碳納米管復合材料的傳熱性能探究

陸慶瑞 劉偉軍

【摘 要】近年來，隨著微電子技術發(fā)展水平的提升，對于元器件體積的控制也越來越嚴格，為了縮小元器件空間，其體積逐步微小話，使體積小與高導熱成為了對元器件導熱材料的基本要求。目前，符合這一要求的材料有多種，但高分子導熱復合材料無疑最適合，文章以碳納米管復合材料為探究對象，對其傳熱性能進行了分析，在以碳納米管作為導熱填料時，其質量比例為0.3%，復合材料傳熱性分析中顯示導熱系數(shù)為0.940W/（m·K），可以發(fā)現(xiàn)及時導熱填料質量較小，材料的傳熱性能也得到有效的優(yōu)化，為此，希望此次研究能夠為行業(yè)提供有益的啟發(fā)。

【關鍵詞】碳納米管;復合材料;傳熱性能

電子設備是現(xiàn)階段社會生產(chǎn)、生活領域不可或缺的工具，其使用頻率高、工作負荷大，而為了使電子設備更加便捷，元器件實現(xiàn)了微小化設計，在功能多元、用途廣泛、電路集成、體積小、輕便便攜等多種要求下，對于元器件導熱材料的性能有了更高的要求。目前廣泛使用的復合材料有石墨烯、碳納米管、環(huán)氧樹脂等多種類型，文章以碳納米管復合材料作為分析對象，對其傳熱性能進行探究，意在使復合材料能夠得到科學、合理的運用。

一、材料制備

碳納米管材料選擇直徑在10mm-20mm范圍內的純多壁碳納米管，具有98%的純度，利用電子顯微鏡掃描后的圖像如圖1所示。從圖像中可以看出，碳原子為卷曲狀。

復合材料制備過程中，按照比例將碳納米管與無水乙醇溶液混合，通過超聲進行分散，時間為15min;經(jīng)過1h的干燥后，保障乙醇完全揮發(fā)后在材料中加入固化劑，混合后快速倒入模具中，進烘箱中固化，溫度為80℃、時間為3h;固化結束進入到冷卻環(huán)節(jié)，放在室溫環(huán)境下，冷卻后則會獲得復合材料。

二、測量方法

此次研究中對碳納米管復合材料傳熱性的測量采用TET技術，其是專門用于測量一維微尺度固體材料熱擴散率的方法，其具有測量速度快、準確率高的優(yōu)勢，誤差可以控制在<5%以內。具體來講，如圖2所示，將待測樣品放置在兩個鋁電極之間，使樣品與微電流源以及數(shù)字示波器之間保持著并聯(lián)的關系，其中微電流源可以為本次實驗的進行提供充足的脈沖方波直流電，而數(shù)字示波器可以全過程記錄波形變化，確定位置后利用導電銀膠進行固定。該測量方法的原理為：樣品電阻會隨著樣品溫度的變化而變化，通過直流電電流后，根據(jù)歐姆定律可知電阻變化后樣品的電壓也會出現(xiàn)變化，將電壓變化情況利用波形進行反饋，由數(shù)字示波器進行記錄，則可利用電壓隨時間變化情況表現(xiàn)樣品溫度變化情況[1]。但需要注意的是，由于復合材料本身并非導電材質，為了獲得電壓，其需要將待測樣品放置在濺射真空鍍膜儀中在表面鍍金10mm，保障樣品具有導電性。

圖2 TET測量方法原理示意圖

此次研究過程中設計到以下計算：1.一維傳熱下控制方程、2.樣品平均溫度、3.樣品穩(wěn)定狀態(tài)平均溫度計算、4.樣品歸一化溫度計算、5.電壓變化與溫度關系計算、6.待測樣品傳熱控制、7.樣品歸一化溫升計算、8.電壓變化與樣品平均溫度變化、9.減掉金膜影響計算、10.真實熱擴散率與輻射效應和計算。對應公式如下：

三、傳熱性能計算

一是，熱擴散率的計算。以碳納米管質量比例為0.3%為例進行計算，先做好樣品切割，將其放置在貝斯上，通過TET方法進行測試，利用高分貝顯微鏡對其進行觀察可以確定樣品的長度與寬度分別為1.990mm、0.344mm，實驗中的電流值為7.2mA，在一個完成的加熱周期內，瞬態(tài)電壓變化情況從初始的0.428V穩(wěn)定上升到0.438V，到達后則處于穩(wěn)定狀態(tài)，在0.428V、0.438V時電阻分別為59.44Ω與60.83Ω，擬合則可以獲得樣品的熱擴散率[2]。為了保障計算結果的準確性，可以在相同條件下進行多次試驗，求每次實驗結果的平均值。

二是，溫度電阻系數(shù)計算。電阻系數(shù)用 cp進行表示，但在測量過程中必須將鍍金的影響減掉，否則并不能真實的反電阻系數(shù)。具體計算過程中，將加熱板放置在加熱環(huán)境中，并保障熱電偶始終與樣品保持密切連接，隨著溫度的下降在不同時段使用數(shù)字萬用表測試樣品電阻，通過線性擬合的方式計算出導熱系數(shù)，再利用 =k/ cp則可以反推倒出樣品的電阻系數(shù)，此次計算結果為0.528（106J·m-3·K-1）。

三是，輻射影響計算。輻射對復合材料的影響主要尤其長度決定，在計算出熱擴散率基礎上可以發(fā)現(xiàn)輻射影響與其之間存在線性關系，在無任何輻射影響情況下，相同樣品的熱擴散率始終保持相同，但輻射影響狀態(tài)下相同樣品不同長短之間卻出現(xiàn)了差異，在輻射狀態(tài)下選擇不同長度的相同樣品進行實驗，可以發(fā)現(xiàn)樣品的長度越長，其實現(xiàn)平衡耗費的時間則越長。因此，去掉輻射影響后，此次實驗樣品的最終熱擴散率為1.788（107Jm2·s-1）。

四是，導熱系數(shù)計算。在計算出真實熱擴散率結果后，可以根據(jù)反推公式計算出材料的導熱系數(shù)，最終的結果為0.940（W·m-1·K-1）.

結束語：

綜上所述，文章以TET技術為測量方法對碳納米管復合材料傳熱性能進行了探究，論述了方法的具體應用，并介紹了方法原理、計算方法等，充分考慮到實驗當中各類情況，如鍍金影響、輻射影響、輻射狀態(tài)下不同長度樣品熱擴散率的不同，并進行了最終的導熱系數(shù)計算?？梢钥闯鰪秃喜牧蠈崆闆r要明顯優(yōu)于單獨使用碳納米管填料，在以后的研究中可以混合導熱填料，形成多種類復合材料，以便能夠更清晰的了解每種導熱填料的性能，從而在材料選擇中做出更準確的判斷與分析。

隨著未來科學技術的發(fā)展，高分子導熱材料在市場上將有更廣闊的發(fā)展空間，市場需求量也將不斷提升，其良好的導熱性能，是應用微電子設備制作中的最佳材料，文章對碳納米管復合材料傳熱性能的研究可以發(fā)現(xiàn)及時在碳納米管調料質量比例較低的情況下，也可以有效提升導熱材料的傳熱性能，但研究中也暴露出諸多問題，仍然有較大的進步空間，希望未來的研究能夠不斷完善測量方法。

參考文獻：

[1]黃金，李曉朋，王婷，等.基于MWCNTs/PA復合材料銅表面處理的傳熱性能[J].化工學報，2018，69（7）：2956-2963.

[2]李新芳，吳淑英.石蠟填充碳納米管復合材料的制備與界面?zhèn)鳠嵝阅苎芯縖J].低溫與超導，2017，45（2）：88-92.

（作者單位：上海工程技術大學機械與汽車工程學院）