针式液滴微流控技术制备高导热铁磁流体微胶囊，电子芯片散热效率跃升36.86%-北京永康乐业科技发展有限公司

导读：

高效散热仍然是先进热管理系统的关键挑战，特别是在高性能电子和能源密集型应用中。近期，宁波诺丁汉大学任勇教授、王静与中国科学院宁波材料所程昱川研究员等人合作，开发了一种基于针式微流控技术的高导热铁磁流体微胶囊（OMF-HDDA）。该微胶囊通过磁场调控可实现热导率与刚度的协同提升，在电子芯片冷却测试中，其散热效率较传统冷却剂提升36.86%。相关研究以“Needle based droplet microfluidic synthesis of high thermal conductivity Ferrofluid microcapsules for thermal management”为题目，发表于期刊《Applied Materials Today》。

本文要点：

1、本研究借助针式双乳液微流控技术，将油基磁流体（OMF）封装在1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）壳中，成功制备出高导热性铁磁流体（OMF-HDDA）微胶囊。

2、微胶囊平均直径为406.87μm，尺寸变异低于5%，实现了精确的结构和尺寸控制。

3、其热特性受尺寸、温度和磁通密度影响，在300mT磁场下导热系数达1.232W/m・K，优于传统材料；机械测试显示，在300mT直流磁场中刚度达约1MPa，与无磁条件相比提高了一千倍。

4、在交变磁场下，微胶囊的光热效应证实其能通过发热实现能量转换；电子芯片冷却测试中，其散热效率比传统冷却剂提高36.86%。

5、此外，研究还探讨了三相流对微胶囊尺寸的影响，分析了其磁性能、热性能、机械性能等，通过模拟和实验验证了其在电子芯片热管理中的良好应用潜力，为下一代热管理系统提供了高性能、环保的解决方案。

图1.（a）针式微流控装置。（b）用于形成双乳液的微通道结构。

图2. 实验装置示意图。

图3. 热管理系统的 3D 模型。

图4.（a）高度均一的球形 OMF-HDDA 微胶囊。（b）生成的微胶囊，内核直径（d_i）为 348.16μm，外径（d_o）为 406.87μm。（c）单个完整的 OMF-HDDA 微胶囊，（d）扫描电镜（SEM）下经挤压后的微胶囊。（e）OMF-HDDA 微胶囊的 SEM 图像（上方为挤压后的微胶囊，下方为完整未破损的微胶囊）。OMF-HDDA 微胶囊的能谱分析：（f-h）分别为碳（C）、氧（O）、铁（Fe）元素的分布。（i）总谱分布图。

图5.（a）在中间相流速 V_m=0.01m/s、外相流速 V_o=0.08m/s 条件下，内相流速对微胶囊尺寸的影响。（b）在内相流速 V_i=0.002m/s、外相流速 V_o=0.08m/s 条件下，中间相流速对微胶囊尺寸的影响。（c）在内相流速 V_i=0.002m/s、中间相流速 V_m=0.01m/s 条件下，外相流速对微胶囊尺寸的影响。

图6. OMF-HDDA 微胶囊的磁滞回线测试。

图7.（a）500μm 的 OMF-HDDA 微胶囊在有无磁场条件下的重量变化，（b）重量变化率。（c）OMF-HDDA 微胶囊的差示扫描量热（DSC）分析结果。（d）正常条件下 OMF-HDDA 微胶囊的导热系数，（f）热扩散系数。（e）在 0mT 至 300mT 磁场环境下 OMF-HDDA 微胶囊的导热系数，（g）热扩散系数。