01 利用莲花金属的沸腾增强作用开发高效散热器
在用于大型服务器的高性能CPU和电动混合动力汽车（HEV）逆变器的功率半导体中，集成密度和功率正在增加，然而半导体封装尺寸正在变得越来越小。因此，半导体的单位面积功耗在增加，由此产生的发热密度也越来越高，越来越接近器件的热极限。利用莲花金属的沸腾增强作用开发高效沸腾冷却散热器是解决这一问题的办法。
莲花金属热能解决方案是东京理科大学Yuki Kazuhisa教授及其同事的研究成果，该项目开发于2009年12月开始，并于2021年完成。莲花热解决方案公司（Lotus Thermal Solutions Ltd.）正在主导基于具有定向孔的莲花型多孔金属的高性能散热器的制造、开发和销售。
莲花金属是一种多孔金属，形状如莲藕，有大量细长的孔隙，按同一方向排列。孔隙具有冷却增强特性，制冷剂在流动中对毛细孔进行冷却。由于孔隙是由含氢的熔融金属在凝固过程中由未凝固的氢气形成的，因此可以低成本地生产。
莲花金属沸腾传热示意图（图片源自：LTS）
基于莲花金属的沸腾增强作用开发的高效散热器，利用了沸腾冷却技术。沸腾冷却是一种用热源的热量使液体制冷剂加热沸腾的冷却方法，使用的是蒸发潜热（汽化热），它比传统的冷却方法效率高很多倍。
不同冷却系统的传热性能（图片源自：LTS）
碳化硅（SiC）是一种有前途的下一代功率半导体，其热密度为每平方厘米300-500瓦（W/cm2）。据说，有望成为下一代功率半导体的SiC的热密度为每平方厘米300-500瓦（W/cm2）。
下一代功率半导体碳化硅（SiC），其热密度为300-500W/cm2，为了在设备中使用SiC，必须由一个具有较高临界热通量（CHF）的部件来进行冷却。通过使用莲花金属的沸腾增强技术，莲花热解决方案公司已经成功地将CHF从大约200W/cm2提高到530W/cm2以上。
因此，利用莲花金属能够发展一种应对高热密度的沸腾冷却技术，并将其用于有效冷却汽车SiC半导体逆变电路和大型服务器的高性能CPU。
02 使用低密度多相液态金属填料制造高导热弹性体复合材料
为了克服软质材料的热传输限制，人们将液态金属（LM）分散在弹性体中，从而得到了具有前所未有的导热性能的柔性可变形复合材料。然而，LM的高密度（>6 g/cm3）和为实现高导热性而需要的高填充率（⩾85 wt%），导致LM弹性体的密度较大，这对于大面积、重量敏感的应用来说是个问题。
内布拉斯加大学林肯分校（ University of Nebraska-Lincoln ）Markvicka 教授的团队通过将嵌入了中空玻璃微球的镓基液态金属，填充进硅树脂中，获得了柔软且有弹性，并接近某些刚性金属（如钛或不锈钢）热导率的LM弹性体复合材料，其密度约为这些金属的一半。此项工作，为低密度高导热性的液态金属弹性体复合材料的制造提供了可行的方案。研究成果以“Lightweight, Thermally Conductive Liquid Metal Elastomer Composite with Independently Controllable Thermal Conductivity and Density”为题在线发表于《Small》期刊。
他们发现，通过材料间独特的结合方式，当液态金属液滴中容纳的中空玻璃微球体积从 0% 增加到50%时，材料的整体密度降低 了35%，而热导率仅下降 14%。这表明，嵌入中空玻璃微球的液态金属填料，在热导率和密度之间取得了良好的均衡，可以在不牺牲材料的轻巧及柔韧性的情况下保持较高的热导率。
Markvicka 教授的团队对复合材料合成进行了精细的工程设计，构建了复合材料密度和热导率的定量设计图，通过调整液态金属和玻璃微球的体积，可以独立控制复合材料的热导率和密度。
03 马勒：通过陶瓷涂层增强燃料电池铝冷却器性能
全球领先的汽车行业开发伙伴和零部件供应商德国马勒新闻稿称，其已经开发了一种用于燃料电池铝冷却器的新型涂层。马勒称，这种新涂层旨在将最大的运行可靠性与高冷却性能结合起来，并使燃料电池的使用寿命更长。新涂层不含任何重金属或其他有害环境的化学物质。
据悉，该开发工作涉及一种新的涂层，它是铝冷却器内表面上的一层薄薄的陶瓷层。马勒称，该涂层将很大程度上确保冷却剂中没有有害的离子输入，能在更长的时间内保持其非导电性。这点很重要，因为导电的冷却剂可能会带来有害的泄漏电流。
马勒工程师在斯图加特 H2 测试中心研究带冷却系统的燃料电池（图片源自：马勒）
马勒称，该冷却器中使用的冷却剂是高纯度去离子水，在与冷却器内的铝表面接触时，水会吸收微量的铝并可能获得导电性。然而，由于燃料电池中的冷却剂也与燃料电池内的载流部件接触，冷却剂必须保持不导电。因此，既要确保冷却剂不导电，又不会阻止组件内部的热量传递，陶瓷涂层在其中发挥了关键作用。
马勒在运输业零排放技术的许多领域都处于领先地位，并在涂层、流体管理、热管理、过滤和电子方面拥有强大的专业知识。
在氢燃料电池技术领域，马勒紧紧抓住行业需求的脉搏，专注于长途、重型卡车的应用，在氢燃料电池技术领域紧跟先行者的步伐。十多年来，这家德国公司一直是燃料电池汽车部件供应商。马勒公司在斯图加特附件运营着一个占地 1,400 平方米的氢测试中心，并且是氢气委员会的成员。
信息来源：热管理行业观察
