液態(tài)金屬及碳納米管強化界面?zhèn)鳠嵫芯?pdf

1、隨著高新技術(shù)的快速發(fā)展，界面?zhèn)鳠嵘婕暗酱邦I(lǐng)域眾多系統(tǒng)的有效熱管理，例如在船舶電子元器件有效散熱方面，隨著船舶自動化程度的不斷提高，大量電子元器件被應用在船舶自動控制系統(tǒng)當中，電子元器件趨向高度集成化，船用電子器件的散熱成為極大挑戰(zhàn)，而界面熱阻的存在是電子元器件熱量無法有效散失的主要原因。在船舶廢熱回收方面，船舶熱電轉(zhuǎn)換裝置正在迅速發(fā)展，熱電轉(zhuǎn)換裝置的整體效率也與界面?zhèn)鳠嵯⑾⑾嚓P(guān)。因此，如何提高界面?zhèn)鳠釋Υ氨姸嘞到y(tǒng)的可靠性和工作效率有

2、著重要意義。
　　本文首先對碳納米管陣列提高界面?zhèn)鳠嵝阅苓M行了實驗研究，利用化學氣相沉積的方法制備出碳納米管陣列，利用氫氟酸腐蝕二氧化硅的方法實現(xiàn)碳納米管陣列與生長硅基底之間的分離，得到獨立的碳納米管陣列;然后研究其單獨使用和施加不同綁定材料情況下提高界面?zhèn)鳠岬男阅?。結(jié)果顯示碳納米管陣列單獨作為熱界面材料時，可以使試樣整體熱阻減少74.11％，試樣整體熱阻值為174.5±13.1mm2K/W。當選用導熱硅脂和導熱硅膠片作為碳納米管

3、陣列的綁定材料時，可以使試樣整體熱阻降低83.46％。試樣整體熱阻值為103.1±7.7mm2K/W。應用碳納米管陣列結(jié)合綁定材料的方式雖然可以提高界面?zhèn)鳠崮芰?，但是所制備試樣的熱阻絕對值依然很高。
　　液態(tài)金屬因其良好的導熱性能，在提高界面?zhèn)鳠岱矫娴膽檬艿皆絹碓蕉嗟年P(guān)注，因此本文進一步對液態(tài)金屬提高界面?zhèn)鳠嵝阅苓M行了實驗研究。當選用Ga62.5In21.5Sn16液態(tài)金屬和氧化后Ga62.5In1.5Sn16液態(tài)金屬作為熱界面

4、材料時，可以使兩銅片之間整體接觸熱阻分別達到4.822±0.130mm2K/W和11.202±0.278mm2K/W，與銅銅干接觸相比，分別降低了99.3％和98.3％。為了進一步測量液態(tài)金屬的導熱系數(shù)及其與銅片之間的界面熱阻，本文提出一種基于激光閃射法的膏狀物材料導熱系數(shù)及界面熱阻測量方法。通過制備具有特殊結(jié)構(gòu)的樣品支架，可以測量出液態(tài)金屬在不同厚度情況下所對應的整體接觸熱阻，然后利用最小二乘法擬合可以得出液態(tài)金屬的導熱系數(shù)和相應界面

5、熱阻。利用上述方法測量了Ga62.5In1.5Sn16液態(tài)金屬和氧化后Ga62.5In21.5Sn16液態(tài)金屬的導熱性能。結(jié)果顯示導熱系數(shù)測量結(jié)果分別為37.047±3.781W/(m·K)和15.346±2.068W/(m·K);界面熱阻測量結(jié)果分別為2.142±0.379mm2K/W和4.58±0.908mm2K/W。通過與公開報道文獻中該組分液態(tài)金屬導熱性能測量結(jié)果進行對比，驗證了本文中所提出測量方法的可行性。
　　為進一步

6、提升液態(tài)金屬作為熱界面材料的性能，本文嘗試利用石墨烯、銅顆粒等高導熱顆粒對Ga62.5In1.5Sn16液態(tài)金屬進行改性處理。結(jié)果顯示利用石墨烯對液態(tài)金屬進行改性處理所得到混合物的導熱性能變差，當石墨烯質(zhì)量分數(shù)為2.0wt％，所對應兩銅片之間接觸熱阻值為42.2±3.2mm2K/W;通過對所得混合物進行Micro-XCT表征發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯與液態(tài)金屬之間的潤濕性差，導致在混合過程中大量氣泡的存在，從而導致所形成混合物的導熱性能降低。而利

7、用銅顆粒對液態(tài)金屬進行改性處理后，可以大幅提高氧化后液態(tài)金屬的導熱性能，并且能夠降低液態(tài)金屬流動性。本文制備了銅顆粒質(zhì)量分數(shù)分別為2.5wt％、5wt％、7.5wt％、10wt％和12.5wt％五種液態(tài)金屬-銅顆粒試樣，并對各試樣的導熱性能進行了測量。測量結(jié)果顯示各混合物試樣的導熱系數(shù)隨銅顆粒質(zhì)量分數(shù)增加呈線性增加，當熱阻隨銅顆粒質(zhì)量分數(shù)增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢;銅顆粒質(zhì)量分數(shù)為12.5wt％液態(tài)金屬-銅顆?；旌衔锏膶嵯禂?shù)為38.9

8、07±8.689W/(m·K)，與OLMA相比分別提高了153.5％;銅顆粒質(zhì)量分數(shù)為2.5wt％液態(tài)金屬-銅顆粒混合物所對應的界面熱阻最低為1.164±0.481mm2K/W，與OLMA相比界面熱阻降低了74.6％。
　　液態(tài)金屬與固體表面之間界面熱阻受外界壓力、潤濕性、固體表面形貌等因素影響，為了深入研究各影響因素對界面熱阻的影響規(guī)律，本文建立了液態(tài)金屬與固體表面之間界面熱阻理論計算模型，并首次揭示了液態(tài)金屬潤濕性、固體表面形