金屬納米粒子薄膜對輻射散熱的影響的研究

韓 勇 劉燕文 丁耀根 劉濮鯤(中國科學院電子學研究所,中國科學院高功率微波源與技術重點實驗室,北京 100190)2)(中國科學院研究生院,北京 100049)

金屬納米粒子薄膜對輻射散熱的影響的研究

韓 勇1)2)?劉燕文1)丁耀根1)劉濮鯤1)
1)(中國科學院電子學研究所,中國科學院高功率微波源與技術重點實驗室,北京 100190)
2)(中國科學院研究生院,北京 100049)

(2009年3月10日收到;2009年5月4日收到修改稿)

通過分析不同螺旋線慢波組件的散熱性能,研究了金屬納米粒子薄膜的采用對輻射散熱性能的改善作用.利用實驗測試和模擬仿真的方法,分析比較了采用普通金屬管殼,沉積普通金屬銥膜管殼和沉積納米銥膜管殼的慢波組件的導熱能力.結合實驗數據,準確地推算出幾種研究材料的熱輻射發射率,并利用模擬仿真給予了驗證.實驗結果和模擬結果具有很好的一致性.研究表明,與普通金屬材料相比,金屬納米粒子薄膜具有較強的熱輻射能力,能夠改善器件的散熱性能.

金屬納米粒子薄膜,輻射散熱,散熱性能

PACC:6500,4440,4410

1.引言

納米材料具有許多傳統材料無法媲美的奇異特性和非凡的特殊功能,因此在各行各業中都有廣泛的應用[1—3].納米材料尺寸小,可與電子的德布羅意波長、超導相干波長及激子玻爾半徑相比擬.尺度下降使得納米體系包含的原子數大大降低,宏觀固定的準連續能帶消失了,而表現為分立的能級,量子尺寸效應十分顯著,這使得納米材料的光、熱、電、磁等物理性質與常規材料不同,從而出現了許多新奇特性[4,5].隨著現代科技的飛速進步,微波電真空器件的性能和技術指標也取得了巨大進步,但隨之也帶來了高的熱負載[6,7].微波電真空器件的散熱性能不僅是決定其平均輸出功率的重要因素,也是直接影響其工作的穩定性與可靠性的重要因素.當器件工作在真空環境時,外部的輻射散熱便成為熱量散出的主要方式[8].將納米材料應用于電真空器件中,可以改善其散熱能力,并使部分性能得到進一步提升.

2.金屬納米粒子薄膜的制備

本研究主要采用濺射法制備金屬納米粒子薄膜,利用該方法可以制備多種納米金屬,其中包括高熔點和低熔點金屬,并且能夠制備多組元的化合物納米微粒.

實驗中,金屬納米粒子薄膜的具體制備過程為:將被沉積的樣品放入直流磁控濺射臺內;抽真空,并在100—400℃溫度下對樣品進行烘烤;當真空度達到8×10-4Pa以上時,充入惰性氣體,使真空度降低,氣壓升高,其中使用的惰性氣體可以是氬氣或氮氣;當壓強達到5—30 Pa時,打開直流濺射電源,對金屬靶進行濺射10—30 min;由于真空室內氣壓較高,這時被濺射出的原子相互碰撞而形成較大的原子團,即納米粒子顆粒;納米粒子顆粒在樣品表面沉積,形成納米金屬薄膜,如圖1中使用掃描電鏡顯示的形貌圖所示,粒子直徑為20 nm,薄膜的厚度為400 nm.選用可以在空氣中耐一定溫度的銥作為金屬靶材.

降低濺射時的氣體壓強,可以制備出普通金屬銥薄膜.圖2和圖3給出了在相同比例尺下氣體壓強為0.5 Pa時所制備的金屬銥薄膜和10 Pa時所制備的納米銥薄膜的形貌圖.

由圖2和圖3中可以看出,氣壓為0.5 Pa時,薄膜的表面十分光滑,制備了金屬銥原子薄膜.隨著氣體壓強的增大,原子薄膜變成了納米粒子薄膜,納米粒子的粒徑隨著氣體壓強的增大而增大,這是因為隨著氣體壓強的增大,銥原子與氣體原子的碰撞次數將增多,延長了銥原子到達樣品的時間和路徑,從而增大了銥原子之間的碰撞概率,使落到樣品上的納米粒子的粒徑增大.

圖1 納米銥薄膜SEM形貌圖

圖2 0.5 Pa時的金屬銥膜SEM形貌圖

圖3 10 Pa時的納米銥膜SEM形貌圖

螺旋線行波管憑借其寬頻帶和高增益等方面的優點,在當今微波電真空器件中占據著重要的地位[9].慢波組件是行波管中能量交換的關鍵部分.本文通過將金屬納米粒子薄膜沉積在螺旋線慢波組件中管殼的外表面,研究其對熱輻射能力的影響.為了比較不同管殼的散熱性能,在低氣壓下(0.5 Pa左右),另制備了沉積具有同樣厚度的普通金屬銥膜的慢波組件.圖4給出了三種經過不同處理的管殼的實物圖.

圖4 管殼經過不同處理的慢波組件實物圖

由圖4中可以看出,沉積金屬銥膜的慢波組件的外表面顏色很淺,呈淡淡的銀白色,沉積納米薄膜的組件的外表顏色較深,呈黑色,符合金屬納米粒子應具有的顏色.

3.對熱輻射影響的實驗測試

圖5 銅管殼的散熱性能的實驗比較圖

在真空環境中,向慢波組件的螺旋線中提供逐漸增加的直流功率,使組件的溫度升高[10].此時,管殼向外界的輻射散熱便是最主要的散熱途徑.通過考察不同慢波組件的散熱性能,也就是記錄螺旋線溫度隨加入熱功率的變化情況,比較不同管殼的熱輻射散熱能力.分別針對銅管殼和蒙乃爾管殼進行了兩組實驗,均將管殼進行了沉積金屬銥膜和沉積納米銥膜的處理.對采用不同管殼的慢波組件的實驗研究結果如圖5和表1中所示.

表1 銅管殼組件溫度與功率實驗對照表

比較圖5和表1中的數據可以看出,采用了沉積納米銥膜管殼的慢波組件的散熱性能比采用普通銅管殼的組件提高了約3—4倍,而采用一般金屬銥膜管殼的組件的散熱性能只提高了1倍左右.金屬納米粒子薄膜的采用有效的提高了管殼的輻射散熱能力,從而使熱量更好的散出.

對采用蒙乃爾管殼的慢波組件的實驗研究結果如圖6和表2中所示.

圖6 蒙乃爾管殼的散熱性能的實驗比較圖

表2 蒙乃爾管殼組件溫度與功率實驗對照表

比較圖6和表2中的結果可以看出,采用了沉積納米銥膜管殼的慢波組件的散熱性能比采用普通蒙乃爾管殼組件提高了約55%左右,而采用沉積金屬銥膜管殼的組件的散熱性能反而下降了30%左右.在這兩組實驗中,采用沉積納米銥薄膜管殼的慢波組件均表現出最佳的散熱性能,納米銥膜有效的改善了管殼外部的輻射散熱能力.

實驗中,管殼外部的輻射散熱是組件熱量傳出的主要方式.輻射出的熱量可以表示為

其中,σ0為黑體輻射常數,S為輻射表面面積,T為輻射表面的溫度,ε為表面的輻射發射率.

當慢波組件的溫度達到穩定時,加入的熱功率與輻射散出的相同,只要知道管殼外表面的溫度,便可以由(1)式求出不同管殼外表面的輻射發射率.管殼外表面的溫度可以在實驗中測量.推算實驗中制備的幾種螺旋線慢波組件的管殼外表面的輻射發射率得到,金屬納米銥膜輻射發射率大約為0.85,而鍍銥膜的輻射發射率僅為0.28左右,銅和蒙乃爾的發射率分別為0.13和0.45.金屬納米銥薄膜的輻射發射率比其他材料都高出許多,而鍍金屬銥膜的發射率比銅高,卻低于蒙乃爾.

4.對熱輻射影響的模擬分析

根據實驗條件設定計算機模擬仿真,將推算出的材料輻射發射率應用于仿真模型中,使用ANSYS進行模擬研究,比較采用不同管殼的慢波組件的散熱性能,并對實驗結果進行模擬驗證.按照實際情況設定模擬實驗,得到如圖7和表3中所示的研究結果.

圖7 銅管殼的散熱性能的模擬比較圖

表3 銅管殼組件溫度與功率模擬對照表

比較圖7、圖8和表3、表4,模擬結果與實驗結果具有很好的一致性.將由實驗推算得到的材料的輻射發射率應用于仿真模型中,準確地反映了材料的熱輻射性能.納米金屬粒子薄膜與普通的金屬薄膜的輻射散熱能力具有較為明顯的差別.模擬和實驗研究均表明金屬納米粒子薄膜的采用可以有效地提高組件的輻射能力,從而改善組件的散熱性能.

圖8 蒙乃爾管殼的散熱性能的模擬比較圖

表4 蒙乃爾管殼組件溫度與功率模擬對照表

5.結論

通過將金屬納米粒子薄膜利用濺射法沉積在螺旋線慢波組件中管殼的外表面,研究了其對熱輻射能力的影響.研究表明,采用了沉積納米銥膜管殼的慢波組件的散熱性能比采用普通銅管殼的組件提高了約3—4倍,比采用普通蒙乃爾管殼組件提高了約55%左右.結合實驗數據,將推算得到的發射率應用于仿真模型中進行模擬研究,得到了與實驗結果十分符合的模擬分析結果.研究表明,金屬納米粒子薄膜在改善電真空器件散熱性能中,具有很好的應用前景.

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PACC:6500,4440,4410

Effect of the nanopariculate metal film on heat radiation

Han Y ong1)2)?Liu Yan-Wen1)Ding Yao-Gen1)Liu Pu-Kun1)

1)(Key Laboratory of High Power Microwave Sources and Technologies,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)
2)(Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

10 March 2009;revised manuscript

4 May 2009)

The effect of the nanoparticulate metal film on the heat radiation performance has been studied by evaluating the thermal conduction of different helix slow-wave structures(SWS).The heat dissipation capabilities of the SWSs with normal barrel,with normal Ir film deposited barrel and nano-Ir deposited barrel have been analyzed and compared by experiments and simulations. With the measured data,the radiation emissivities of the employed materials have been estimated,and the accuracy has been verified by computer simulation.The experimental results and the simulation results make perfect agreement,suggesting that the nanoparticulate metal film gives much better heat radiation performance.

nanoparticulate metal film,heat radiation,heat dissipation capability

?E-mail:hanyuzha@126.com

?E-mail:hanyuzha@126.com