《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Inverse Marangoni effect enhances thermal performance in self-driven microchannel heat sink with self-rewetting fluids
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•自润湿流体首次应用于自驱动微通道散热器。•机理与宏观实验验证了逆马兰戈尼效应增强散热。•6?wt%丁醇水溶液使蒸发腔温度降低10.55?°C。•6?wt%丁醇水溶液使有效热导率提高22.67%。引言集成电路的高密度集成[1]导致电子热流密度逐年增加，严重影响其功能和使用寿命[2
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自润湿流体首次应用于自驱动微通道散热器。
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机理与宏观实验验证了逆马兰戈尼效应增强散热。
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6?wt%丁醇水溶液使蒸发腔温度降低10.55?°C。
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6?wt%丁醇水溶液使有效热导率提高22.67%。
引言
集成电路的高密度集成[1]导致电子热流密度逐年增加，严重影响其功能和使用寿命[2]。针对小型化电子设备的散热需求，新型超薄热管的开发与研究受到了广泛关注。硅基热管[3], [4], [5], [6], [7]因其易于刻蚀且能与芯片集成键合，被广泛应用于集成电路散热领域。硅基回路热管已成为研究热点之一。
从可行性验证到结构改进和工作介质筛选，国内外学者对硅基微型回路热管开展了一系列研究。Kirshberg等人[8]开发了一种利用毛细管结构实现自循环的硅基微型回路热管(MLHP)。随后，Liepmamil等人[9]制造了第二代微型毛细管泵送回路，实验表明其可耗散约4?W的热量，证明了此类微型回路热管在传热方面的可行性。Dhillon[10]设计了一种具有平面毛细芯的微型回路热管，以去离子水为工作介质，实现了41?W/cm2的最大热流密度。Song等人[11]对以去离子水为工作介质的超薄硅基回路热管进行了可视化实验研究，在蒸发器温度约160?°C时实现了37.5?W/cm2的热流密度。Shen等人[12]将歧管微通道与超薄回路热管结合，使用HFE7100、乙醇和丙酮作为工作介质，获得了28.08?W/cm2的最佳热流密度。Zhou等人[13], [14], [15]制造了具有微柱阵列毛细芯的硅基回路热管，以乙醇为工作介质。毛细芯提供足够的毛细力并增加传热面积，使热管能够适应热流密度的变化。随后，通过优化毛细芯结构和改善润湿性，进一步增强了传热性能。这些研究证明了硅基微型回路热管在散热领域的优异性能和巨大潜力。
结合上述微型回路热管和当前热管应用，结构构型、几何参数、倾角[16], [17]和工作介质[18], [19]等关键参数对启动特性和传热性能具有显著的调节作用。工作介质不仅仅是“传热介质”，工作介质的选择成为整个系统中具有灵活调节空间的核心优化要素，决定了长期稳定性和传热极限。针对不同的热管理环境，超薄回路热管中使用的工作介质类型多种多样，包括乙醇、丙酮、甲醇、水、氨等。
上述多种工作介质作为常见流体，其马兰戈尼效应（表面张力随温度升高而降低）会导致热流体向冷端迁移，从而削弱传热性能，甚至导致局部过热恶化。相反，具有逆马兰戈尼效应的自润湿流体可以实现热端向冷端的反向润湿，从而抑制传热恶化。“自润湿”的概念最早由Abe[20]提出。微重力条件下的单气泡实验定性地揭示，在自润湿流体(SRWF)中，耦合的马兰戈尼效应诱导液体向成核位点流动。热管性能测试表明，稀醇水溶液显著改善了热管的烧干极限和热阻，尤其是在较小尺寸下。基于此效应，许多研究者开展了各种传热实验。Hu等人[21]实验研究了庚醇水溶液的沸腾特性，结果表明庚醇水溶液的临界热流密度(CHF)是纯水的2.52倍，表明自润湿流体可以大大增强CHF。Zhou等人[22]、Sefiane等人[23]、Mo?e等人[24], [25]、Yan等人[26]、Pienaar等人[27]和Venter等人[28]也进行了类似的自润湿流体沸腾实验，大多数结果证实了自润湿流体对沸腾散热的增强作用。详细结果列于表1。关于热管散热，Wu等人[29]测试了以6%丁醇水溶液为工作介质的回路热管。临界热负荷为650?W，总热阻为0.25?°C/W。与使用常规工作介质的LHP相比，临界热负荷提高了2.5倍，总热阻降低了约60%，表明自润湿流体在改善LHP传热性能方面具有巨大潜力。Boubaker等人[30]实验研究了多孔介质中的相变现象。结果表明，丁醇的添加大大改善了自润湿流体与毛细芯结构之间的润湿性。此外，Peyghambarzadeh等人[31]、Fumoto等人[32]、Singh等人[33]、Gao等人[34]、Baek等人[35]、Guo等人[36]、Sun等人[37]也研究了自润湿流体在热管装置中的传热增强效果，详细内容列于表1。上述研究表明自润湿流体的逆马兰戈尼效应在传热领域的重要作用。
根据现有研究，SRWF将提高池沸腾传热过程的临界热流密度，降低热管的工作温度，并增强传热性能。然而，迄今为止，关于SRWF的逆马兰戈尼效应应用于微型回路热管的研究尚未见报道。从微观机理到宏观性能缺乏系统研究，也缺乏可视化现象来支持实验数据。
因此，提出了一种自驱动微通道散热器(SMHS)，这是一种新型的硅基微型回路热管，在自驱动微通道内，除了毛细力之外，还提出了另一种驱动力——逆马兰戈尼力。基于液滴蒸发热运动和气泡热运动研究了SRWF的散热增强机理，并通过可视化实验研究了不同工作介质和不同输入功率下自驱动微通道内的流动和传热性能。通过对比分析热流密度和有效热导率，揭示了逆马兰戈尼效应在调节传热性能中的重要作用。
章节片段
SMHS的设计与制造
所设计的SMHS总体尺寸为48?mm?×?24?mm，厚度为0.8?mm，包括蒸发腔微通道、蒸汽通道、冷凝腔、液体通道、补偿腔和充注口等核心部件。各组件的具体物理参数详见表2，结构细节可参见图1(a)。工作介质循环的实现过程如下：由
结果与讨论
本节从机理研究到宏观性能研究，系统研究了逆马兰戈尼效应强化传热的特性。
接触角是固-液、固-气和气-液分子间相互作用的直接表现。在液滴、加热表面和空气的交点处，沿液滴表面的切线与加热表面的平行线之间形成的角度为
结论
本文研究了一种面积为48?mm?×?24?mm、厚度为0.8?mm的硅基超薄自驱动微通道散热器(SMHS)。在SMHS内部提出了一种新的驱动力——逆马兰戈尼力。以去离子水和自润湿流体为工作介质，依靠管内液滴蒸发热运动和气泡热运动，开展了逆马兰戈尼效应的机理分析实验。在此基础上，
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Yu-Bin Dai: 写作 – 审阅与编辑, 写作 – 原稿, 可视化, 验证, 资源, 方法学, 调查, 数据管理, 概念化。 Yi-Tao Shen: 可视化, 方法学, 调查, 概念化。 Bao-Yu Yang: 写作 – 审阅与编辑, 写作 – 原稿。 Hua Chen: 写作 – 审阅与编辑, 写作 – 原稿。 Wen-Long Cheng: 写作 – 审阅与编辑, 写作 – 原稿。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作受国家自然科学基金（批准号52376153）、安徽省自然科学基金（批准号2408085ME126）、中国科学院上海技术物理研究所科教融合专项创新项目（批准号SITPKJRH-2025-10）、中国科学技术大学青年科学基金（批准号Y2025G008B）、中国科学技术大学学生创新创业基金资助
Yu-Bin Dai|Yi-Tao Shen|Bao-Yu Yang|Hua Chen|Wen-Long Cheng
