Сотрудники Томского политехнического университета совместно с коллегами из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН предложили новый подход к созданию теплопередающих поверхностей для систем охлаждения микрочипов. Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 5.8), проект реализован при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-73-30004.
Эффективный теплоотвод критически важен для работы интегральных схем, применяемых в процессорах, смартфонах, компонентах систем искусственного интеллекта. Рост вычислительной мощности требует совершенствования охлаждающих систем: однофазные решения обеспечивают отвод тепловых потоков только до 100 Вт/см², что делает перспективными двухфазные системы на основе фазового перехода.
Однако применение двухфазных систем, в частности капельного орошения, сталкивается с рядом проблем: необходимо интенсифицировать испарение капель, управлять режимами испарения и направлять хладагент в зоны максимального перегрева. Один из способов решения — создание поверхностей с заданной текстурой и контролируемой смачиваемостью, поскольку тепломассоперенос зависит от типа текстуры, шероховатости и гидрофильно-гидрофобного контраста. Лазерная модификация металлических поверхностей показала значительные преимущества, но большинство существующих исследований используют контрастное текстурирование, меняющее как химический состав, так и морфологию материала, что затрудняет анализ эффективности охлаждения.
Сочетание лазерного текстурирования и термолиза
«В данном исследовании мы предложили новый подход по созданию теплопередающих поверхностей с контролируемой смачиваемостью. Он основан на сочетании лазерного текстурирования, лазерной химической модификации и термолиза (термического разложения веществ) многокомпонентных углеводородсодержащих жидкостей», — рассказал руководитель проекта, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Дмитрий Феоктистов.
Для экспериментов использовались образцы из алюминиево-магниевого сплава — материала, распространенного в теплопередающих устройствах. С помощью наносекундного лазерного излучения на поверхности образцов создали заданные текстуры, затем определенным участкам придали супергидрофобные и супергидрофильные свойства. Супергидрофобные области получали комбинацией лазерного облучения, обработки в аргоново-кислородной плазме и пришивки алкильных групп из продуктов термолиза моторного масла. На супергидрофобные участки лазером наносили сверхгидрофильные области. Готовые бифильные (контрастные по смачиваемости) материалы нагревали до температур от 20 до 300 °C для изучения испарения капель.
Эффективность зависит не только от скорости испарения
Исследователи изучили конфигурации текстуры, комбинации гидрофильно-гидрофобного контраста, режимы и скорости испарения, конвективные и температурные поля в капле. Разработанный подход позволил впервые оценить эффективность применения заданных смачивающих свойств и текстуры для охлаждения приповерхностного слоя материала.
«Для поверхностей теплообмена с пространственно-контролируемым контрастным смачиванием (бифильных поверхностей) скорость испарения не может служить единственным корректным критерием оценки эффективности охлаждения, поскольку традиционный подход, связывающий эффективность охлаждения с интегральной потерей массы капли на поверхности раздела теплоноситель/воздух, является упрощенным и не учитывает специфических механизмов теплообмена на таких поверхностях», — отметил Дмитрий Феоктистов.
Бифильные поверхности с долей супергидрофобной области от 30 до 45% обеспечивают снижение температуры в приповерхностном слое образца в 6 раз больше, чем на контрольных полированных образцах, несмотря на сниженную скорость испарения на 29–74%. Кроме того, оптимальный контраст смачивания сдвигает максимальную эффективность охлаждения в сторону более высоких температур: 160 °C против 140 °C для полированной поверхности. Для поверхностей, сочетающих высокую шероховатость с гидрофильными/супергидрофильными областями, эффективность охлаждения при умеренных температурах возрастает до 20 раз.
Полученные данные могут лечь в основу нового подхода к созданию теплопередающих поверхностей, спроектированных так, чтобы точно направлять и удерживать капли охлаждающей жидкости в областях чипа или силового оборудования, испытывающих наибольшие тепловые нагрузки. Это позволит создавать высокоэффективные адаптивные системы охлаждения для силовой электроники и высокопроизводительных процессоров.