随着集成电路朝着高度集成化、高功率和微小型化的方向发展,电子元器件的热流密度显著增大、且热点频发等问题给机电设备的稳定运行带来了严峻挑战。当前,约55%的电子元器件失效问题是由于高温造成的。当芯片表面温度超过348K时,温度每升高1 K,电子元器件的可靠性将下降5%。因此,开发一种能有效解决高热流密度问题且实现对热点自适应冷却的散热系统是极其必要的。基于此,本课题提出将温敏型水凝胶嵌入分形热沉中,开发出结合水凝胶“开关”特性的流量再分配自适应微细流道分形热沉散热系统,即:基于热点附近温度较高时,水凝胶发生形变,从而更多的流体被分配到热点附近通道,以实现对热点的高效自适应冷却。本文根据分形热沉的结构特点,采用遗传算法优化、多因素分析、CFD数值模拟和实验研究等方法,从热沉结构、流动和换热特性、水凝胶的合成制备、水凝胶在分形分支中对热点的自适应冷却实验、内嵌温敏型水凝胶分形流道热沉中不同分形级数对不同位置处热点以及不同分支数对不同面积热点的自适应流动传热特性等方面进行了深入研究,实现了基于温敏型水凝胶的溶胀-收缩特性对流量的自适应调节与具有热质高效传输特性的仿生分形微细流道相耦合,以此达到对芯片局部热点高效、快速自适应冷却的目的;阐明了不同热点热流密度下内嵌温敏型水凝胶分形流道热沉对局部热点自适应冷却的调控机制,并揭示了分形级数、分支数对内嵌温敏型水凝胶分形微细流道热沉热点的自适应冷却调控机制,为电子元器件局部热点频发问题的解决提供了理论指导和工程设计经验。首先,构建了广义分形流道热沉的理论流阻模型,研究发现:宽度对称而长度不对称的分形网络结构热沉对于降低热沉的泵功率具有积极意义。采用GA优化和CFD数值模拟相结合,获得了对称和非对称仿生Y型分形网络热沉在不同热阻约束下的最优几何结构参数。仿生Y型分形网络热沉的泵功率随热阻的减小而增大,且可划分为5个区域,即线性增长区域（I区）、线性增长向抛物线增长的过渡区域（II区）、抛物线增长区域（III区）、抛物线向指数增长的过渡区域（IV区）和指数增长区域（V区）。进一步CFD研究表明:在相同的分支数和热流密度下,对称分形网络热沉的温度均匀性要优于非对称仿生Y型分形网络热沉。其次,采用GA优化、CFD数值模拟和多因素分析相结合的方法,得到了不同分形级数分形热沉在不同约束热阻下的最优几何结构参数。相同的约束热阻下,更高分形级数的热沉具有更小的泵功率;考虑到本文优化时所采用的经验公式的适用范围以及实际加工的难度,最佳的分形级级数为4。此外,多因素分析得到了不同影响因素对换热、流动及综合性能（综合考虑传热和流动特性）的影响程度。此外,为制备高强度、快速响应水凝胶并使其能适用于分形流道中作为流动控制的阀门,提出了两步法合成PSG水凝胶的方法,并揭示了AM含量、SDS含量、NIPAM-co-AM交联剂合成时间和合成温度对于合成的PSG水凝胶性能影响规律;进一步地,采用实验方法对比了有/无内嵌温敏型水凝胶的分形微细流道对热点的冷却特性,揭示了水凝胶形变对热点自适应冷却的作用机制。然后,考察了不同分形级数的内嵌温敏型水凝胶分形流道热沉对均匀热流密度、不同位置处热点的流动、冷却特性。更高分形级数的内嵌温敏型水凝胶的分形流道热沉能处理的热流密度更高。水凝胶的引入在调控传热性能的同时,也会导致泵功率和压降增大。一级流道水凝胶对温度的敏感性低于二级流道水凝胶,但一级流道水凝胶对流量的调控作用强于二级流道水凝胶。随着热点位置远离圆盘热沉圆心,三个不同分形级数的分形热沉对于热点的感应和自适应调控能力都逐渐减弱。当一级流道中的水凝胶发生形变时,热沉对于流量的调控作用明显较强。考虑到不同分形级数热沉自身的散热能力以及基于水凝胶对热点的自适应冷却特性,三级和四级分形热沉对热点的综合冷却性能更佳。最后,研究了不同分支数的内嵌温敏型水凝胶分形流道热沉对均匀热流密度、不同面积热点的流动、冷却特性。增大分形热沉的分支数能有效地强化热沉自身的换热能力;当水凝胶都未发生形变和完全发生形变时,更高分支数热沉的泵功率更大。在小面积热点下,不同分支数的内嵌温敏型水凝胶分形流道热沉的自适应冷却能力都较差;而更高分支数的四级分形流道热沉自身的换热性能更优,且更高分支数的分形热沉更适用于更高热流密度和更大面积热点的自适应冷却。