《Chemical Engineering Journal》：Hierarchical metal–oxide composite architectures for enhanced coupled radiative and convective heat dissipation
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通过氢气泡模板技术和原位氧化工艺，构建了一种分层式的“结构与结构上的”铜合金架构，从而实现了高导热性与高表面发射率之间的平衡。
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通过氢气泡模板技术和原位氧化工艺，构建了一种分层式的“结构与结构上的”铜合金架构，从而实现了高导热性与高表面发射率之间的平衡。
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该设计将热传递路径分离出来，同时通过几何光子捕获效应实现了接近1的宽带发射率（>0.95），并通过分层多孔结构增强了了对流热传递。
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在被动冷却条件下，与原始铜相比，这种HBT-CuO散热器能够使温度降低超过18°C，显示出在高性能电子设备中的优异热管理能力。
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在实际商用CPU上的测试表明，在满负荷运行时，该散热器的温度降低了约6.7°C，并且在强制气流条件下，整体热传递系数提高了23%以上。
引言
现代电子产品的不断小型化和功能集成引发了热管理危机，使得散热成为限制下一代设备性能和可靠性的主要瓶颈。[1][2] 从5G通信基站和高性能计算单元到高功率发光二极管（LED）和电动汽车动力模块，电子组件的功率密度正在呈指数级增长。[3] 例如，下一代绝缘栅双极晶体管（IGBT）芯片的热流量预计将从目前的100–150 W/cm2增加到超过500 W/cm2。[4] 如果这些热量不能有效散发，将会导致结温过高，从而引发诸如焊料分层、介质击穿和芯片不可逆裂纹等关键故障。[5] 令人惊讶的是，超过55%的电子故障直接源于热量积聚和局部热点。[6] 尽管主动冷却技术（如液冷和热电冷却器）被广泛使用，但它们对外部能源的依赖性、庞大的外形以及复杂的维护要求严重限制了其在重量敏感和分布式应用中的可扩展性。[7] 因此，无需消耗能量的被动热管理策略成为了可持续的替代方案，并受到了大量研究关注。[8]
在被动冷却领域，金属散热器（如铜和铝）因其出色的导热性和机械强度而成为主流选择。然而，金属的物理特性存在一个矛盾：虽然它们是优秀的热导体，但却是糟糕的热辐射体。[9] 根据斯特凡-玻尔兹曼定律，辐射热散失与表面发射率（ε）成正比。[10] 然而，未经处理的金属表面（通常被称为“红外白色”材料）由于自由电子浓度高，在中红外区域（3–25 μm）强烈反射电磁波，导致发射率极低（ε < 0.05）。[11] 这种“红外白色”特性严重阻碍了辐射热传递，使得金属在自然对流受限或需要最大化总热流量的情况下效率低下。[12][13]
为了克服这一限制，人们研究了表面工程技术，将“红外白色”金属转变为高发射率的“红外黑色”表面。传统方法通常涉及涂覆高发射率涂层，如碳基材料、陶瓷或有机聚合物。[14][15][16][17] 尽管这些涂层可以提高发射率接近1，但它们的导热性往往较低（聚合物的导热系数通常< k < 0.5 W/mK）。[19] 这些缺点引入了显著的热阻，抵消了增强辐射的好处。[20]
最近的研究越来越关注所谓的“超金属”概念，即通过化学氧化或蚀刻直接将金属表面转变为功能化的氧化物层，从而无需额外涂层。[21][22] 例如，Ren等人报道了一种由二维纳米片组成的无树脂涂层，实现了0.97的超高峰值发射率，同时有效避免了有机粘合剂常见的界面热阻。[23] 另一种方法是Tian等人利用溶液处理氧化技术在铝和铜基底上生长金属氧化物纳米结构，利用金属-氧键的强振动模式实现宽带红外吸收。[24] 总体而言，这些研究表明，通过精心设计的表面微/纳米结构，可以有效地管理光子，从而显著提高辐射热散失效率。[25]
然而，尽管高发射率涂层、氧化金属表面和超金属启发设计取得了显著进展，但大多数研究主要集中于增强辐射热散失。相比之下，对于对流热传递的同步优化关注较少，而对热传递系数的定量分析以及在真实电子设备上的实际验证仍然相对有限。[25] 大多数报道的“红外黑色”修改仅依赖于纳米级纹理（通常Ra < 5 μm）来最大化光子管理。虽然这些表面在光学上更优，但在被动冷却条件下，它们对气流行为的修改能力和增强对流热散失的能力有限。[26] 由于被动冷却主要依赖于浮力驱动的气流（< 0.5 m/s），缺乏宏观纹理限制了提高空气可接近性和气流-表面相互作用的能力。[27][28] 因此，开发能够同时增强辐射和对流热传递的表面工程策略仍然是一个关键挑战，同时还需要确保其在实际电子热管理系统中的可行性。
这一挑战源于辐射热传递和对流热传递的根本不同结构要求。高发射率通常是通过纳米级表面特征实现的，这些特征通过增加光子捕获和延长光子交互路径来增强红外吸收。然而，这类纳米级结构对气流行为的影响有限，因为它们的特征尺寸远小于热边界层的厚度。因此，它们对对流热传递的增强作用很小。相比之下，对流冷却受益于更大尺度的表面特征，这些特征能够增加气流可接近性并增强气流-表面相互作用。具有纳米级以上尺寸的宏观多孔结构可以促进空气渗透，提高热交换效率。因此，仅针对辐射或对流优化的结构往往无法最大化整体冷却性能，这突显了需要能够同时解决这两种机制的多尺度架构的必要性。
为了克服这一内在限制，需要一种根本不同的表面设计范式。我们提出了一种多尺度“结构与结构上的”设计原则，将不同长度尺度上的辐射和对流热传递路径分开。这种策略不是在单一尺度上优化表面发射率（这不可避免地会妨碍气流传输），而是在空间上将光子管理和气流相互作用增强分开。具体来说，纳米级的CuO特征通过几何光子捕获和强红外吸收来增强宽带红外发射率，而微米级的蜂窝状大孔则增加了气流可接近的表面面积，创建有利于空气传输和热交换的相互连接的通道。遵循这一原则，我们通过氢气泡模板技术（HBT）结合可控氧化重新构建了铜表面，实现了一种分层Cu/CuO架构（HBT-CuO），从而在真实的被动冷却条件下同时增强了辐射和对流热散失。
部分摘要
化学品和试剂
硫酸铜五水合物（CuSO?·5H?O，≥99.95%）、氢氧化钠（NaOH，≥99.9%）和过硫酸钾（K?S?O?，≥99.5%）从Aladdin Reagents购买。葡萄糖从Sigma-Aldrich获得。硫酸（H?SO?，AR级）、盐酸（HCl，AR级）、丙酮和无水乙醇（AR级）来自成都金山化学试剂有限公司。商业纯铜片由上海伟才炭源科技有限公司提供。所有化学试剂均为分析级。
协同冷却机制的理论建模
对于在被动冷却条件下工作的固体表面，热散失受内部热传导和通过浮力驱动的自然对流以及电磁热辐射的表面介导的热排斥的协同作用控制。[29][30] 虽然金属散热器确保了高效的内部传导，但界面的总热散失能力（P_total）由辐射（P_rad）和对流（P_conv）两部分决定： P
结论
总之，我们通过开发一种分层式的HBT-CuO纳米结构，成功解决了金属固有导热性与表面辐射效率之间的关键差距。通过将动态HBT技术与可控化学氧化相结合，我们构建了一种坚固的“结构与结构上的”架构，在不同的冷却条件下同时提升了辐射和热传递性能。从机制上讲，这种“结构与结构上的”架构利用了几何特性……
CRediT作者贡献声明
赵强：撰写——初稿，监督，项目管理，资金获取，概念构思。 程杰：实验研究，数据分析，数据整理。 李豪松：撰写——审稿与编辑，可视化，验证，方法论。 孙慧婷：软件开发，数据分析。 王家福：验证，软件实现。 李静泽：可视化，资源管理，实验研究。 张继华：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本项目得到了《四川省科技计划》（项目编号2026YFHZ0119）和《国家重点研发计划》（项目编号2017YFA0701001）的支持。
赵强 | 程杰 | 李豪松 | 孙慧婷 | 王家福 | 李静泽 | 张继华
