительных процессоров.
Проблема теплоотвода в современной электронике
Эффективный теплоотвод играет ключевую роль в использовании интегральных схем (микрочипов) – основы современной электроники, применяемых практически во всех устройствах: от процессоров и смартфонов до компонентов систем искусственного интеллекта. Без создания новых высокоэффективных решений для охлаждения микрочипов невозможно дальнейшее развитие суперкомпьютеров, беспилотных автомобилей, робототехнических систем и других инновационных технологий.
Существующие 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/см², что делает наиболее актуальными двухфазные системы на основе фазового перехода.
Новый подход к созданию теплопередающих поверхностей
Ученые ТПУ предложили принципиально новый подход по созданию теплопередающих поверхностей с контролируемой смачиваемостью. Метод основан на сочетании лазерного текстурирования, лазерной химической модификации и термолиза многокомпонентных углеводородсодержащих жидкостей.
В ходе исследования использовались образцы из алюминиево-магниевого сплава – материала, широко применяемого в теплопередающих устройствах и системах охлаждения. С помощью наносекундного лазерного излучения в приповерхностном слое образцов создавали заданные текстуры, а затем определенным участкам поверхности придавали супергидрофобные и супергидрофильные свойства.
Технология создания бифильных материалов
Супергидрофобные свойства поверхностей достигались путем комбинирования лазерного облучения с последующей активацией приповерхностного слоя для адсорбции гидрофобного агента. Для этого использовалась обработка в аргоново-кислородной плазме и пришивка 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.
Перспективы применения
Разработанная технология позволяет создавать теплопередающие поверхности с заданной текстурой и смачиваемостью, что открывает новые возможности для управления процессами тепло- и массопереноса в системах охлаждения. Особенно перспективным является применение данного подхода в двухфазных системах на основе капельного орошения, способных эффективно рассеивать высокие тепловые потоки.
Новый метод может стать основой для создания адаптивных систем охлаждения нового поколения, необходимых для дальнейшего развития высокопроизводительных вычислительных систем и электронных устройств.