上交團(tuán)隊(duì)解鎖TPMS超材料散熱密碼，為數(shù)據(jù)中心提供降溫新方案

隨著人工智能算力需求的持續(xù)增長，AI 芯片和數(shù)據(jù)中心的散熱問題正日益突出。

據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)顯示，全球數(shù)據(jù)中心在 2022 年的耗電量已達(dá)到約 460TWh。如果 AI 算力繼續(xù)高速增長，到 2050 年相關(guān)數(shù)據(jù)中心的用電量可能達(dá)到 100,000TWh。其中，冷卻系統(tǒng)預(yù)計(jì)將占到約 45% 的能源消耗。如何讓散熱更高效、更節(jié)能，已成為推動(dòng) AI 基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

近日，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)、香港城市大學(xué)在 Advanced Science 發(fā)表研究成果，他們提出了一種基于 TPMS（三周期極小曲面）超材料的新型散熱結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)管式、板式或翅片式換熱器不同，這類結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有高度連通的三維流道網(wǎng)絡(luò)，可以在有限體積內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)更大的換熱面積和更合理的流動(dòng)路徑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)在液冷條件下的綜合換熱效率可達(dá)到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 156 倍。這為 AI 芯片、服務(wù)器以及高熱流密度電子設(shè)備提供了一種新的散熱解決方案，也為下一代綠色算力基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展提供了重要思路。

“這項(xiàng)研究能讓大家更深刻地理解：為什么這種結(jié)構(gòu)會有如此卓越的性能？以及如何精準(zhǔn)建立結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)聯(lián)模型？如果未來在 AI 數(shù)據(jù)中心中推廣應(yīng)用這類高效散熱結(jié)構(gòu)，每年有望節(jié)省約 30,000TWh 電力。”這項(xiàng)研究的第一作者、上海交通大學(xué)博士后鐘豪章告訴 DeepTech。

藏在數(shù)學(xué)里的高效散熱結(jié)構(gòu)

要理解 TPMS，可以從童年最熟悉的肥皂泡說起。當(dāng)你將吹泡泡棒浸入肥皂水，金屬環(huán)上繃起的那層薄薄的膜，就是一張“極小曲面”。在物理張力的牽引下，肥皂液會自發(fā)地在有限的邊界內(nèi)收縮，直到它的表面積達(dá)到理論上的最小值。

普通的肥皂膜受限于金屬環(huán)的邊界，但數(shù)學(xué)家們提出了一個(gè)更大膽的設(shè)想：如果這種“極小曲面”能在三維空間里，沿著 X、Y、Z 三個(gè)方向無限周期性地重復(fù)下去呢？

這就誕生了 TPMS。這類經(jīng) 3D 打印的材料的獨(dú)特之處在于其內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)光滑、連續(xù)且高度貫通，這使得它在換熱效率和流體輸運(yùn)方面具備顯著優(yōu)勢，也因此成為熱管理領(lǐng)域極具前景的技術(shù)路徑。

圖 | TPMS 結(jié)構(gòu)（來源：上述論文）

相比傳統(tǒng)的板翅式或微通道換熱器，TPMS 材料在“高傳熱”的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“低流阻”。“在傳統(tǒng)的換熱邏輯里，這二者往往是魚與熊掌不可兼得，但 TPMS 這種連續(xù)光滑的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，巧妙地平衡了這對矛盾。”

“目前，全球?qū)W術(shù)界與工業(yè)界已普遍認(rèn)識到 TPMS 結(jié)構(gòu)在諸多前沿領(lǐng)域潛力巨大，比如散熱、過濾、結(jié)構(gòu)材料等。但真正的難點(diǎn)在于，如何將這種卓越的幾何設(shè)計(jì)潛力，有效且充分地轉(zhuǎn)化為實(shí)際工程應(yīng)用中的性能優(yōu)勢。”鐘豪章表示。

究其原因，全球范圍內(nèi)的研究都停留在單胞宏觀尺度，科學(xué)家們只能通過孔隙率、總表面積等整體指標(biāo)描述 TPMS，卻無法捕捉到內(nèi)部細(xì)小通道的粗細(xì)均勻度、通道數(shù)量、連通方式等關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

面對行業(yè)痛點(diǎn)，鐘豪章及團(tuán)隊(duì)跳出宏觀尺度思維，從亞單胞微觀尺度入手，為 TPMS 超材料的設(shè)計(jì)打開了新大門。他形象地解釋道，“假如我們把 TPMS 結(jié)構(gòu)比作人體，以往的學(xué)者研究其傳熱性能時(shí)，往往只看宏觀的‘細(xì)胞’或‘器官’層面（即單胞或整體結(jié)構(gòu)）。而我們這次做的工作，相當(dāng)于深入到了 ‘基因’層面。”

“這其實(shí)是一個(gè)摸著石頭過河的過程。”鐘豪章坦言，“我們最初也是從大家普遍采用的尺度去理解 TPMS 材料的傳熱性能，但在研究過程中發(fā)現(xiàn)：始終無法建立一個(gè)足夠可靠的模型來解釋和預(yù)測其行為。感覺始終停留在表象，沒有觸及更本質(zhì)的機(jī)理。”

在向數(shù)學(xué)家請教后，團(tuán)隊(duì)對 TPMS 結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的“解剖”，最終找到了將其拆解至最小組成基元的路徑。“在這個(gè)更小的尺度上重新建模后，我們發(fā)現(xiàn)結(jié)果既準(zhǔn)確又簡潔，并且與實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的吻合度非常高。”

在研究過程中，團(tuán)隊(duì)在理論和幾何層面把 27 種常見的 TPMS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拆成標(biāo)準(zhǔn)化細(xì)小通道。

通過全局敏感性分析、主成分分析等多種方法，最終鎖定了決定 TPMS 傳輸效率的兩大核心因素：一是通道均勻性，通道粗細(xì)不能忽粗忽細(xì)，否則會出現(xiàn)流體瓶頸，既增加能耗又降低傳輸效率；二是通道空間密度，相同體積內(nèi)的通道數(shù)量越多，能參與流體流動(dòng)和熱量傳遞的區(qū)域就越多，效率自然越高。而此前被重點(diǎn)關(guān)注的通道表面積、連通方式，僅起次要修飾作用。

此外，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)ischer–Koch 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的通道又均勻、數(shù)量又最多，是天生的 “高效選手”。

（來源：上述論文）

翻越產(chǎn)業(yè)化兩座大山

通過理論分析、模擬驗(yàn)證確定最優(yōu)設(shè)計(jì)后，團(tuán)隊(duì)使用純銅綠激光 3D 打印制造出基于 Fischer–Koch 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的換熱器，并在模擬 AI 數(shù)據(jù)中心的液冷環(huán)境中進(jìn)行實(shí)測。

結(jié)果令人振奮，該換熱器的核心效率指標(biāo)達(dá)到 15.6，而傳統(tǒng)板翅式、微通道換熱器的該指標(biāo)大多不足 0.1，效率實(shí)現(xiàn)了 156 倍的跨越式提升。更重要的是，實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與團(tuán)隊(duì)模型的預(yù)測數(shù)據(jù)高度吻合，充分驗(yàn)證了亞單胞導(dǎo)管設(shè)計(jì)框架的精準(zhǔn)性和可靠性。

至于這 156 倍的跨越式提升，究竟有多少功勞歸于結(jié)構(gòu)，又有多少歸于純銅材料本身？

鐘豪章表示，“材質(zhì)與結(jié)構(gòu)是深度耦合的，無法簡單地拆解開來。純銅的高導(dǎo)熱性確實(shí)為性能爆發(fā)提供了極佳的物理基礎(chǔ)，但如果沒有 Fischer-Koch 這種精密的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)去引導(dǎo)流體、增加換熱面積，純銅的潛力也無法被完全釋放。”

他補(bǔ)充道，這種結(jié)構(gòu)與銅的“聯(lián)手”，未來可以完全遷移到鋁合金、甚至其他新型材料上。雖然換成鋁合金后，導(dǎo)熱性能可能會因?yàn)椴馁|(zhì)屬性而有所下降，但它帶來的輕量化優(yōu)勢，在航空航天、飛行汽車等領(lǐng)域反而可能成為更核心的競爭力。

但要將其真正應(yīng)用于 AI 芯片和數(shù)據(jù)中心散熱、航空航天、飛行汽車等領(lǐng)域，鐘豪章保持著科研工作者特有的冷靜與清醒。

“TPMS 超材料有著極好的商業(yè)潛力，但目前全球范圍內(nèi)尚未出現(xiàn)大規(guī)模的成熟商業(yè)產(chǎn)品。”鐘豪章坦言。在他看來，阻礙這項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向流水線的，是兩座必須翻越的大山。

第一，成本因素。“以我們曾考慮的新能源汽車應(yīng)用為例，目前 TPMS 結(jié)構(gòu)的制造成本，包括粉末原材料、3D 打印設(shè)備工時(shí)、后處理工藝等仍相對較高，尚未達(dá)到汽車行業(yè)能夠大規(guī)模承受的價(jià)格區(qū)間。這限制了其在成本敏感型領(lǐng)域的推廣。”

第二，性能驗(yàn)證尚不充分，尤其是動(dòng)態(tài)工況下的可靠性。 “目前，我們和其他研究團(tuán)隊(duì)對 TPMS 散熱性能的研究，大多是在靜態(tài)或理想工況下進(jìn)行的。但在實(shí)際應(yīng)用中，比如飛行汽車、人形機(jī)器人等場景，部件往往處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。

這就帶來了新的問題：在長期動(dòng)態(tài)工況下，TPMS 結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能和機(jī)械疲勞壽命如何？反復(fù)的熱循環(huán)和機(jī)械振動(dòng)是否會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效？這些關(guān)鍵問題目前還缺乏系統(tǒng)的研究和數(shù)據(jù)支撐，也是我們下一步計(jì)劃開展的工作方向。”

據(jù)鐘豪章透露，團(tuán)隊(duì)正在推動(dòng)“集成式多功能散熱器”的研究。“它不再僅僅是一個(gè)單一的散熱組件，而是擁有多流道結(jié)構(gòu)、集成了記憶存儲功能的復(fù)雜系統(tǒng)，未來甚至有望應(yīng)用在機(jī)器人身上。目前，我們的首要任務(wù)是把原型機(jī)做出來。從數(shù)學(xué)模型到實(shí)驗(yàn)樣品，再到能解決實(shí)際問題的工程原型，每一步都是在為未來的產(chǎn)業(yè)化鋪路。”

1.H.Zhong, Y.He, J.Wang, et al. “Sub-Unit-Cell Logic Governs Transport in TPMS Architectures.” Advanced Science (2026): e23188.https://doi.org/10.1002/advs.202523188

運(yùn)營/排版：何晨龍