综述：液体冷却技术：从分子设计、材料研究到应用实践

《Progress in Materials Science》：Liquid cooling – from molecular design, materials to technologies and applications

　　摘要
在5G/6G、人工智能和云计算等技术的推动下，系统功耗和热流持续增加。传统空气冷却技术的局限性日益凸显。历史上，从汽车发动机到马克沁机枪，人们已经使用液体冷却技术（用液体代替气体作为冷却剂）数个世纪之久。在现代，由于液体冷却技术具有优异的热传递性能和节能特性，其在数据中心、5G/6G基站、新能源汽车和能源领域的应用前景十分广阔。作为重要的热传递介质，冷却剂的热物理性质和电学性质决定了系统的冷却效率、能耗和安全性。然而，目前关于液体冷却材料的研究大多缺乏对其分子结构的系统回顾与总结。因此，本文首先概述了过去十年中主流的液体冷却技术类型及其散热机制，然后以分子微观结构对性能的影响为切入点，重点总结冷却剂的类别、性质、分子结构、性能、技术解决方案和应用前景，并分析影响系统冷却效率的因素及冷却技术的经济效益。在此基础上，本文提出了基于导热系数、粘度、电导率和冰点的四因素分析方法，用于比较和评估不同冷却剂。以数据中心为例，这些因素的权重分别为：导热系数0.338、粘度0.353、电导率0.186和冰点0.123。此外，本文还探讨了液体冷却技术在数据中心、5G基站、新能源汽车和电力变压器中的应用现状及选用方案，并讨论了该技术在实际应用中的指导作用及未来发展趋势。最后，本文希望成为设计下一代冷却剂和技术的最新综合性参考，为相关领域的科学家和工程师提供帮助。

引言
包括人工智能（AI）、物联网、下一代通信和智能交通在内的新兴基础设施技术正在融入生产、日常生活和认知领域，成为技术创新和社会进步的关键驱动力。电子设备的快速小型化和芯片集成度的不断提升导致功耗密度持续增加，从而引发了日益严重的散热问题[1],[2],[3]。早在20世纪80年代，集成电路的热流就已达到每平方厘米瓦特（W/cm2）的数量级。随着时钟频率和晶体管数量的增加，芯片热点处的热流进一步上升至数十W/cm2甚至数百W/cm2。预计下一代电子系统的热流将超过1000W/cm2[4]。如果热量不能及时有效散发，设备温度将超过安全阈值，导致性能下降、寿命缩短，甚至系统中断。图1展示了交通、国防、航空航天和能源等领域的高热流场景。对于卫星和飞机等载重系统，热故障可能带来灾难性后果[5],[6]。因此，热管理已成为支持电子设备持续升级的前沿技术，具有重要的科学价值和工程意义。

人类的循环系统类似于一个液体冷却系统：当环境温度升高或代谢产生的热量增加时，循环系统会启动精密的生理调节机制，血液作为“冷却剂”将热量传递到皮肤表面，通过辐射、对流和蒸发实现散热，使体温保持在约37°C的稳定状态[7]。电子设备的热管理同样遵循这一原理，也需要高效的“温度调节系统”来维持正常工作温度。液体冷却技术为发热组件创造了“循环系统”——冷却剂在封闭管道中循环，快速吸收并带走热量[2b]。随着人工智能计算能力的指数级增长，大数据、5G通信和新能源等技术也在向更高效率、更高集成度和更强智能化方向发展，导致电子设备功耗急剧上升。当设备热流超过200W/cm2时，热量分布呈现大面积覆盖、空间不均匀性和动态热负荷波动的特点，这与人体高强度运动时的热量产生模式非常相似。传统空气冷却技术受限于空气低导热系数的物理瓶颈，无法充分冷却高功耗设备；虽然增加气流可改善散热效果，但会导致能耗和噪音显著增加，且在动态热负荷下温控稳定性大幅下降[8],[9]。在这种背景下，液体冷却技术凭借其高效的热控制能力逐渐成为热管理的主流解决方案。

液体冷却并非新兴技术，其最早的应用可追溯到航空航天卫星热控制系统、火箭发动机冷却回路、机械加工中的切削液循环系统以及电力系统中的油浸式变压器[10],[11]。近年来，随着新能源汽车行业的快速发展，液体冷却技术也被应用于锂离子动力电池热管理系统，成为该领域的研究热点[12],[13],[14]。多项研究聚焦于动力电池的液体冷却技术，例如Tang等人（2024）[15]总结了多种优化方法来提升动力电池冷却板的散热性能，包括结构设计、空间布局、工作流体参数和系统集成。Wu等人（2025）[16]对浸入式冷却中的不同介电流体进行了全面分析，指出具有优异导热性和流动特性的水基流体是最适合的动力电池冷却剂。同时，数据中心和电子设备等领域的热管理研究也取得了进展[17],[18]。尽管液体冷却研究取得了显著进展，现有综述仍存在研究维度单一、系统性不足的问题[19],[20],[21],[22],[23]，大多数综述仅关注单一类型的液体冷却技术[18],[24]、单一冷却介质[25]或单一应用场景[26],[27]。目前尚无研究采用“冷却技术－冷却介质－应用”这一逻辑框架来梳理液体冷却技术体系、介质分类和应用场景。此外，现有研究未充分关注冷却剂分子结构与热物理性质之间的内在关系，缺乏对各冷却介质结构特性和性能优势的系统性比较与总结。

本文结构如下：首先回顾冷却技术的发展历史，总结液体冷却系统的分类、结构特点和工作原理，分析影响冷却效率的因素（尤其是冷却剂分子结构与导热系数之间的关系），并探讨冷却技术的经济效益；随后对冷却介质的类型、分子结构、制备方法、热物理性质及研究进展进行分类和总结（图3a），分析各类冷却介质存在的问题和适用场景；在此基础上，提出基于导热系数、粘度、电导率和冰点的四因素分析方法，以指导冷却剂的选型和优化，并以数据中心为例给出推荐权重；第三部分分析液体冷却技术在数据中心、5G基站、新能源汽车和电力变压器等场景中的应用现状和技术选型（图3b），并描述四因素分析方法在实践应用中的指导作用；最后基于现有研究成果和行业发展趋势探讨液体冷却技术的未来研究方向。本文旨在为新高性能冷却剂的发展和液体冷却系统的优化提供参考，推动新能源汽车、数据中心和航空航天等领域热管理技术的创新。

**节选内容**
**冷却技术**
空气冷却是一种传统的电子冷却技术，20世纪中叶开始普及。随着高性能计算和人工智能的快速发展，芯片热流密度持续上升，传统空气冷却已逐渐不足以满足需求。液体冷却凭借更高的比热容和导热系数，在散热效率上远超空气冷却，重新成为主流选择。

**液体冷却材料**
液体冷却技术中常用的冷却剂主要包括水、烃类、有机硅和氟碳化合物。这些介质因其优异的热物理性能和成本效益而成为主流选择。图16总结了代表性的分子结构，并从热物理性质和电学性质的角度比较和讨论了不同冷却剂的特点。

**液体冷却应用**
液体冷却技术凭借高效散热、安全可靠、环保且易于维护的优势，能满足大多数场景的散热需求。本文重点介绍了该技术在数据中心、5G基站、新能源汽车和电力系统中的应用实例和工作原理。

**结论与展望**
本文详细阐述了液体冷却技术的优势，系统回顾了其技术类型和工作原理，总结了冷却介质的类型、分子结构和热物理参数，并提出基于导热系数、粘度、电导率和冰点的四因素分析方法来指导冷却剂选择。最后，总结了该技术在相关领域的应用现状和实际进展。

**作者贡献说明**
Deng Kaimin：撰写初稿、验证、软件开发、数据分析、概念构思；
Liu Yanxia：审稿与编辑、数据可视化、软件开发、数据分析、概念构思；
Zhang Yagang：审稿与编辑、撰写初稿、验证、项目管理、方法研究、资金申请、数据分析、概念构思；
Li Ruoxin：数据验证、软件应用。

**未引用参考文献**
[66],[356],[359],[362]

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了四川省“天福埃梅”科技创新领军计划（2021年）、电子科技大学人才启动基金（A1098 5310 2360 1208）以及国家自然科学基金（21464015, 21472235）、北京市自然科学基金（IS23045）的财政支持。