高集成度计算机芯片引发的热障问题,已在热管理领域引起广泛关注。高性能和高可靠性变得越来越困难。传统的强化传热方法对复杂的电子系统显得力不从心。近年来的研究发现,采用液态金属芯散热可大大降低芯片的温度,由此引申出许多极为重要的基础与应用问题。本论文旨在针对这一崭新课题进行全面研究,所取得的进展包括以下几方面:1.针对低熔点金属或其合金的热物性数据比较缺乏的现状,本论文基于Faber-Ziman理论和Wiedemann-Franz-Lorenz定律,推导出了二元合金的导热系数预测公式,并利用TCI热导率测试仪测试出几种合金的热导率,还运用DSC测量得到几种合金的比热。2.与传统液体不同,液态金属流动换热有其自身的特点。论文讨论了绝热边界条件下流体流动换热的规律,评估了考虑轴向导热对流动换热的影响。进一步获得液态金属传热的理论分析模型。研究发现,是否考虑轴向导热的影响,主要看Peclet数的大小。当Peclet数较大时,轴向导热即可忽略。3.为进一步提高液态金属的热导率,论文提出旨在实现自然界导热系数最高的液体—纳米金属流体的概念,是对目前研究热点——纳米流体的一种深化,能解决普通纳米流体遇到的沉降和堵塞等问题,更重要的是,纳米金属流体的有效热导率远高于常规纳米流体。论文采用几中描述纳米流体的理论模型,预测了纳米金属流体的热导率。并考察了纳米颗粒的吸附,体积份额等对热导率的影响。由于具有大的热导率、表面张力以及可采用电磁驱动,液态金属是配制纳米金属流体的理想基液。4.鉴于液态金属的两大优点:优良的换热性能和导电性能,论文首次证实可以采用芯片自身能量驱动液态金属循环,从而达到冷却芯片的目的。其主要创新在于,引入了温差发电器,利用芯片与环境的温差发电对电磁泵供电。这种设备不消耗任何外部能量,因而是一种自适应的,完全静音的芯片冷却模块。实验证实采用一级或两级热电片即可实现较大的温度下降。而且,芯片散热越大,温差发电器产生的电流越大,从而可实现更多的温降。这种温差发电器-电磁泵-液态金属的组合有望在台式机和笔记本中获得广泛应用,特别是用在那些需要高效冷却,而又需要极低能耗的地方。5.在极端环境条件下,当温度低于低熔点金属的熔点时,低熔点金属或者合金可能发生凝固,这种情况不但使强化换热效果减弱,甚至可能恶化整个散热系统。所以,低熔点合金用作载热介质时,如何防止其发生凝固,是一个重要的问题,论文为此情况提出了内部安装加热丝的解决方法,并建立了数学模型,引入移动热源法、从理论和实验上进行了分析和研究,实验测试与理论结果吻合较好。该方法可确保液态金属循环快速启动和安全运行。