大家好！在这个科技飞速发展的时代，电子设备越来越小巧，功能却越来越强大。可这也带来了一个大麻烦，它们在运行时会产生大量热量，如果不能及时散出去，性能就会大打折扣，寿命也会缩短。今天，我们就来一起来了解一种自适应两相热循环系统（AHP）——《Adaptative two-phase thermal circulation system for complex-shaped electronic device cooling》发表于《nature communications》，看看它是如何解决复杂形状电子设备散热难题的！
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一、电子设备散热难题大揭秘
电子设备小型化使热通量密度剧增，热管理至关重要。现有热管理技术，如强制风冷、微通道冷却等受空间限制，而被动热管理技术中的柔性热膜长距离传热衰减大，传统相变传热系统设计自由度低，难以满足复杂形状电子设备的散热需求。
二、AHP闪亮登场
为了攻克这些难题，我们研发出了一种超厉害的自适应热管（AHP）！它就像是电子设备的专属“空调”，能适应各种复杂形状，不受空间限制。AHP利用定制逆向工程和数据驱动的三维热键合技术制造而成。它的结构很独特，由热管外壳和自支撑芯体组成。外壳是两层铝塑膜，利用内层聚丙烯的热塑性，在特定温度下施压就能实现热键合。自支撑芯体则是由三维结构的多层铜网制成，通过化学沉积亲水纳米片增强了毛细管力。这两者相互配合，形成了气液共面的两相循环结构。
AHP的设计自由度超高，有四个“超能力”：法向弯曲、径向弯曲、扭转和横向调整。不管电子设备的表面有多复杂，它都能轻松贴合，建立稳定的三维相变路径。从下图就能很直观地看到它的这些设计自由度，是不是很厉害？而且它的导热性超强，最高能达到11363W/m・K，在实际应用中，完全可以把它当成一种超高导热性的材料，它不仅能散热，还能作为电子设备的内部支撑，甚至可以成为设备外壳或其他结构部件的一部分，真正实现了结构和功能的一体化。
三、AHP的制备秘籍
AHP的制备过程也充满了科技感。没有采用传统的选择性激光熔化（SLM）技术，而是利用数字光处理（DLP）3D打印技术来间接制造复杂形状的AHP。
在设计阶段，以目标电子设备的复杂形状为基础，通过逆向设计策略来确定AHP的三维构型。就拿混合现实（MR）耳机来说，先把目标模型转化为空间点云数据，然后沿着目标的边缘和曲率突变区域规划轨迹，提取关键坐标点。再根据这些点生成三角形网格，构建出3D表面，最后通过拓扑等价映射算法得到铝塑膜的2D平面形状。
到了制造阶段，热键合是个关键环节，它直接影响两相循环系统的密封性能。我们用螺栓提供三维法向压力，柔性碳织物作为内部热源产生焦耳热。通过DLP光聚合3D打印技术制作定制树脂模具，把碳织物和热管组件组装在模具里，在压力和热量的共同作用下，完成复杂形状外壳的热边缘密封。最终制造出的AHP能在复杂的三维构型下高效地进行两相热循环，从热成像图中就能看到，在点热源的作用下，它能让整个环形曲面保持相对均匀的温度分布。还为相机、无人机、灯具等典型的3D复杂电子设备定制了AHP，它们都能完美贴合设备的自由曲面，实现出色的三维散热管理。
四、AHP性能大揭秘
（一）3D形状对两相逆流夹带的影响
AHP的运行极限是衡量它性能的重要指标。热管理论告诉我们，热管有五个关键极限，对于AHP来说，在以水为工作流体的典型工作温度范围内，主要受毛细管极限和夹带极限的限制。毛细管极限就像是水管里的水因为压力不够流不动了，当两相循环中的压力降超过芯体提供的毛细管力时，工作流体就没法快速循环回去，蒸发器就会“干渴”。夹带极限则发生在气液界面，当气液逆流速度过快，蒸汽就会把工作液体卷回冷凝器，影响散热效果。
为了研究3D段对AHP性能的影响，进行了理论计算和实验测试。从理论计算结果可以看出，AHP在不同功率下的运行情况。实验中，以热管的法向弯曲状态作为基本的3D构型，通过在不同弯曲角度下测试AHP的性能，发现增加法向弯曲角度能提高AHP的运行极限。比如，当加热功率达到一定程度时，没有3D段的AHP温度会迅速上升，达到运行极限；而引入90°弯曲角度的3D段后，AHP的传热极限明显提高，180°时提升得更多。这表明3D构型能有效缓解夹带极限的发生，不同弯曲角度下AHP的运行性能对比就能看得很清楚。
还通过理论公式进一步探究了3D构型缓解夹带限制的机制。通过计算不同输入功率下的夹带极限，发现随着功率增加，蒸汽的无量纲动量通量变化最为明显，这说明蒸汽速度的变化对夹带效应影响很大。由于在微尺度下直接测量热管内蒸汽流速很困难，通过测量热响应时间来间接评估不同3D构型下的蒸汽速度，并修正了夹带极限标准。结果发现，随着弯曲角度增加，蒸汽通过3D段的热响应时间明显延长，这主要是因为弯曲段改变了蒸汽的流动压力降，而对液体压力降影响较小。此外，在冷凝器段构建3D段能更有效地缓解夹带现象，但如果在冷凝器段构建3D段位置不当，也会对液体回流产生不利影响，降低AHP的最大功率。
（二）AHP对空间状态变化的鲁棒性
在实际应用中，可穿戴和移动电子设备经常会改变空间状态，这对散热组件的性能是个很大的考验。在两相热循环系统里，空间状态变化会影响重力压降，这就好比水往低处流，重力会影响水的流动，在AHP里，重力也会影响工作流体的循环。为了确保AHP在各种空间状态下都能稳定运行，需要尽量减小重力压降的变化。通过理论计算，确定了AHP在不同加热功率下的毛细管驱动力、蒸汽压力降和液体压力降，找到了最大允许的重力压降。
然后，选择了三种不同的热管构型进行对比测试：直平板热管（2D）、完全变形的3DAHP（full3D）和中间部分3D变形其余部分平坦的AHP（partial3D）。从图3b的理论计算结果可以看出，2D直热管在不同空间状态下的重力压降变化最大，而partial3D和full3D构型的AHP重力压降变化明显更小，分别只有2D直热管的34%和37.5%。
在实际运行性能测试中，我们给2D热管和3DAHP都施加8W的加热功率，然后改变它们的空间状态，记录冷热端的温度变化。结果发现，2D直热管在空间状态变化时，冷热端温度波动很大，严重干扰了气液两相循环；而partial3D和full3D构型的AHP则能保持相对稳定的温度，温度差变化很小。这说明3D构型的AHP对空间状态变化的鲁棒性更强，更适合在实际应用中应对各种复杂的空间变化。
（三）AHP的机械强度
AHP不仅散热性能出色，还具备一定的机械强度。它可以像二维热材料一样，以各种形式集成到电子设备的机械组件中，实现结构和功能的一体化应用。为了验证这一点，对AHP进行了拉伸和弯曲测试，并与商业铜散热板进行对比。
在拉伸测试中，我们设计了哑铃形的拉伸试样，AHP的拉伸强度在30-40MPa之间，和环氧树脂等刚性塑料差不多。虽然和铜（>200MPa）相比还有差距，但对于大多数移动和可穿戴设备的外壳来说，已经足够满足机械要求了。而且，AHP内部的两相循环使其作为设备级应用材料时具有极高的导热性。从拉伸应力-应变曲线可以看出AHP在拉伸过程中的性能变化。
在弯曲性能测试中，我们准备了长方形的AHP和铜板试样，在4W加热功率下进行测试。结果发现，AHP的温度梯度更均匀，而铜板则出现了明显的热积累，温度分布不均匀。从压力-位移曲线可以看出，AHP的弯曲性能虽然比铜板稍弱，但也能满足一定的使用要求。
五、AHP的广泛应用
（一）VR头显中的应用
VR头显作为紧凑和复杂形状设备的代表，在使用过程中会产生大量热量，而且由于其特殊的结构，传统的散热组件很难有效集成。AHP的出现完美解决了这个问题，我们为VR头显定制了专属的AHP。
这款定制的AHP不仅是热管理元件，还能作为头戴组件的一部分。它与模拟芯片接触，将热量沿着三条路径分散，通过面垫和控制面板之间的间隙传递到外部，再沿着头带形成闭环结构，最大限度地增加了散热面积。
还将AHP与商业扁平热管和石墨烯薄膜进行了对比测试。在4W加热功率下，商业扁平热管虽然能实现平面内的均匀温度分布，但受2D形式限制，散热面积有限，热端温度超过100°C；石墨烯薄膜虽然能进行三维散热，但受单相热传导特性限制，温度梯度较大，热端温度达到84.7°C。而定制的AHP结合了两者的优点，实现了全面的三维两相循环冷却，能将温度降低到47.8°C。
在不同冷却条件和输入功率下，AHP的优势更加明显。在3W输入功率时，与2D微热管和石墨烯薄膜相比，AHP能使模拟芯片的平均温度分别降低48.59%和38.62%。而且，AHP的3D构型还能提高传热极限，以100°C为限，2D微热管在4W时芯片温度就会超过100°C，石墨烯薄膜在6W时也会超标，而AHP能将芯片加热功率提高到19W，分别是2D微热管和石墨烯薄膜的4.75倍和3.17倍。
此外，AHP还能为用户的头部提供结构支撑，在用户测试中，即使模拟芯片加热功率达到6W，AHP的最高温度也只有43°C，而商业冷却策略的温度则会超过100°C，存在烫伤风险。
（二）可拉伸两相循环系统
在一些极端环境下，电子设备对散热组件的要求更高。比如航天器发射、汽车行驶时会产生强烈振动，对电子设备影响很大；还有航空航天机械臂的跨轴平面之间的传热需求，也给传统热管技术带来了巨大挑战。
利用AHP的自由形式设计特点，开发了一种螺旋三维形状的可拉伸AHP，专门针对减震器中的弹簧组件。这种设计让热管能像弹簧一样伸展，适应传热平面之间的动态空间关系，确保稳定的热交换。
可拉伸AHP的轴向长度能在2L到3L之间变化，实现了三倍的伸展范围。在不同加热功率下的传热性能测试中，随着加热功率从1W增加到4W，冷热端温度差从11°C降低到9°C，热阻为2.34K/W，导热率为5335W/m・K。虽然螺旋构型在制造过程中会对内部芯体产生一定压缩，影响传热效率，但在构建的三维螺旋两相热循环路径中，机械拉伸对其宏观变形影响较小。从不同拉伸状态下的传热性能测试结果可以看出，在不同拉伸状态下，其热阻波动在±0.15K/W以内，传热性能变化很小。
在模拟不同平面之间的传热操作中，可拉伸AHP经过压缩、拉伸、轻度振动和强烈振动等极端条件测试后，热成像显示其性能没有严重损失。在200次压缩和拉伸循环测试中，虽然热端温度会有波动，但整体相对稳定，这说明拉伸循环虽然会对热管性能产生一定影响，但不会导致两相循环出现边缘泄漏或严重堵塞。
（三）磁控两相循环热交换机器人
随着信息技术和人工智能的发展，设备智能化成为未来发展的必然趋势。在热管理领域，如何冷却随机出现的热点，也就是在点热源坐标随时间变化时进行动态散热，是一个关键挑战。
我们利用AHP的自由形式设计特性，引入了气液两相循环热交换机器人的概念，为传统相变系统开发了智能应用模式。将AHP设计成封闭立方体，整个立方体作为统一的气液两相循环路径。
在立方体AHP的六个面内嵌入不同极化的磁铁，就形成了AHP热交换机器人。利用其立方3D形状，通过底部磁场操控，它能快速接近随机产生的热点。当它覆盖热点时，热量会通过两相循环壁迅速传导出去，防止热量进一步积累。从模拟的随机热点操作过程中可以看到，当热点出现时，AHP机器人会迅速翻转靠近热点，通过底部壁面接触热点，利用两相循环的快速启动和高效传热特性，将热量分散到整个机器人外壳，扩大了空气对流面积，实现高效散热。
六、总结与展望
AHP具有前所未有的形状设计自由度，其三维路径提升了传热极限，对空间状态变化的鲁棒性强。在VR头显应用中优势明显，且其特殊设计为两相热循环系统的发展提供了新方向。
七、一起来做做题吧
1、关于电子设备散热技术，下列说法正确的是？
A. 强制风冷和微通道冷却不受空间限制
B. 柔性热膜长距离传热效果好
C. 传统相变传热系统设计自由度高
D. 被动热管理技术利用材料高导热性散热
2、自适应热管（AHP）的结构组成不包括以下哪一项？
A. 热管外壳
B. 自支撑芯体
C. 石墨烯薄膜
D. 铝塑膜
3、在 AHP 的制备过程中，用于间接制造复杂形状 AHP 的技术是？
A. 选择性激光熔化（SLM）技术
B. 数字光处理（DLP）3D 打印技术
C. 光刻技术
D. 注塑成型技术
4、AHP 的运行极限主要受哪两个极限的限制？
A. 热辐射极限和热对流极限
B. 毛细管极限和夹带极限
C. 热传导极限和热扩散极限
D. 材料强度极限和密封极限
5、在 VR 头显应用中，与商业扁平热管和石墨烯薄膜相比，定制 AHP 的优势不包括？
A. 能降低模拟芯片温度
B. 能提高功率极限
C. 能提供结构支撑
D. 能实现平面内均匀温度分布
参考文献：
Xu, W., et al. Adaptative two-phase thermal circulation system for complex-shaped electronic device cooling. Nat Commun 16, 1713 (2025).
