基于碳納米管陣列的界面接觸傳熱強化方法研究.pdf

1、隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的功率、組裝密度不斷提高，導(dǎo)致其功率密度急劇增大，給其散熱帶來了很大挑戰(zhàn)。在高功率密度條件下，電子設(shè)備散熱系統(tǒng)中的固-固界面接觸熱阻已經(jīng)成為影響系統(tǒng)散熱效果的關(guān)鍵因素之一，亟待開展高性能熱界面材料(Thermal Interface Materials，TIMs)研究，探索界面接觸傳熱的強化方法。
　　近年來，碳納米管陣列（Vertical Aligned Carbon Nanotube array

2、，VACNT）由于具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、獨特的取向結(jié)構(gòu)、較低的徑向面內(nèi)膨脹系數(shù)、以及形貌可適應(yīng)接觸面粗糙度的機械性能，使其作為導(dǎo)熱填料或者獨立使用，均可能有效降低界面接觸熱阻。以往研究表明，碳納米管陣列基熱界面材料的傳熱性能受到制備工藝、結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素的控制，相關(guān)影響規(guī)律尚不完全清楚。因此，本文研究碳納米管陣列基熱界面材料的制備工藝、傳熱性能調(diào)控以及熱阻分析等方面內(nèi)容，為碳納米管陣列在熱界面材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供方法支撐。
　　本文實驗

3、制備了碳納米管陣列復(fù)合樹脂柔性熱界面材料，分析了碳納米管陣列基熱界面材料傳熱性能的影響因素，探索了碳納米管陣列自支撐薄膜的制備方法，研究了碳納米管陣列基熱界面材料在封裝結(jié)構(gòu)中的熱阻理論模型，具體內(nèi)容主要包括以下幾個方面:
　　1.復(fù)合樹脂碳納米管陣列熱界面材料的制備與性能表征
　　制備了寬管徑(～80nm)、高結(jié)晶度（IG/ID=2.51）、高密度(0.17g/cm3)的碳納米管陣列，進而利用原位聚合法制備了碳納米管陣列/環(huán)

4、氧樹脂（VACNT/Epoxy），碳納米管陣列/硅酮樹脂(VACNT/S160)和碳納米管陣列/聚氨酯(VACNT/TPU)三種柔性復(fù)合熱界面膜片，實驗測量了復(fù)合膜片的傳熱與機械性能。結(jié)果表明，與普通復(fù)合樹脂碳納米管陣列熱界面材料相比，三種柔性復(fù)合膜片的傳熱特性和機械性能均有大幅度的提高。VACNT/Epoxy膜片的導(dǎo)熱系數(shù)為13.15 W/(m·K)，為環(huán)氧樹脂的68.57倍，純碳納米管陣列的74.6％，比同類研究中制備的VACNT/

5、Epoxy膜片提高170.02％。
　　2.復(fù)合樹脂碳納米管陣列熱界面材料傳熱特性的調(diào)控
　　研究了碳納米管合成工藝、管徑、高度以及納米銀片改性樹脂對復(fù)合樹脂碳納米管陣列熱界面材料傳熱性能的影響。
　　(1)通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，浮動輔助催化氣相沉積法(vapour-phase floating-catalystchemical vapor depositon, FCCVD)制備的碳納米管陣列導(dǎo)熱性能和耐溫性均優(yōu)于預(yù)沉積催

6、化劑氣相沉積法(Pre-deposition catalyst chemical vapor deposition, CCVD)制備的碳納米管陣列。
　　(2)在可制備范圍內(nèi)(20～200nm)，碳納米管陣列管徑增大，碳管填充密度增大，導(dǎo)熱通道增多，表面?zhèn)鳠峤佑|面積增大，碳納米管陣列的宏觀導(dǎo)熱系數(shù)增大。
　　(3)碳納米管陣列的導(dǎo)熱性能隨著高度的增加呈現(xiàn)一個先增加后減小的趨勢，500μm的高度是本文中碳納米管陣列的最優(yōu)高度，

7、在此高度下導(dǎo)熱系數(shù)最高，熱阻最低。
　　(4)通過對碳納米管陣列進行預(yù)退火處理，使得碳納米管陣列復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)提高了34.52％，界面熱阻降低了65.94％。
　　(5)通過納米銀片改性聚氨酯，建立了三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，碳納米管陣列復(fù)合聚氨酯熱界面材料的熱阻值在銀粉含量為60wt％時，相比不添加降低了50％。
　　3.碳納米管陣列自支撐薄膜的制備與界面接觸傳熱特性
　　首次提出熱弱氧化法轉(zhuǎn)移陣列和合成轉(zhuǎn)移一體化

8、，實現(xiàn)了合成工藝結(jié)束后即可獲得碳納米管陣列的自支撐薄膜，并且面積、形狀可控，質(zhì)量完好，解決了碳納米管陣列應(yīng)用中封裝金屬不耐高溫的問題，并且可用多種膠黏劑應(yīng)用于任何基底。傳熱特性測試結(jié)果表明，VACNT自支撐薄膜轉(zhuǎn)移至Cu基底后，可以使總熱阻降低38％。首次提出了VACNT與封裝基底間的根部轉(zhuǎn)移組裝結(jié)構(gòu)，相比以往的頂部轉(zhuǎn)移，其界面熱阻降低50％。
　　4.Au/VACNT/Au自支撐薄膜的制備與界面?zhèn)鳠崽匦匝芯?br>　　為了進一步

9、減小VACNT自支撐薄膜與封裝界面間的接觸熱阻，在VACNT表面蒸鍍金屬納米層制備了Au-VACNT-Au薄膜，實現(xiàn)了三明治的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，上下界面為金屬納米層，中間為碳納米管陣列導(dǎo)熱骨架。此薄膜熱擴散系數(shù)相比純的VACNT薄膜提高了33％，界面熱阻降低了50％。納米壓痕結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Au-VACNT-Au薄膜表面可承受的壓力為641mN，而純的VACNT薄膜僅為7mN。金屬納米層解決了碳納米管陣列與封裝金屬間聲子傳遞不一致的問題，既減小了界面