【AMF论文推荐】清华大学吕志刚教授团队：液冷陶瓷热沉增材制造的实验与数值研究|博士后|吕志刚|清华大学|热沉|论文|陶瓷

引用论文

Haoyuan Wang, Kehui Hu, Ming Cheng, Zhigang Lu. Additive Manufacturing of Liquid-Cooled Ceramic Heat Sinks: An Experimental and Numerical Study. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers. 2023, 2(4).

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100100.

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研究背景及目的

随着功率电子器件向高功率密度和小型化发展，散热已成为其性能和可靠性的关键限制因素。液冷陶瓷热沉将传统陶瓷基板与液冷热沉部件进行集成，能够缩短传热路径，提升散热效率。而对于陶瓷热沉所需的封闭内腔微细结构，利用传统工艺成形较为困难。因此，本研究旨在验证光固化增材制造技术应用于高效率复杂陶瓷热沉制备的可行性。

论文亮点

(1) 通过光固化增材制造技术制备了具有复杂冷却结构的陶瓷热沉，验证了将光固化增材制造应用于陶瓷热沉制备的可行性，推动了陶瓷热沉面向集成化功率电子封装结构的进一步应用；

(2) 利用增材制造的设计自由度优势，提出并实现了贯穿式的歧管微通道冷却结构，相比传统歧管微通道结构提升了散热效率，并减小了压力损失。

试验方法

首先构建了流-热耦合仿真模型，对陶瓷热沉在不同冷却工质流量下的性能进行求解。基于仿真模型的迭代设计，提出了贯穿式歧管微通道结构，提高进出歧管流动的传热与水力学效率。在此基础上，利用光固化增材制造技术制备了贯通式及传统歧管微通道结构的氧化铝陶瓷热沉，表征其内腔成形完整性与表面质量，并搭建实验平台测试其实际性能。其中，分别利用压差传感器和热像仪测量热沉压降与表面温度分布，实验结果均与数值模拟结果进行了对比验证。

结果

本研究中所设计的陶瓷热沉壁厚为0.5 mm，微通道宽度为1 mm，除进出口外整体为封闭结构。基于光固化增材制造的陶瓷热沉内腔结构成形完整，表面质量良好，在正投影面和侧向表面上分别实现了1.5 μm和3 μm的表面粗糙度。

所制备的陶瓷热沉实验性能与数值模拟结果匹配良好，实验中表面平均温度与数值结果差值低于2 °C，整体分布相似系数在不同流量下均高于0.9，进一步验证了内腔结构精确成形且无明显缺陷。

在1 L/min的流量下，贯穿式歧管微通道结构的压降和热阻相比传统歧管微通道结构分别降低了19.8%和11.8%，并提高了温度分布的均匀性。

结论

(1) 基于光固化增材制造技术制备的陶瓷热沉内腔成形完整，表面光洁度高，实验传热及水力学性能与数值预测结果匹配。

(2) 本研究提出并实现了贯穿式歧管微通道结构，该结构减少了传统歧管微通道结构中的竖直方向流动，实现了更高的散热效率和更低的压力损失，并能够针对非均匀热源分布进一步优化歧管结构设计以改善温度分布。

前景与应用

通过将液冷陶瓷热沉应用于功率电子封装，能够进一步集成简化封装结构，提升器件散热效率，提高可靠性；并发挥陶瓷材料耐磨损、耐腐蚀的性能优势，实现液态金属等高导热冷却工质的实际应用。

代表性图片

图1 传统功率电子封装结构与基于陶瓷热沉的封装结构对比

图2 基于光固化增材制造的陶瓷热沉及其内部结构

图3 陶瓷热沉实验测试装置

图4 实际陶瓷热沉表面温度分布与数值模拟结果对比

图5 贯穿式与传统歧管微通道结构整体热阻对比

团队带头人介绍

吕志刚，男，博士，清华大学机械工程系长聘教授。1989年进入清华大学机械工程系学习，先后获学士、硕士、博士学位。2007年10月至2008年3月在英国帝国理工学院（Imperial College London）作访问学者。现为中国铸造学会常务理事、中国铸造协会精密铸造分会副理事长、全国铸造标准化技术委员会熔模精铸分技术委员会委员，《铸造》、《特种铸造及有色合金》、《铸造技术》、《铸造工程》杂志编委会委员。长期从事熔模铸造工艺研究，主持和作为骨干参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、两机专项、校企合作等项目40余项，发表论文70余篇，参编专业书籍和手册10余部。获得授权发明专利15项。近10年来，将基于光固化的陶瓷增材制造作为重点攻关方向，开发高精度复杂陶瓷型芯增材制造工艺。

通信作者

胡可辉，女，博士，清华大学机械工程系助理研究员，硕士生导师。分别于武汉理工大学、哈尔滨工业大学、清华大学先后获得学士、硕士、博士学位，2020-2022年为清华大学博士后。研究方向为光固化陶瓷增材制造技术，近五年发表论文30余篇，授权发明专利10余项，负责/参与科研项目10余项。2021年被授予“全国创新创业优秀博士后”称号；入选“北京市2023-2025年度青年人才托举工程”。《China Foundry》杂志青年编委。

近两年团队发表文章

[1] 胡可辉, 吕志刚, 陆宽, 等. 复杂陶瓷型芯增材制造及浇注工艺验证 [J]. 机械工程学报, 2021, 57(03): 227-34.

[2] Hu K, Zhao P, Li J, et al. High-resolution multiceramic additive manufacturing based on digital light processing[J]. Additive Manufacturing, 2022, 54: 102732.

[3] Wang H, Hu K, Lu K, et al. Experimental and numerical analysis on the leading-edge bulge effect during the recoating process in ceramic stereolithography [J]. Additive Manufacturing, 2022, 51: 102652.

[4] Hu K, Wang H, Lu K, et al. Fabrication of silica-based ceramic cores with internal lattice structures by stereolithography [J]. China Foundry, 2022, 19(5): 369-79.

[5] Feng Q, Ran X, Hu K, et al. Application of transparent casting moulds prepared by additive manufacturing technology in hydraulic simulation[J]. China Foundry, 2022, 19(4): 299-306.

[6] Qian C, Hu K, Wang H, et al. The effect of particle size distribution on the microstructure and properties of Al2O3 ceramics formed by stereolithography [J]. Ceramics International, 2022, 48(15): 21600-9.

[7] Qian C, Hu K, Shen Z, et al. Effect of sintering aids on mechanical properties and microstructure of alumina ceramic via stereolithography [J]. Ceramics International, 2023, 49(11): 17506-23.

清华大学机械工程系吕志刚课题组2024年招聘博士后

一、要求

1.符合清华大学博士后招收要求（https://postdoctor.tsinghua.edu.cn/info/zcgd/1297）；

2.获得机械、材料等理工科博士学位以及即将获得博士学位。年龄在35周岁以下、获得博士学位一般不超过3年；

3.具有独立研究能力，独立撰写发表SCI论文；

4.全职在清华大学工作。

二、研究方向

1.陶瓷性能优化与熔模铸造；

2.陶瓷光固化增材制造。

三、待遇

1.工资按照清华大学博士后工资标准执行，合作导师根据学校有关规定发放补贴；

2.清华大学根据房源情况提供博士后周转公寓，或者每月3500元房补；